淺談CFG樁復合地基的設計

摘 要:本文介紹了CFG樁復合地基設計時的計算方法和步驟、復合地基的沉降計算方法及CFG樁復合地基設計時的幾點誤區。

關鍵詞:復合地基水泥粉煤灰碎石樁復合地基沉降計算

中圖分類號:TU473文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(c)-0080-02

我國地域遼闊，各地工程地質條件差異很大，各類軟弱地基分布面廣。目前我們所設計的工程遍布全國，在軟弱地基上進行油庫建設，往往需要對天然地基進行處理，形成復合地基，以滿足上部大型儲罐以及其它一些建筑物對地基的要求。近些年來，隨著地基處理技術的廣泛應用，復合地基理論和實踐發展很快，復合地基正成為三大常用地基和增強體材料的承載潛能，具有良好的經濟效益和社會效益。

1 復合地基簡介

當天然地基不能滿足建(構)筑物對地基的要求時，為滿足其要求，通過用增強體進行地基處理形成的人工地基，便構成了復合地基。復合地基在處理過程中部分土體得到增強，或被置換，或在天然地基中設置加筋材料，形成了由天然地基土體和增強體兩部分組成的人工地基。根據復合地基荷載傳遞機理，將復合地基分成豎向增強體復合地基和水平向增強復合地基兩類，又把豎向增強體復合地基分成散體材料樁復合地基、柔性樁復合地基和剛性樁復合地基三種。

能夠構成有豎向增強體復合地基的樁型有很多種，如水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)、水泥土攪拌樁和擠密碎石樁等，我們所接觸到的工程(油庫下的大型儲罐基礎)多為水泥粉煤灰碎石樁組成的復合地基，下面就針對此種復合地基進行較為詳細的介紹。

2 水泥粉煤灰碎石樁復合地基

2.1 水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)復合地基簡介

水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)為樁體中摻加適量石屑、粉煤灰(其中粉煤灰可使樁體具有明顯的后期強度)和水泥加水拌和，制成一種粘結強度較高的樁體，與樁間土和褥墊層一起構成CFG樁復合地基。樁、樁間土與基礎之間必須設置一定厚度的褥墊層，即褥墊層是高粘結強度樁復合地基的一部分。樁承擔的荷載占總荷載的百分比可在40％～75％之間變化，使得復合地基承載力提高幅度大并具有很大的可調性。

2.2 水泥粉煤灰碎石樁的適用范圍

水泥粉煤灰碎石樁適用于處理粘性土、粉土、砂土和已自重固結的素填土等地基。對淤泥質土應根據地區經驗或現場試驗確定其適用性。就土性而言，CFG樁可用于填土、飽和及非飽和粘性土，既可用于擠密效果好的土，又可用于擠密效果差的土。樁應選擇承載力相對較高的土層作為樁端持力層，并且需要進行復合地基的地基變形驗算。對可液化地基，可采用碎石樁和水泥粉煤灰碎石樁多樁型復合地基，達到消除地基土的液化和提高承載力的目的。

3 水泥粉煤灰碎石樁復合地基的計算

水泥粉煤灰碎石樁復合地基的設計步驟如下:

(1)根據上部荷載計算設計需要達到的復合地基的承載力特征值。

(2)根據地勘資料選擇適合的樁端持力層，確定單樁豎向承載力特征值。一般在進行設計時，均無單樁載荷試驗資料，所以單樁承載力特征值Ra的取值，可以按照下式進行估算:

式中:up為樁的周長(m)

n為樁長范圍內所劃分的土層數

qsi、qp為樁周第i層土的側阻力、樁端端阻力特征值(kPa)

li為第i層土的厚度

(3)初選樁徑和樁距，計算樁土面積置換率m

m=d2/de2

式中:d為樁身平均直徑(m)

de為根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑

等邊三角形布樁:de=1.05s

正方形布樁:de=1.13s

矩形布樁:de=1.13(s1s2)0.5

s、s1、s2分別為樁間距、縱向間距和橫向間距

(4)初步設計時，水泥粉煤灰碎石樁復合地基承載力特征值按照下式進行估算?:

fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk

由此公式可推得

Ra＝[fspk－β(1-m)fsk]×Ap/m

式中:fspk為復合地基承載力特征值

Ra為單樁豎向承載力特征值

Ap為樁的截面積

β為樁間土承載力折減系數，宜按地區經驗取值，如無經驗時可取0.75～0.95，天然地基承載力較高時取大值

fsk為處理后樁間土承載力特征值(kPa)，宜按當地經驗取值，如無經驗時，可取天然地基承載力特征值

(5)根據上式算出的單樁豎向承載力特征值與第2步算得的值進行比較，當后者小于前者時，滿足要求，當后者大于前者時，則重新估算樁徑及樁距，進行試算，直到滿足設計要求為止。

(6)根據算得的合適的樁距、樁徑及單樁承載力特征值，計算出樁數，進行實際布樁。

(7)樁體試塊抗壓強度平均值應滿足下式要求:

fcu≥3Ra/Ap

式中:fcu為樁體混合料試塊(邊長150mm立方體)標準養護28d立方體抗壓強度平均值(kPa)

4 水泥粉煤灰碎石樁復合地基沉降計算

處理后的地基應進行變形驗算，復合地基的分層與天然地基相同，各復合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ξ倍 。儲罐地基變形計算按照下式進行:

ξ=fspk/fak

式中:ξ為模量提高系數(用于復合土層)

s為地基最終變形量(mm)

ψs為沉降計算經驗系數，根據地區沉降觀測資料及經驗確定，無經驗時按照下表采用(如表1）

n為地基變形計算深度范圍內所劃分的土層數（計算深度應大于復合土層深度，并應符合現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》中地基變形計算的規定）

p0為對應于荷載效應準永久組合時的基礎底面處的附加壓力(kPa)

Esi為基礎底面下第i層土的壓縮模量(MPa)，應取土的自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段計算

zi zi-1為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面的距離

ai ai-1為基礎底面計算點至第i層土、第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數

5 水泥粉煤灰碎石樁復合地基設計時的幾點誤區

5.1 誤區一:褥墊層越厚越好

樁頂和基礎之間應設置褥墊層，褥墊層厚度宜取150～300mm，當樁徑大或樁距大時褥墊層厚度宜取高值。褥墊層材料宜用中砂、粗砂、碎石或級配砂石等。最大粒徑不宜大于30mm。不宜選用卵石，卵石咬合力差，施工擾動容易使褥墊層厚度不均勻。

在復合地基中，褥墊層具有保證樁土共同承擔荷載的重要作用，有的設計人員在復合地基設計時偏向選用厚褥墊層，認為褥墊層厚度越厚越好。

研究人員通過試驗證明，褥墊層厚度對樁土承載力的發揮密切相關，褥墊層厚度的選用對復合地基承載力具有顯著影響。在荷載作用下，復合地基達到承載力時，樁、樁間土同時達到各自的承載力是最理想的。綜合考慮，足夠剛度基礎下的復合地基，合理的褥墊厚度宜取(0.45～0.5)d(d為樁徑)。

5.2 誤區二:樁身強度越高越好

復合地基中樁的承載力與樁長、樁徑樁側樁端土的性狀和樁體強度相關，通常，樁體不發生破壞(樁體強度滿足要求)的前提下，樁越長、樁徑越大、樁側樁端土越好，樁的承載力越高。當樁長、樁徑一定、樁體不發生破壞時，樁的承載力只與樁側樁端土的性狀有關，即樁的側阻、端阻越大，樁的承載力越高。

樁體強度設計需考慮如下幾個因素:

(1)和樁基不同，復合地基承載力可以做深度修正，基礎埋深越大，深度修正的數量也越大，樁承受的豎向荷載越大，設計的樁體強度應越高。

(2)復合地基檢測中復合地基的最大加載量應大于等于設計要求壓力的2倍，在最大加載壓力作用下，樁和土不一定同時達到各自的極限承載力，很有可能在未達到最大加載壓力時樁就已經破壞。

如果基礎埋深很大，還應考慮深度修正量的大小，根據樁實際受力驗算樁體強度是否滿足建筑物在使用荷載作用下，保證樁體不發生破壞。所以樁體強度以滿足建筑物使用荷載和施工檢測樁體不發生破壞為設計條件。當滿足樁體不發生破壞時，增加樁體強度對復合地基承載力提高沒有作用。

5.3 誤區三:樁身越長越好

有的設計人員在計算好設計選用的樁長(針對樁長稍長的情況)以后，總是擔心施工質量不好帶來的安全隱患，而隨意的增加樁長。覺得增加了樁長，在一定程度上有了更高的安全保障。其實隨著樁長的加長，施工的難度也將越來越大，出現縮頸和斷樁的幾率也會增加，等檢測出來上述情況之后進行補救，就相當困難，尤其當樁長處在一個界限值的時候，樁長一旦超出，就得由專業素質更高的有限的幾家施工單位來施工，造價一下就增加了很多，其實完全是沒有必要的。

5.4 誤區四:樁距越密越好

在我們很多的設計過程中，喜歡選用小樁徑密布，在一般情況下這樣是經濟合理的。但是在需布置大面積群樁時，樁距太小，施工方法不太得當的情況下，有時會出現將樁擠出的現象。這時候還是選擇稍大的樁徑和樁距進行設計，對于施工來說更容易把握。所以，對于一名設計人員來說，針對不同的工程，要仔細研究工程的實際情況和特性，合理的選擇和確定樁徑、樁距等因素。

5.5 誤區之五:樁徑越大越好

樁長一定時，樁徑越大樁側面積越大，樁側阻力越大，單樁承載力也就越高。此外，樁徑大、樁的斷面面積大，荷載一定時，樁體強度要求不高。樁徑小樁側面積小、單樁承載力小，樁體強度要求高。顯然單純考慮承載力的大小，樁徑越大越好。但設計應考慮樁土共同工作的性狀。

復合地基中，樁對樁間土具有側向約束作用，與無樁條件下的地基相比，這種作用使得樁間土側向變形減少，樁間土的豎向變形也就相應減小，也就是樁的存在，使得樁間土承載力會有所提高。樁對樁間土的約束作用與基礎下樁的數量有關，樁數越少樁對樁間土的約束作用越小。在復合地基中，由于褥墊層的設置，樁和樁間土都能充分發揮作用，通常，樁頂應力大于樁間土應力，由于樁的變形模量遠大于樁間土的模量，距樁頂一定的樁長范圍樁間土的位移大于樁的位移，即存在一個負摩擦區。負摩擦區對樁受力是不利因素，對樁間土是阻止土向下變形的力，是有利因素。由于復合地基是樁土共同承擔荷載，負摩擦區的綜合效應對復合地基變形是有利的。

顯然，基礎面積一定時，樁徑越小、樁數越多，樁對樁間土向上的作用力越大。此外，樁徑越大，褥墊厚度也越大。若樁徑太小，施工質量不容易控制，或樁體強度要求偏高。綜上所述，剛性樁樁徑取350mm～600mm為宜。

6 質量檢驗

(1)水泥粉煤灰碎石樁復合地基竣工驗收時，承載力檢驗應采用復合地基載荷試驗。

(2)水泥粉煤灰碎石樁復合地基檢驗應在樁身強度滿足試驗荷載條件時，并宜在施工結束28d后進行。試驗數量宜為總樁數的0.5%～1%，且每個單體工程的試驗數量不應少于3點。

(3)應抽取不少于總樁數的10%的樁進行低應變動力試驗，檢測樁身完整性。

參考文獻

[1]建筑地基處理技術規范.

[2]閆明禮，初蕾，佟建興.剛性樁復合地基應用的幾個誤區[J].巖土工程界，2007，10(2).