不同工程地質(zhì)條件下CFG 樁的設(shè)計(jì)問(wèn)題

黃建國(guó) 馬玉龍

(1.浙江華匯巖土勘測(cè)有限公司，浙江紹興 312000; 2.浙江土力工程勘測(cè)院，浙江紹興 312000)

1 加固原理

在CFG樁樁身材料由混凝土材料中摻入一定量的粉煤灰而組成的一種樁型，是復(fù)合地基處理的一種地基處理方法，主要由樁體、褥墊層和樁間土組成，其中CFG樁復(fù)合地基中樁體主要起置換作用，褥墊層起調(diào)整均化作用，對(duì)于部分土層還具有擠密作用。CFG樁因其樁身具有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，在垂直荷載作用下，樁頂不出現(xiàn)壓脹變形，樁頂集中的荷載通過(guò)樁周摩擦力傳至深層土中。故復(fù)合地基承載力大，變形小。

1)樁體的置換作用。CFG樁中的水泥經(jīng)水解和水化反應(yīng)以及與粉煤灰的凝硬反應(yīng)，生成了主要成分為鋁酸鈣水化物、硅酸鈣水化物和鈣鋁黃長(zhǎng)石水化物等不溶于水的穩(wěn)定的結(jié)晶化合物。這些物質(zhì)不斷生長(zhǎng)延伸充填到碎石和石屑的孔隙中，相互交織形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將骨料緊緊纏繞粘結(jié)在一起，使樁體變形模量大大提高。隨著樁體剛度增加，樁體作用發(fā)揮更加明顯。

2)褥墊層的變形協(xié)調(diào)作用。CFG樁在豎向荷載作用下，由于褥墊層的作用，樁體模量大，樁體逐漸向褥墊層中刺入，同時(shí)褥墊層材料在受壓縮的同時(shí)，向周?chē)l(fā)生移動(dòng)。墊層材料的移動(dòng)補(bǔ)償使樁間土與基礎(chǔ)底面始終保持接觸，同時(shí)使樁間土的壓縮量增大，從而使樁間土的承載力充分發(fā)揮，樁、樁間土共同作用得到保證。

墊層材料的移動(dòng)補(bǔ)償，使樁間土的承載力得到充分發(fā)揮，樁體承擔(dān)的荷載相對(duì)減少，從而使地基的接觸壓力得到了均化和調(diào)整。地基中的豎向應(yīng)力分布得到均化，地基的變形狀況得到明顯改善，復(fù)合地基的承載力得到大大提高。此外，隨著作用在樁間土上豎向荷載的增大，樁間土的壓密程度提高，使樁身側(cè)摩阻力增加，同時(shí)樁體的承載力得到提高，從而使復(fù)合地基的承載能力得到提高。

3)樁的擠密作用。在粉土、砂土和塑性指數(shù)較低的粘性土地基中，采用非排土法施工時(shí)，施工對(duì)土體的振動(dòng)或擠壓使側(cè)摩擦阻力得到增加，樁體的承載力得到加強(qiáng)，進(jìn)而提高了復(fù)合地基的承載力。

4)復(fù)合地基的加速固結(jié)作用。除散體材料樁具有良好的透水特性，可加速地基的固結(jié)外，水泥土類(lèi)和混凝土類(lèi)等剛性樁在某種程度上也可加速地基固結(jié)。因?yàn)榈鼗探Y(jié)不但與地基土的排水性能有關(guān)，而且還與地基土的變形特性有關(guān)。從固結(jié)系數(shù)CV的計(jì)算式可以反映出來(lái)，雖然剛性樁會(huì)降低地基土的滲透系數(shù)，但它同樣會(huì)減小地基土的壓縮系數(shù)，而通常后者的減小幅度要比前者大，同樣可起到加速固結(jié)的作用。為此，增大樁與樁間土的模量之比對(duì)加速地基固結(jié)是有利的。

5)復(fù)合地基的加筋作用。各種樁、土復(fù)合地基除了可提高地基的承載力外，還可用來(lái)提高土體的抗剪強(qiáng)度，剛性樁復(fù)合地基效果更為明顯。

該樁適應(yīng)土層為砂土、粉土、粘土、淤泥質(zhì)土、雜填土等地基。

2 工程實(shí)例

2.1 工程實(shí)例A

四川雙馬集團(tuán)職工住宅小區(qū)位于綿陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，10棟6層住宅樓地貌單元為涪江右岸河漫灘向一級(jí)階地過(guò)渡地段。地層為上覆人工填土，其下為第四系全新統(tǒng)沖積層。地基土構(gòu)成主要有:第①層:耕填土;第②層:沖洪積粉土和砂土;第③層:沖洪積砂卵石層;地基土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土的物理力學(xué)參數(shù)表(一)

2.2 工程實(shí)例B

西藏自治區(qū)人民政府駐成都辦事處醫(yī)院門(mén)診、住院大樓地基，該擬建物為地上9層，地下設(shè)1層人防地下室，擬建場(chǎng)地地貌單元屬成都平原岷江水系Ⅱ級(jí)階地。場(chǎng)地上覆人工填土，其下由第四系中下更新統(tǒng)河流沖積成因的粉質(zhì)粘土、粉土、砂及卵石組成，下伏白堊紀(jì)上統(tǒng)灌口組粉砂質(zhì)泥巖。地基土構(gòu)成:①雜填土、②素填土、③粉質(zhì)粘土、④粉土、⑤細(xì)砂、⑥卵石和⑦粉砂質(zhì)泥巖。

地基土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土的物理力學(xué)參數(shù)表(二)

2.3 工程實(shí)例C

百子灣1號(hào)院住宅小區(qū)位于北京市朝陽(yáng)區(qū)百子灣1號(hào)院內(nèi)，擬建場(chǎng)地地貌單元屬于永定河沖洪積扇的中下部。地基土構(gòu)成:①人工填土、②粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、③粉砂、細(xì)砂、④粉質(zhì)粘土、⑤粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、⑥細(xì)砂、中砂、⑦粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土和⑧粉質(zhì)粘土。地基土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

3 分析不同工程地質(zhì)條件下設(shè)計(jì)問(wèn)題

在本文中第2部分提出在三個(gè)地區(qū)的工程中，每個(gè)地區(qū)都有各自的地基土的工程特點(diǎn)。A地區(qū)，大部分地貌單元是涪江一級(jí)階地或河漫灘向一級(jí)階地過(guò)渡地段，不良地質(zhì)作用不發(fā)育，土的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1，地基土性質(zhì)為中雜填土，堆積時(shí)間短，該層主要以舊房基礎(chǔ)殘留物、糞池、沼氣池、碎磚、混凝土塊、瓦塊、石灰渣等建筑垃圾及砂、卵石組成，分布凌亂，結(jié)構(gòu)松散，屬不良地基土層，不應(yīng)作為基礎(chǔ)持力層。第四系全新統(tǒng)沖積層上段層中的粉土、粉砂及細(xì)砂層:根據(jù)工程勘探、坑探揭示，該層由上至下多呈現(xiàn)出顆粒由細(xì)變粗的河流相沉積韻律。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，粉土為中～稍密狀態(tài)，屬中壓縮性土。粉砂和細(xì)砂呈松散狀態(tài)，屬高壓縮性土。該層屬力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較差的地基土層。而卵石層屬于低壓縮性土，且穩(wěn)定。從整個(gè)地基土來(lái)分析，A區(qū)具有上部的地層軟，下面的地層較硬的特點(diǎn)。

B地區(qū)，地貌單元屬成都平原岷江水系Ⅱ級(jí)階地，不良地質(zhì)作用不發(fā)育。場(chǎng)地上覆人工填土，其下由第四系中下更新統(tǒng)河流沖積成因的粉質(zhì)粘土、粉土、砂及卵石組成，下伏白堊紀(jì)上統(tǒng)灌口組粉砂質(zhì)泥巖。其地質(zhì)結(jié)構(gòu)上也比較簡(jiǎn)單。土的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。地基土的力學(xué)性質(zhì)都比A區(qū)高，且也有下面地層較上面的硬的特點(diǎn)。

C地區(qū)，第四紀(jì)以來(lái)受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，山區(qū)不斷抬升，平原強(qiáng)烈下降，并接收了巨厚的河流沉積物。土的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表3。根據(jù)勘察分析，這個(gè)場(chǎng)地可以直接作為持力層也能滿(mǎn)足13層～16層的樓房建筑。可見(jiàn)，地基土的天然承載力很高，且有幾個(gè)地層都可以作為天然地基的持力層。如②2層、③層、第四紀(jì)沉積砂質(zhì)粉土③2層，第四紀(jì)沉積砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土⑤層，細(xì)砂、粉砂⑥2層。

表3 土的物理力學(xué)參數(shù)表(三)

通過(guò)分析得出:樁體模量的增大可以增加復(fù)合地基的承載力、增加樁土應(yīng)力比、減小沉降，結(jié)果對(duì)樁體的要求很高，大部分荷載由樁體承擔(dān)，基地應(yīng)力集中增加，這樣，就不能充分將樁間土的承載特性發(fā)揮出來(lái)。而復(fù)合地基的目的就是要充分利用樁間土的承載特性。因此，首先在選取樁體模量時(shí)要考慮各方面的因素，選取合適模量的樁體既能夠滿(mǎn)足上部荷載的承載力，也能滿(mǎn)足沉降變形的要求，又能夠充分發(fā)揮樁間土的作用。其次，通過(guò)墊層厚度和墊層模量的變化來(lái)調(diào)整樁土應(yīng)力比，減小樁體的荷載分擔(dān)比。鑒于對(duì)A，B，C三個(gè)地區(qū)的地基土的工程地質(zhì)特性對(duì)CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)參數(shù)提出建議:

1)持力層的選擇。A地區(qū)將持力層放在承載力較大的稍密卵石層上。因卵石層厚度勘探4 m～6 m未見(jiàn)底，可見(jiàn)，選在該層上是比較合理的。B地區(qū)端阻力和側(cè)阻力都要大于A區(qū)，其地下結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，上面已經(jīng)提到在卵石層下是微風(fēng)化的白堊紀(jì)粉砂質(zhì)泥巖，持力層一般選在稍密卵石層上，如果變形不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以將樁體延伸到粉砂質(zhì)泥巖里，樁體進(jìn)入卵石層內(nèi)1倍樁徑。C地區(qū)的工程地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，其土層力學(xué)性質(zhì)來(lái)講比A區(qū)和B區(qū)的要好，在進(jìn)行復(fù)合地基處理上根據(jù)上部荷載的要求和考慮基礎(chǔ)總沉降及沉降差異較大，因此將持力層放在第⑧層的粘質(zhì)粉土層上。本工程B樓基礎(chǔ)位于第③層上，埋深大約8 m。CFG樁復(fù)合地基處理時(shí)，持力層選擇在第⑧層上，根據(jù)勘察資料計(jì)算得樁體長(zhǎng)度大約在13 m。

2)樁體模量的選擇。根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，A區(qū)樁體強(qiáng)度要求不高，B區(qū)樁體強(qiáng)度稍大些，C區(qū)的樁體強(qiáng)度要求最高。在進(jìn)行樁體設(shè)計(jì)上，A區(qū)的地基土壓縮性高，因此，設(shè)計(jì)上要充分考慮負(fù)摩阻力對(duì)樁體產(chǎn)生的影響;C區(qū)樁體側(cè)阻力特征值比較大，設(shè)計(jì)中也要將其考慮在設(shè)計(jì)之內(nèi)。

3)墊層厚度的選擇。由于A區(qū)樁間土的壓縮性高，且承載力低的特性，在設(shè)計(jì)中就要求增大樁土應(yīng)力比，使更多的荷載由樁體來(lái)承擔(dān)。因此，墊層厚度就不能選的過(guò)厚，建議選擇20 cm左右，不宜大于25 cm。B區(qū)樁間土的壓縮性相對(duì)要低些，且承載力高些，這樣，就要充分利用天然土體的性質(zhì)，墊層的厚度相對(duì)厚一些，建議選擇25 cm厚的墊層。C區(qū)樁間土的壓縮性低，承載力高，樁體側(cè)阻力值最大，墊層厚度應(yīng)選的更大一些，建議為25 cm～30 cm;在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)前面分析可知，墊層是引起復(fù)合地基負(fù)摩阻力的因素，故而在增大墊層厚度時(shí)就要考慮負(fù)摩阻力對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。

4)樁間距的選擇。根據(jù)三個(gè)地區(qū)的工程特性，A區(qū)的樁間距要設(shè)計(jì)的小些，置換率要高，B區(qū)樁間距介于A區(qū)和C區(qū)之間，C區(qū)樁間距要求最大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)A，B，C三個(gè)工程進(jìn)行地基土的工程分析，根據(jù)各地工程地質(zhì)特點(diǎn)對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行選取是不同的:

1)A地區(qū)處于一級(jí)階地或河漫灘向一級(jí)階地過(guò)渡地段，地基土的力學(xué)性質(zhì)很差，所以，在進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基時(shí)，墊層厚度要比B區(qū)和C區(qū)的薄些。其目的是要使樁體承擔(dān)大部分荷載;

2)B區(qū)處于二級(jí)階地地段，地基土的力學(xué)性質(zhì)相對(duì)A區(qū)要好，因此，在設(shè)計(jì)中，墊層厚度要比A區(qū)厚。目的是充分利用地基土的承載特性;

3)C區(qū)是沖洪積扇的中下部，地基土力學(xué)性質(zhì)很好，在設(shè)計(jì)上，墊層厚度可以達(dá)到30 cm，樁間距比較大。

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