CFG樁在穹形儲煤場地基處理中的應用

凌 成 劉永偉

(中國煤炭科工集團沈陽設計研究院，遼寧沈陽 110015)

CFG樁是20世紀90年代初研究并應用的地基加固技術，是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱。1997年被視為國家級工法，目前，該技術已在全國范圍內使用。CFG樁復合地基處理工藝簡單、質量易于控制，適用于砂土、粉土、粘性土、淤泥質土、雜填土等土質的地基處理。由于CFG樁體使用材料為水泥、粉煤灰、碎石、石屑、砂等，就地取材方便，特別是使用了工業廢料粉煤灰，既減少了污染，又達到了廢物再利用的目的，大大降低了生產成本，保護了環境，經濟效益和社會效益顯著。近幾年，國家加大對基礎建設的投入，CFG樁由于成本低廉、地基加固效果好、適用范圍廣、工期短等優點，在建筑、道路、煤礦等地基處理中得以迅速推廣和應用。

1 CFG樁復合地基加固機理及各組成部分作用

1.1 CFG樁復合地基承載的基本原理

CFG樁復合地基由樁、樁間土及褥墊層三部分組成。通過褥墊層把三者有機的結合成一個整體。當基礎傳來壓力，褥墊層可以通過調整厚度來改變變形量，把壓力按適當的比例分配給樁及樁間土，使其共同受力。同時樁對樁間土進行了擠壓，提高了土的承載力。樁間土承載力的提升又增加和改善了樁的受力性能，二者共同作用，極大的增加了復合地基的承載能力。

1.2 CFG樁和樁間土的作用

CFG樁在承擔基礎傳來的豎向荷載的同時，對地基土產生了一定的擠密作用。特別是采用非排土法(如振動沉管打樁法)施工時，很大程度上擠密了樁間土。水泥經水解和水化反應以及與粉煤灰的凝硬反應后，生成穩定的結晶化合物，這些化合物填充了碎石和石屑的孔隙，并將這些骨料及周圍的土體粘結在一起，從而改善了土質性能。樁間土作為承擔荷載的一部分，承擔了基礎傳來的豎向荷載的同時，還承擔了大部分水平荷載，對樁體產生約束力，防止樁體發生側移，保證樁體的正常工作。

1.3 褥墊層的調整均化作用

褥墊層由顆粒材料組成，采用粒徑不超過3 cm的級配砂石、碎石或中(粗)砂，厚度介于15 cm～30 cm之間。褥墊層保證了樁、土共同承載荷載，使樁間土的承載力得以充分發揮，通過調整褥墊層的厚度來改變樁、土承擔荷載的比例，進而使基底壓力得到了均化和調整。

2 CFG樁單樁承載力計算

單樁承載力標準值，可采用類似于摩擦端承樁承載力計算公式:Ra=Up× ∑qsi× Li+qp× Ap。其中，Up為樁的周長，m;qsi為樁周第i層土的側阻力特征值，kPa;qp為樁端阻力特征值，kPa;Li為第i層土的厚度，m。

3 CFG樁復合地基的承載力

根據CFG樁復合地基的結構特點，綜合考慮影響地基承載力的各方因素。對CFG樁復合地基的承載力特征值采用下列公式進行計算:fspk=m×Ra/Ap+β×(1－m)×fsk。其中，fspk為復合地基承載力特征值，kPa;m為面積置換率，m=Ap/Az，Ap為樁的截面面積，m2，Az為與Ap對應的處理地基的面積，m2;Ra為單樁豎向承載力特征值，kN;fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa;β為樁間土承載力折減系數。宜根據地區經驗取值，如無經驗時可取0.75～0.95，天然地基承載力較高時取大值。

4 工程簡介和場區地質概況

內蒙古平莊煤業(集團)有限責任公司元寶山露天煤礦選煤廠篩選系統穹形儲煤場位于內蒙古赤峰市元寶山區，直徑85 m，設計儲煤量為5萬t。根據赤峰永泰巖土工程有限公司提供的《元寶山露天煤礦選煤廠穹型儲煤場巖土工程勘察報告》場地土自上而下分別為:①粉土層:沉積時代、成因黃色，稍濕，稍密，無光澤，搖震反應中等，干強度、韌性低，高壓縮性，層厚4.50 m～12.50 m。地基承載力特征值為fsk=140 kPa;②粉質粘土:沉積時代、成因黃色～棕黃色，堅硬～可塑狀態，無搖震反應，稍有光澤，干強度、韌性中等，中等壓縮程度，層頂深度4.50 m ～12.50 m，層厚8.10 m ～29.10 m。地基承載力特征值 fak=160 kPa;③玄武巖:沉積時代Q3，雜色，強風化程度，大部分已風化成土狀或散粒狀，局部有塊狀。地基承載力特征值fak=280 kPa;④粉質粘土:沉積時代、成因褐黃色，硬塑狀態，無搖震反應，稍有光澤，干強度、韌性中等，層頂深度21.10 m～26.10 m。地基承載力特征值fak=160 kPa;該穹形儲煤場主體結構分為兩部分(如圖1所示)。1)混凝土擋墻:地下為鋼筋混凝土條形基礎，地面部分采用混凝土擋墻，球形網架結構，地基持力層為第①層粉土層，設計要求承載力不低于300 kPa;2)中心樁部分:采用混凝土筏板基礎，主體采用鋼筋混凝土結構，地基持力層為第②層粉質粘土層，設計要求承載力不低于300 kPa。天然地基承載力滿足不了設計要求，須進行地基處理。

5 CFG樁在穹形儲煤場地基處理中的應用

5.1 地基處理方案

由于建筑結構具有高、重、大的特點，所以對地基承載力及不均勻沉降都有較高的要求，本工程①粉土層和②粉質粘土層的地基承載力特征值分別為140 kPa和160 kPa，顯然不滿足設計要求，故需要對地基進行處理或采用樁基礎，經過對基礎方案的技術經濟論證決定采用CFG樁復合地基，以充分利用原位地基土的強度和剛度來降低工程造價。相比于CFG樁具有相近特性的素混凝土樁而言，CFG樁復合地基的單方造價僅為素混凝土樁復合地基的單方造價的一半。所以決定采用CFG樁復合地基進行處理。

圖1 穹形儲煤場結構圖

5.2 CFG樁復合地基設計

根據穹形儲煤場結構具有環狀條形基礎和條形筏板基礎的結構特點，CFG樁在混凝土擋墻部分采用環形放射狀布置，環形近似等間距布樁，中心柱部分采用矩形等距布置。由于兩個部分荷載及持力層不同，樁間距分別定為1.80 m和1.20 m，樁徑均為500 mm，置換率分別為6.1%和13.6%，設褥墊層厚度均為300 mm。樁的布置見圖2，復合地基剖面見圖3。根據本工程的具體情況，取樁間土強度折減系數為0.85。經計算外環和中心柱的樁長分別取12 m，17.0 m。

圖2 穹形儲煤場樁平面布置圖

圖3 復合地基剖面圖

5.3 地基加固檢測

在地基處理施工完成后，根據《建筑地基基礎設計規范》的要求，進行了靜載試驗。試驗取沉降量為0.01倍的承壓板寬度值所對應的荷載為承載力特征值。以外環1126號樁靜載試驗為例，Q—s和s—lgt曲線見圖4。部分靜載試驗結果見表1。

圖4 外環1126號樁靜載試驗曲線圖

表1 靜載檢測結果匯總表(節選)

由靜載試驗曲線圖和靜載試驗數據可知，經12.0 m，17.0 m長的CFG樁加固后，地基承載力基本值均為300 kPa以上，滿足了設計要求。

6 沉降觀測分析

對CFG樁復合地基上建筑物連續沉降觀測表明，沉降所需要的穩定時間較短，同時由于地基壓縮模量增大而使建筑物沉降顯著減小。

7 和其他地基處理方法經濟對比分析

CFG樁復合地基受力和變形類似于素混凝土樁。但由于CFG樁中摻有粉煤灰，并充分發揮了樁間土的承載力，具有地基承載力高、穩定快、變形小等優點。施工及用料上，由于施工簡單、用料經濟環保、工期短，工程造價較素混凝土樁低，社會效益和經濟效益顯著。

8 結語

本工程的設計方案和檢測成果表明:CFG樁復合地基在一定條件下完全可以滿足煤礦大型、重型倉(場)類建筑對地基的需要。CFG樁復合地基處理方法優點在于應用范圍廣、質量易于控制、經濟、環保。對于快速發展的中國建設領域，有著極大的發展潛力與空間。

［1］GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范［S］.

［2］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范［S］.

［3］葉書麟.地基處理工程實例應用手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，1998.

［4］曾裕平，吳明軍.CFG樁復合地基處理［J］.山西建筑，2011，37(13)：62-63.