基于褥墊層創新設計的CFG樁復合地基在某電排站軟基處理中的應用

劉 堅,劉紅梅

(廣東粵水電勘測設計有限公司，廣東 佛山 528000)

1 概述

剛性樁復合地基是目前地基處理中發展較快和較好的方法。目前應用較多的主要有CFG樁[1]、螺旋樁、預制砼樁等，常見形式如圖1所述。由于剛性樁復合地基質量可控，承載力較高，適應性廣，且具有良好的經濟效益，成為越來越廣泛應用的地基處理方法。其不僅可以應用于高層建筑基礎，也可以應用于軟基條件下的水利工程，是一個具有良好應用前景的地基處理方法。

圖1 剛性樁復合地基示意

CFG樁全稱水泥粉煤灰碎石樁，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘結強度樁，樁、樁間土和褥墊層一起構成復合地基[2]。實際應用多采用商品砼作為樁身材料。由于樁與土通過褥墊層共同受力承擔上部荷載，地基與基礎底板之間不容易脫空，所以CFG樁比較適合水利工程的穿堤建筑物的地基處理。

褥墊層在剛性樁復合地基中起到樁土變形協調的重要作用，其工作機制及破壞機理均較復雜，對剛性樁復合地基承載性狀的影響也較為復雜，厚度及材料類型是褥墊層發揮作用的重要因素。褥墊層材料宜用中砂、粗砂、級配砂石和碎石，最大粒徑不宜大于30 mm[2]，均為透水性材料，而水利工程穿堤建筑物有防滲要求。現在常用的褥墊層防滲方法是設置額外的防滲設施，如在褥墊層一周設置密排攪拌樁圍封褥墊層防滲或者采用其他垂直防滲等，這都將增加工程造價及施工工期。本文將介紹一種不連續的褥墊層的專利設計[3]，可以省去額外的防滲措施。下面以佛山某電排站的設計為例，介紹CFG樁軟基處理設計過程及處理效果，為類似工程設計提供參考。

2 工程概況

某電排站工程位于佛山市，電排站設計流量為7.5 m3/s，裝機容量為560 kW，為小(1)型泵站。采用常規的堤后式立式機組廠房，2臺主泵為1.2 m的軸流泵。由內涌到外江主要建筑物有內涌岸墻、簡易攔污柵閘及攔污柵閘、進水前池、泵房、出水壓力涵、外江防洪閘等。電排站平剖面見圖2所示。

圖2 電排站平剖面示意

本項目地層自上而下共分9層：①筑填土；②粘土；③ 淤泥質土；③-1圓礫夾層；④-1殘積粉質粘土夾層；④殘積中砂；⑤-1強風化巖帶：局部分布，巖性為砂礫巖；⑤中風化巖帶：巖性為石灰巖；⑥微風化巖帶，巖性為石灰巖。各土層力學參數見表1，場地典型地質剖面見圖3所示。

表1 地基土部分物理力學參數

圖3 工程地質縱剖面示意

項目的主要地質問題：

1) 基礎底下有厚達18 m的淤泥質土層，存在軟土地基沉降變形大的問題；

2) 巖面為石灰巖，雖然鉆探未揭露出溶洞、土洞，但石灰巖面傾斜，變化大，容易造成樁端滑動。

為解決以上地質問題，電排站需要采取地基處理措施。

3CFG樁復合地基設計

3.1 地基處理設計

電排站地基處理設計主要考慮承載力及地基變形兩方面的要求。以下主要以泵房為例，進行地基處理計算。

1) 承載力計算

擬采用Φ500CFG樁處理地基，樁長20 m，以中風化巖面作為持力層。采用規范方法[2]計算如下：

① 單樁承載力特征值

CFG樁的單樁豎向承載力特征值，取以下兩式的小值：

Ra=0.25·fcu·Ap/λ

(1)

(2)

式中fcu為與CFG樁樁身配方相同的立方體試塊在室內28 d齡期的無側限抗壓強度，計算取15 MPa；μp為樁的周長；l為樁長，計算取20 m；qsi為樁周土的平均阻力特征值，kPa；qp為樁端阻力特征值1 500 kPa；λ為單樁承載力發揮系數，取0.85；αp為樁端端阻力發揮系數，取1。

計算得到：Ra=560.0 kN。

② 復合地基承載力特征值

復合地基承載力特征值按下式計算：

(3)

式中fspk為復合地基承載力特征值，計算取92.5 kPa；fsk為樁間土的承載力特征值，計算取60 kPa；Ap為樁的截面積，按樁直徑計，取D=0.5 m；m為面積置換率；β為樁間土折減系數，取0.9。

計算得m=0.016 2，采用梅花形布樁，不均勻樁距2.5～4.5 m(見圖3)。實際m=0.026 7，滿足地基承載力要求。實際布樁后的復合地基承載力特征值fspk=117.4 kPa。

2) 沉降計算

沉降計算采用規范[1]分層總和法進行計算。各復合土層的壓縮模量等于天然地基壓縮模量的ζ倍，ζ值按下式確定：

ζ=fspk/fak

(4)

式中fak為基礎底面下天然地基承載力特征值，取60 kPa。計算得到ζ=117.4÷60=1.96。

泵房完建工況下的平均基底應力為 92.25 kPa。先期壓力約為66 kPa，故附加壓力為26.25 kPa。泵房沉降計算見表2。

表2 泵房沉降計算

查規范[2]沉降計算經驗系數為ψs=0.789 4，泵房的最終總沉降量為：45.44×0.789 4=35.9 mm。同理計算得到堤身段出水涵管的最終沉降量為9.47 mm。經地基處理后可大大減少建筑物沉降，沉降量及沉降差均滿足規范[5-6]要求。

3.2 主體建筑CFG樁的布置

泵房CFG樁采用梅花形布置，縱向間距為2.5～3.0 m，變間距使廠房重心與樁型心重合。CFG樁橫向間距為3.0 m或4.5 m，樁端進入粗砂層不小于2 m，并到達巖面，樁長平均為20 m；涵管段CFG樁堤身段間距為2.0 m×3.0 m，其余段3.5×2.5～3.0 m，樁端進入粗砂層不小于0.5 m，且不入巖，防止產生接觸沖刷，樁長平均為24 m。

主體結構的地基處理平剖面見圖4所示。

圖4 地基處理平剖面示意

3.3 安裝間的地基處理設計

安裝間與主廠房一般采用分縫錯開或者采用整體底板與主廠房底板處連為一體。分縫方案及整體底板方案均造價較高。為了節省造價，該項目采用了安裝間在電機層與主廠房連為一體，但基礎形式不一致。主廠房采用了CFG樁，安裝間采用了灌注樁基礎。同一建筑采用不同的基礎形式本應盡量避免的，否則容易產生不均勻沉降而產生一些永久的裂縫影響電排站的正常使用。但如果可以使二者之間的沉降差足夠小，仍可以保證結構安全。該項目主要通過沉降差計算判斷二者之間的安全性，另外加入一些概念設計來盡量減少二者的沉降差。

經過理論計算，主廠房沉降量約為35.9 mm，而安裝間的鉆孔樁一般沉降量約為10 mm左右，絕對沉降差約為25.9 mm。但是由于主廠房下部結構先建，建好后回填墻后填土之后再做安裝間的樁基及上部結構。在回填土后，泵房會先產生一定的沉降，所以最終泵房與安裝間的沉降差要小于25.9 mm。基于以上計算分析判斷泵房與安裝間的沉降差不至于產生大的問題。

同時要求主廠房的CFG樁要求打到巖面之后盡量往下鉆直到樁機無法鉆進為止，樁頂的褥墊層采用較小的厚度(200 mm)，使得泵房的沉降量足夠小。而安裝間的鉆孔樁，打入到強風化巖1m后收樁，防止樁端過硬，沉降過小。

主廠房與安裝間的地基處理剖面見圖5所示。

圖5 主廠房與安裝間的地基處理剖面示意

3.4 褥墊層創新設計

對于褥墊層的防滲，現在常用的方法通常是設置額外的防滲設施，如在褥墊層一周設置密排攪拌樁圍封褥墊層防滲或者采用鋼板樁垂直防滲等，這都將增加工程造價及施工工期。

該項目采用了不連續的褥墊層設計，即在每根CFG樁頂設有單獨的褥墊層，褥墊層為圓形，直徑為1 m，并用防滲土工膜包裹碎石粗砂層形成獨立的褥墊，具體結構見圖6所示。采用獨立包裹的褥墊層之后阻斷了滲漏通道，可以簡化防滲處理，而且沒有額外的防滲施工機械的互相干擾，使得施工速度明顯加快，同時也節約了投資。該創新設計的褥墊層的結構已經得到實用新型專利授權[3]。

本褥墊層的作用機理與常規的褥墊層類似，都是允許樁基能夠刺入到褥墊層中而使樁間土發揮更大的作用。本褥墊層為了使防滲膜的約束作用減少，在樁頂位置進行了折疊，另外可以防止樁的刺入而破壞防滲膜。另外不連續褥墊層周邊為土，土的剛度較褥墊層的剛度小，約束作用也較常規褥墊層小，所以不連續的褥墊層較常規的連續的樁頂褥墊層的剛度要低，樁頂刺入變形會稍大。至于樁頂刺入變形特效還有待進一步的研究。

圖6 褥墊層結構示意

4 CFG樁復合地基施工

本項目CFG樁采用長螺旋鉆中心壓灌施工工藝。該工藝施工適應性好，除了卵石夾層，其他各種土層均適合，且擠土效應較小，施工速度快，30～45 min之內可以完成1條CFG樁的施工。CFG樁身采用了C15商品混凝土材料，塌落度16～20 cm，試塊(邊長150 mm立方體)標準養護28 t抗壓強度不小于15 MPa。成孔施工達到設計標高后，開始泵送樁身混凝土，當鉆桿芯管充滿混合料后開始拔管，嚴禁先提管后泵料，鉆頭在砼中的埋深不應小于1 m。拔管速度先慢后快，控制在1.8～2.5 m/min。

CFG樁先施工泵房側建基面較低一側的施工，再進行堤身側建基面較高一側的施工。施工過程中CFG采用隔樁跳打的方式，防止串樁。另外泵房有兩種樁型(CFG樁和鉆孔樁)，且樁頂高程相差較大，為了協調不同樁型之間沉降，根據不同樁型的沉降特性，采用先施工泵房CFG樁，待泵房主體下部結構完成施工且完成墻后回填土后，再進行安裝間鉆孔樁的施工。此時泵房主體已部分加荷發生一部分沉降，有利于與鉆孔樁基礎協調變形。

5 CFG樁復合地基檢測及效果分析

5.1 CFG樁復合地基檢測

樁基檢測采用了單樁豎向靜載試驗，這里僅給出泵房的一條樁的單樁Q～s曲線圖7，結果表明檢測樁在加荷載到1 120 kN時，樁頂沉降量為13.63 mm，沉降量不大，而且Q～s曲線平緩，無明顯陡降段，單樁極限承載力Qu≥1 120 kN，單樁承載力特征值Ra≥560 kN，可以滿足設計要求。

圖7 單樁Q～s曲線示意

5.2 地基處理效果分析

該項目于2016年1月開始澆筑泵房底板，于同年6月完成了廠房的封頂。沉降觀測始于2016年1月，止于2017年6月。各建筑物的累積沉降量均較小，主廠房最大沉降量為12 mm，安裝間最大沉降量為9 mm，涵管最大沉降量為13 mm，位于堤身段。各建筑物測點的累計沉降量見圖8。

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圖8 各建筑物測點的累計沉降量示意

由沉降圖可知，主廠房與安裝間的最大沉降差僅為4 mm，沉降差小于理論計算值，說明安裝間的地基處理方式是成功的，且節省了造價。

主廠房的絕對沉降量與理論計算值差別比較大，分析原因如下：分層總和法復合地基沉降計算可以采用樁間土作為對象進行計算，還可以采用樁作為計算對象進行計算。采用樁做為計算對象時，樁端的刺入變形難以估算，為了回避這個問題，規范[2]采用的是以樁間土作為對象進行沉降計算。而主廠房CFG樁持力層為中風化巖面，這讓樁基的端阻力得到充分的發揮，樁端的刺入變形幾乎可以忽略，所以沉降量比預期的要小。若上部荷載全部由CFG樁承擔，則每根樁承擔的荷載約為677 kN，根據圖6可知，當樁頂加載到677 kN時，樁頂的沉降量約為6.44 mm， 而實際主泵房平均沉降量為10.5 mm，可以認為樁頂有部分刺入到褥墊層中，所以最終的沉降量較單樁Q～s曲線預估的稍大。

涵管的的沉降量與預期的相差不大，涵管堤身段沉降量較內涌側及外江側稍大，現場實際情況涵管分縫處有微小沉降差，與觀測結果相符。

對于涵管堤身段比內涌側及外江側涵管沉降大的問題，該項目還有針對性的處理，即堤身段的布樁較內涌及外江側要密，盡量減少涵管之間的沉降差，實際最大沉降差為6 mm，可以滿足規范[5-6]要求。

另外為了使軟土地基上穿堤涵管的地基處理不那么的剛，該項目要求涵管CFG樁，樁端穿透淤泥質土層即可，防止樁端打入基巖面。同時適當加厚褥墊層的厚度(300 mm)，CFG樁可以更容易刺入褥墊層中，使得樁間土承擔更多的上部荷載，對防止底板脫空有利。

該項目的針對不同部位的CFG樁有著不一樣的要求，最終沉降數據都在合理范圍，總的來說，CFG樁用于該項目是合適的，且造價也比較低。

6 結語

軟基處理是水利項目成敗的一個很關鍵的因素，該項目采用CFG樁進行軟基處理，改進了褥墊層的設計，取得了良好的效果，并得到以下結論供參考：

1) CFG樁采用了變間距布樁，使上部荷載重心與CFG樁截面型心重合，使得CFG樁受力均勻，減少建筑不均勻沉降的發生。

2) 穿堤建筑物，主要解決的是地基沉降問題，該項目根據上部荷載的不同，采用了不一樣的樁間距，減少了穿堤建筑物之間的沉降差。

3) 同一建筑采用不同的地基處理方式，在沉降差足夠小時，仍可以保證建筑結構的安全。

4) 該項目采用的新型不連續褥墊層，適合穿堤建筑物的地基處理，不需要額外的防滲設計，對減少施工工期和工程投資有利。

5) CFG樁樁端位于巖層時，規范[2]的分層總和法計算得到的沉降量較實際沉降量大，此時可以根據靜載試驗估算建筑物的沉降量。

6) CFG樁樁身材料建議采用商品細石混凝土，可以減少施工堵管的情況發生。