清北電排站地基處理設計中CFG樁復合地基的應用

吉同毅

（清遠市水利水電勘測設計院有限公司，廣東 清遠 511500）

0 引言

在水利工程設計過程中，因天然地基無法滿足建筑物基底應力要求，則需要進行地基加固處理，達到消除地基土的液化和提高承載力的目的。水工建筑物常用的樁基礎復合地基處理方法有水泥土攪拌樁、鋼筋砼灌注樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、砼預制管樁等。由于CFG樁的材料加入了粉煤灰且無配筋，造價為一般樁基礎處理方案的1/3～1/2，且施工簡單，適用地質變化能力強，經濟效益和社會效益非常顯著，應用廣泛[1]。

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌和形成的高粘結強度樁，與樁間土、褥墊層一起形成復合地基。CFG樁樁身砼強度等級多在C15～C25之間。以廣東省清遠市清城區清北電排站應急擴容工程2#泵房地基處理作為典型論述。清北電排站位于清城區瀾水河北江出口處往上游約300 m處、東城街道辦事處瀾水村，擴容新建電排站裝機容量為900kW（3×300 kW)，設計電排流量11.3 m3/s。

1 巖土層主要物理力學指標及樁設計參數值

查閱《廣東省清遠市清城區清北電排站應急擴容工程地質勘察報告》，本次地基處理采用泵房基礎的地質鉆孔ZK3的巖土參數成果進行，勘察期間水位為8.44 m，巖土層主要物理力學指標及樁設計參數建議值，見表1。

表1 巖土層主要物理力學指標及樁設計參數建議值匯總表

2 泵房天然地基軟弱下臥層承載力計算

根據《泵站設計規范》（GB 5026-2010）作用在泵房上的荷載有自重（包括泵房結構重量、填料重量及永久設備重量）、靜水壓力、揚壓力、土壓力，活荷載（包括人群荷載和設備活荷載）等，作用在泵房上的土壓力根據泵房結構可能產生的變形條件，按主動土壓力計算。荷載組合分為基本組合和特殊組合，基本組合按完建情況和運行情況兩種情況計算，特殊組合按施工情況和檢修情況兩種情況計算。即按以下4種工況計算：①完建情況時，內水位低于基礎高程，沒有靜水壓力和揚壓力；②正常情況時，內水位為設計運行內水位，外水位為設計運行外水位；③施工情況時，內水位低于基礎高程，沒有土壓力靜水壓力、揚壓力、土壓力；④檢修情況，內水位為設計運行內水位，外水位為設計運行外水位。通過對以上4種情況進行房基底應力計算分析，完建情況泵房的基底最大應力為91.59 kPa，最小應力為66.71 kPa；正常運行情況泵房的基底最大應力為80.85 kPa，最小應力為73.58 kPa；施工情況泵房的基底最大應力為81.57k Pa，最小應力為76.72 kPa；檢修情況泵房的基底最大應力為109.47 kPa，最小應力為105.08 kPa。

本次基礎應力按檢修情況的基底最大應力109.47 kPa進行驗算，基礎底面至地面距離0.9 m。根據本工程地質鉆孔ZK3的成果可知，泵房基礎存在下臥層＜2-2＞淤泥質土。需要進行軟弱下臥層承載力驗算。計算巖土參數取值，見表1，泵房天然基礎下的軟弱下臥層＜2-2＞淤泥質土承載力計算驗算按以下公式：

式中：Pz為相應于荷載效應標準組合時，軟弱下臥層頂面處的附加壓力值，kPa；Pcz為軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值，kPa；faz為軟弱下臥層頂面處經深度修正后地基承載力特征值，kPa。

墊層底面處的附加壓力值Pz按下式計算。

式中：b為矩形或條形基礎底面的寬度，13 m；l為矩形基礎底面的寬度，21 m；pk為相應于作用的標準組合時，基礎底面處的平均壓力值，130 kPa；pc為基礎底面處土的自重壓力值，kPa；z為基礎底面處墊層的厚度，1.24 m；θ為墊層的壓力擴散角，3.09°，按《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)規范表5.2.7取值。

＜2-2＞淤泥質土軟弱下臥層頂面處經深度修正后地基承載力特征值faz按下式計算。

式中：fak為地基承載力特征值，為 60 kPa；ηb、ηd為基礎寬度深度修正系數，ηb取0，ηd取1；γ為基礎底面以下土的加權平均重度為，19.30 kN/m3；γm為基礎底面以上土的加權平均重度17.30 kN/m3；b為基礎底面寬度，為13 m；d為基礎底面深度，為21 m。

按上述公式計算，基礎底面處土的自重壓力值Pc=17.37kPa，軟弱下臥層頂面處的附加壓力值Pz=90.93 kPa，軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值Pcz=41.30 kPa，軟弱下臥層修正后地基承載力特征值faz=91.65 kPa。Pz+Pcz=132.23≥faz=91.65 kPa，則淤泥質土無法滿足上部水工建筑基礎設計荷載的要求，則需要對需要泵房底部地基整體加固處理。

3 泵房地基處理

2#泵房基底高程為5.10 m，泵房計算最大地基應力為109.47 kPa，考慮到受振動荷載影響時，泵房地基承載力需要修正，修正系數取0.9，修正后泵房地基承載力應不小于109.47÷0.9=121.63 kPa，則泵房設計基地承載力取130 kPa。

3.1 基礎處理樁型比選

根據《廣東省清遠市清城區清北電排站應急擴容工程地質勘察報告》的結論建議，基巖面上廣泛揭露為3層地層構成，依次揭露為＜2-1＞粉質粘土、＜2-2＞淤泥質土、＜2-3＞粉質粘土，開孔表層普遍存在局部人工混凝土層。下部巖土層揭露為基巖層，按風化程度不同分為＜3-1＞強風化泥質粉砂巖和＜3-2＞弱風化泥質粉砂巖。對該泵房基礎處理可采用水泥土攪拌樁、鋼筋砼灌注樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、砼預制管樁等。對各樁型進行經濟技術比較，水泥土攪拌樁、CFG樁、砼預制管樁按直徑400 mm比較，鋼筋砼灌注樁按直徑800 mm比較。具體比較見表2。

表2 基礎處理樁型經濟技術比較表

由表2可以看出，從單米造價方面比較，水泥土攪拌樁較為節省，CFG樁其次，砼預制管樁造價排第三，鋼筋砼灌注樁最貴。從施工技術方面比較，水泥土攪拌樁、鋼筋砼灌注樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、砼預制管樁均適應該工程。從施工速度方面比較，由快到慢的是砼預制管樁、CFG樁、鋼筋砼灌注樁、水泥土攪拌樁。從施工場地方面要求比較，預制管樁機械壓樁場地要求最大，鋼筋砼灌注樁場地要求其次，水泥粉煤灰碎石樁和水泥土攪拌樁場地要求差不多。

因本泵站工程為應急工程工期較緊，且周邊以開發為商業用地難于征用。本次選擇施工速度快、施工機械占用場地少、性價比高的樁型，即CFG樁。

CFG樁端設置于強風化泥巖中，樁長10 m?，F選取地質鉆孔ZK3進行計算，樁長為10 m，確定CFG樁地基加固處理方案如下：CFG樁按三角型布置，樁直徑取0.4 m，樁身砼強度為C20，間距1.5 m×1.5 m，樁長10 m，樁頂設30 cm厚級配砂碎石褥墊層，樁端設置于強風化泥巖中。具體布置見圖 1、圖 2。

圖1 泵房地基處理剖面圖

圖2 泵房地基處理平面圖

3.2 泵房復合地基承載力計算

泵房基礎下各層土厚度、力學參數及CFG樁設計參數見表1。單樁承載力按照《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）、《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）有關公式計算?？砂聪铝袃墒接嬎悖∑渲行≌撸?/p>

式中：Ra為豎向單樁承載力特征值，kN，安全系數取2；λ為單樁力發揮系數，取1；Fcu為樁體28天立方體強度，kPa，采用C20砼取20 MPa；uP為樁的周長；qsi為第i層土的側阻力特征值；Li為第i層土厚度；qp為樁端持力層端阻力特征值；Ap為樁截面積。

按公式計算單樁豎向承載力標準值，分別為Ra1= 628.32 kN，Ra2=387.70 kN。則取其中小者，且安全系數取2，則Ra=387.7/2=194 kN。

復合地基承載力特征值按《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）要求有關公式計算?？砂聪率接嬎?。

式中：λ為單樁力發揮系數，取1；fspk為復合地基承載力標準值，kPa；m為面積置換率；fk為天然地基承載力標準值，＜2-1＞粉質粘土為150 kPa；Ap為樁的截面面積，m2；β為樁間土強度發揮度，取0.90。

經過計算，復合地基承載力特征值fspk=174.30 kPa，大于泵房設計基地應力130 kPa，則處理后地基承載力滿足要求。

3.3 泵房地基處理后地基沉降計算

地基沉降計算按照《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）有關公式計算，參考表1巖土參數，計算深度為＜3-1＞泥質粉砂巖層頂面以上。

式中：S為樁基最終沉降量，mm；S'為按分層總和法計算出的地基沉降量；φ為沉降計算經驗系數；φe為沉降等效沉降系數；m為角點法計算點對應的矩形荷載分塊數；p0j為第j塊基礎底面附加應力，kPa；n為地基沉降計算深度范圍內所劃分的土層數；Esi為第 i層土壓縮模量；zij、z（i-1）j為樁端平面第 j塊荷載計算點至第i層土、第i-1層土底面的距離為平均附加應力系數。

將地基應力以及各層土有關數據代入上式得表3。

表3 泵房基礎沉降計算表

沉降計算經驗系數取0.40?？偝两盗浚?.4×174.23=69.69 mm，地基沉降量小于200 mm，查《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）可知，滿足規范要求。

3.4 工程質量檢測

本項目在CFG復合地基處理施工結束28d后，進行了單體樁及復合地基靜載試驗檢測。泵房基礎處理施工CFG樁121根。單樁共檢測3根，檢測值分別為630.13 kN、678.47 kN、651.95 kN。CFG復合地基共檢測3處，檢測值分別為454.47 kPa、478.59 kPa、426.38 kPa。2#泵房修正后的設計基地承載力為130 kPa，通過CFG樁復合地基處理后的地基承載力大于設計地基承載力，則地基處理滿足建筑物承載要求。

4 結語

工程采用CFG樁復合地基處理取得了較好的效果。地基處理后有較高的承載力，承載力的提高幅度在200%～300%之間，對軟土地基承載力提高顯著。該樁型材料具有良好的流動性與和易性，灌筑方便及成樁質量好，易控制施工質量，且施工工期較短，可加快工程建設進度。該樁落在風化泥巖上，可較嚴格地控制地基沉降量，沉降量相對較小及變形穩定快。該樁型工藝性好而簡單，利用工業廢料粉煤灰作為摻和料，大量節約了鋼材和水泥，利用工業廢料，大大降低了工程造價。