砂土層地基上CFG樁復合地基處理與優化設計

陸曉磊，趙云輝，蒲攀宇

（1中國建筑材料工業地質勘查中心江蘇總隊，江蘇 南京 210000；2防災科技學院，河北 三河 065200）

0 前言

隨著近年來城市發展速度的加快，高層建筑物越來越多，這對地基基礎的承載力、沉降量和穩定性的要求也就越來越高。在進行設計前，應綜合分析工程地質條件，合理選擇地基處理方法，以提高其適用性和經濟性[1]。基礎工程中一般采用地基處理和樁基礎兩類措施來改善工程特性[2]。在北京地區，CFG樁復合地基處理技術已得到廣泛應用，對于一般工程來說，此項技術既經濟又安全可靠[3]。CFG樁由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，用各種成樁機械制成的具有一定強度的可變強度樁，一種低強度混凝土樁，可充分利用樁間土的承載力共同作用，并可傳遞荷載到深層地基中去，具有較好的技術性能和經濟效果。許多專家或者學者對其進行過研究，黃生根[4]通過現場試驗研究了帶帽CFG樁的承載力性能以及CFG樁中土的受力特性，發現帶帽CFG樁承載力發揮程度遠大于土的承載力發揮程度；岳強[5]等通過工程實例，詳細介紹了規范中CFG樁的設計方法及在工程設計過程中存在的問題，具有一定的理論指導意義；桑松魁[6]等依托靜荷載試驗研究了CFG樁復合地基的承載性狀與沉降變形的主要影響因素，發現CFG樁復合地基的沉降變形主要來自樁身的壓縮量；于猛[7]等分析了CFG樁復合地基的設計方法，給出了四種情況CFG樁復合地基的實用設計方法，并提供了具體算例為相關工程設計提供參考；李國勝[8]比較了多個規范，總結了CFG樁復合地基設計方法，并探討了CFG樁穿越不同土層時的設計方法。

通過總結的成果，發現大部分學者研究內容局限在CFG樁本身的性能、試驗設計計算以及加固效果，對于樁端持力層位于砂土層上的CFG樁復合地基的地基處理和優化設計相關的研究內容較少。為了擴大CFG樁的應用范圍和適用性，本文介紹了CFG樁持力層在砂土層地基上的復合地基處理方法，并對方案進行了優化設計，可為工程實踐和進一步的研究提供參考依據。

1 工程概況及地質條件

工程為北京市海淀區某擬建21層住宅樓，其中地上18層，筏板基礎，基礎埋深11.3m。地基持力層承載力標準值為200kPa。要求地基承載力設計值達到360kPa。擬建場區自然地面標高約在41.50～44.50m。根據場區周邊揭示基巖的深層地質資料，擬建場區的覆蓋層厚度約在160m左右。地面以下至基巖頂板之間的土層巖性以粘性土、粉土與砂土、碎石土交互沉積土層為主。在本工程巖土工程勘察的勘探深度范圍內（最深36.00m）的地層，按成因類型、沉積年代可劃分為人工堆積層、新近沉積層和第四紀沉積層三大類，并按巖性及工程特性劃分為10個大層及亞層，現分述如下。

表層為人工堆積之一般厚度為0.40～3.80m的房渣土、碎石填土①層，粘質粉土素填土、粉質粘土素填土①-1層及細砂素填土①-2層。

人工堆積層以下為新近沉積之粉質粘土、粘質粉土②層，砂質粉土②-1層及粘土、重粉質粘土②-2層；細砂、中砂③層，細砂、粉砂③-1層、圓礫③-2層及砂質粉土、粘質粉土③-3層；受人為取土影響，局部該大層缺失。

新近沉積層以下為第四紀沉積之粉質粘土、粘質粉土④層，粘質粉土、砂質粉土④-1層及有機質重粉質粘土、有機質粘土④-2層；細砂、中砂⑤層，圓礫⑤-1層及粉質粘土⑤-2層；粉質粘土、粘質粉土⑥層，粘土、重粉質粘土⑥-1層，砂質粉土、粘質粉土⑥-2層及細砂⑥-3層；粉質粘土、粘質粉土⑦層，粉質粘土、粘質粉土⑦-1層，粘土、重粉質粘土⑦-2層及細砂、中砂⑦-3層；細砂、中砂⑧層及圓礫、卵石⑧-1層；粉質粘土、粘質粉土⑨層，粘質粉土、砂質粉土⑨-1層及有機質粘土、有機質重粉質粘土⑨-2層；細砂、中砂⑩層。具體參數見表1。

地基土物理力學性質參數表 表1

2 CFG樁工程設計應用

2.1 設計方法

按照規范[9]要求進行承載力的計算，首先確定面積置換率，可按下式計算：

式中：m為樁土面積置換率；d為樁身平均直徑（m）；de為1根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，按正方形布樁de=1.13s。

CFG樁單樁承載力特征值計算公式：

其中，μp為樁的周長，取 μp=3.14×600=1884mm；n為土層數；qsi為樁長范圍內土層極限側阻力標準值；li為樁長范圍內第i層土的厚度 (m)；αp為樁端端阻力發揮系數，按地區經驗取αp=1；qp為樁端地基土未經修正的承載力特征值，根據勘察報告取qp=700kPa；Ap為樁截面面積，取 Ap=3.14×0.3×0.3=0.28；

樁體試塊抗壓強度平均值應滿足下式要求：

然后計算復合地基特征值，計算公式如下：

式中，β為樁間土承載力折減系數，取β=0.8；fsk為處理后樁間土的承載力特征值，取fsk=350kPa；

樁數的確定按下式計算：

式中，n為樁數，A為基礎底面面積。

2.2 CFG樁工程設計

比較表1中土層參數，⑤-1層圓礫土其天然地基承載力與其他土層相比較大，作為CFG樁樁端持力層較為合適。

該設計中采用CFG樁中的長螺旋鉆中心壓灌工藝，根據規范成樁樁徑宜為350mm～600mm，樁間距宜為3～5倍樁徑。采用正方形布樁；樁頂與基礎之間的褥墊層材料選用碎石，厚度200mm。初步設計樁徑600mm，樁間距2.0m，有效樁長4.0m。按公式（1）和公式（2）分別計算出面積置換率m=0.07和單樁承載力特征值 Ra=680.12kN，由公式（3）計算可知，fcu=9626.67kPa，為滿足規范[10]要求，該設計需采用標號C20的商品混凝土方。根據公式（4）算得復合地基特征值為428.87kPa，滿足要求設計要求 360kPa，根據公式（5）求得樁數143根。

用分層總和法計算沉降量，計算公式為：

式中：S1為加固區沉降量；S2為非加固區沉降量。

依據規范[9]中沉降計算方法，按1m分層，則當前深度向上取厚度為1m的土層深度16m。計算結果見表2，該深度下土的沉降值為△s'n=2.087mm，計算△s'n/∑△s'i=0.0196≤0.025，所以本層土已滿足要求。按分層總和法計算出的地基沉降量106.67mm。

最終沉降計算公式：

分層總和法沉降計算 表2

式中：Ψs為沉降計算經驗系數。

復合地基沉降計算中Ψs的取值與地基變形計算深度范圍內壓縮模量的當量值有關，該計算公式為：

3 CFG樁優化設計

根據規范要求成樁樁徑宜為350mm～600mm，樁間距宜為3～5倍樁徑，由公式（1）計算得其面積置換率在0.03～0.09之間。所以為保證V最小，取最小值0.03。當面積置換率為0.03時，通過公式（1）反推可得樁間距為5倍樁徑。所以當樁徑d=400mm，s取2000mm，根據公式（5）計算得n=137根，同時得到當樁 徑 d=500mm，s取 2500mm，n=88 根，當樁徑d=600mm，s取3000mm，n=67根。

由于樁徑d，樁間距s以及樁長L是變化的，這就涉及到如何選取能達到在保證滿足設計要求的前提下成本費用最少的目標，其中，成本費用=材料費+人工費+機械租賃費。根據相關資料顯示，北京地區的CFG樁樁體材料價格約為每立方米450元，每根樁產生的成孔、排土、垃圾清運等其它費用約為1600元，因根據該工程地質勘查報告資料所示，為保證樁端持力層位于較大承載力地層上，本設計采用固定樁長4m。表3為總費用計價表。

總費用計價表 表3

總費用與樁徑函數圖

根據表3擬合得到樁徑規格與總費用的函數圖像，如下圖所示。

從圖1中可得，當樁徑取470mm時，總費用最低。結合CFG樁螺旋鉆鉆桿規格考慮，并不具備470mm的鉆桿，所以在該工程條件背景下樁徑只能取500mm，使得總費用最低。所以最終設計取樁徑500mm，樁間距2.5m，樁長4m。經計算得復合地基特征值為364.04kPa，最終沉降量27.92mm。滿足要求。

4 結論

①CFG樁復合地基處理承載力較低的砂土層地基可行的，其樁端具有非常明顯的端承作用，處理后的復合地基承載力和地基沉降量均符合設計要求。該方法施工簡便，振動及噪聲小，本文的計算分析方法可為類似的實際工程提供參考依據；

②原地基處理方案中，CFG樁徑為500mm，樁間距為2m，經此方案處理后的地基承載力大且地基沉降量小，但需額外增加約26.6萬元的工程造價，未能體現工程設計的經濟性理念。在進行CFG樁復合地基處理和樁體直徑的選擇時，應充分進行計算，并不是樁體直徑越小，工程造價越低。通過上述的設計驗算及優化，設計樁長5m，樁徑500mm。地基經過處理后，復合地基的承載力可以達到364.04kPa。基礎的最終沉降量為27.92mm，滿足使用要求。