南京市江寧區某別墅CFG樁地基處理與優化設計

趙云輝 （防災科技學院，河北 廊坊 065200）

1 引言

我國是一個擁有九百六十多萬平方公里國土面積的大國，地域遼闊、幅員廣大，由于各個地區的地理環境不一樣，從而導致各個地區的土質與土層情況也不盡相同，而地基條件也有很強的區域性；隨著土木工程技術的發展和當前世界經濟不斷繁榮，現階段修建的建筑物或構筑物的高度是越來越高，建筑物或者構筑物的高度不同，對地基的強度要求也就不一樣[1]。當人們選擇在地質不良的地區修建建筑物或者構筑物時，就要對天然地基進行人工改良或處理，從而使其滿足工程需求。

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的樁，它和樁間土、褥墊層一起形成復合地基[2]。

桑松魁[3]等依托靜荷載試驗和場地勘察報告研究了影響CFG嵌巖短樁承載性狀和沉降變形的主要因素，發現CFG樁復合地基的沉降變形主要來自樁身的壓縮量；蔡杰龍[4]等以廣東省內某大型水利樞紐工程中的混凝土縱向圍堰為例，介紹了CFG樁復合地基設計要求、技術參數和施工工藝，并利用試驗檢測其應用效果。結果表明，CFG樁能滿足設計要求，處理完成的地基沉降量均勻，地基承載效果良好。李松然[5]針對灰土擠密樁和CFG樁的施工要求，以及具體設計和相關效果進行討論，并且提出了具體的運用策略和運用方法，可以為實際工程提供參考依據。曾華健[6]等利用PLAXIS 3D有限元研究了強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基進行地基處理的效果，分析了強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基的加固機理，對地基處理后不同荷載作用下差異沉降進行了計算。

通過總結以上研究成果，目前大部分學者對于CFG樁的研究內容包括CFG樁本身的性能以及加固效果，隨著現代科技的進步，地基處理方法也在不斷改善，地基處理技術也在進步[7]。如近年來興起的振沖法、預浸水法、CFG樁、加筋法及井點降水法等地基處理技術先后被開發使用，并且效果良好。

為了掌握CFG樁的應用效果，并為國內外相關工程提供參考依據，本文對CFG樁復合地基在處理中的應用進行了研究。

2 CFG樁工程設計應用

2.1 工程概況及地質條件

工程為南京市江寧區某水庫旁的一棟別墅，擬建場地原為山坡荒地，經人工推填整平，地形總體上西北高、東南低。別墅下設1層獨立地下室、底板埋深3.6m。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。設計地坪標高 85.90m～88.30m。本場地按現整平標高考慮均為填方區，若先回填整平再開挖施工，不僅施工難度大且大幅增加建設成本。

地基土物理力學性質參數表 表1

根據野外勘察揭露、現場測試及室內試驗成果分析，擬建場地在勘探深度范圍內，可劃分4個工程地質大層6個亞層，地基土物理力學性質參數表詳見表1。

2.2 CFG樁工程及優化設計

依據《建筑地基基礎設計規范》[8]，計算過程如下：

首先確定面積置換率，按下式計算：

式中m為面積置換率；d0為樁的直徑（mm)；ds為樁的間距（mm）；

然后計算增強體單樁豎向承載力特征值，按下式計算：

式中，up為樁的周長（m)；qsi為樁側第i層土極限側阻力特征值（kPa)，按當地經驗取值；qp為樁的極限端阻力特征值（kPa)，按地區經驗取值；αi為樁端阻力發揮系數，對CFG樁可取1.0；li為第i層土的厚度（m）。

按下式計算復合地基承載力特征值：

式中：fspk為復合地基承載力特征值（kPa）；λ為單樁承載力發揮系數，宜按當地經驗，無經驗時，可取0.7～0.9，此處取0.8；β為樁間土承載力發揮系數，宜按當地經驗，無經驗時可取0.8～1.0，取0.9；AP為樁的截面積（m2）；Ra為單樁承載力特征值（kN）；fsk為處理后樁間土特征值，取130kPa。

由公式知當樁長、面積置換率一定時樁徑越大復合地基承載力越小，反之當樁長、樁徑確定時，為了保證復合地基承載力則面值置換率增加，所以當選擇尺寸時優先選擇樁徑小的，為了便于施工此處選擇400mm。

0.4m樁徑的復合地基承載力統計表 表2

經CFG樁處理后的地基，當考慮基礎寬度和埋深對地基承載力進行修正時，寬度不做修正，即基礎寬度的地基承載力修正系數為0，基礎埋深的地基承載力修正系數為1。經深度修正后的復合地基承載力計算公式為

式中：γm為基礎底面以下土的加權平均重度，地下水位以下取浮重度，取值17.76；d為基礎埋置深度，對于地下室，如采用箱型基礎或筏形基礎時從室內地面標高算起，取8.0。由于工程需要fa=500kPa，因此 fspk=fa-γm（d-0.5）=366.8kPa。

由公式（1）知，面積置換率m與樁徑d0、樁間距 ds有關，將 d0、ds公式（1）代入公式（2）、公式（3）得：

從復合地基承載力與樁長、樁徑、樁距的關系知，提高承載力需要樁長越長越好，樁距越小越好，樁徑越大越好。從經濟角度看，在滿足安全的前提下，樁長與樁徑都越小越經濟，樁距越大越經濟。初步確定的樁長范圍是15m～18m，樁徑范圍為350mm～600mm，樁距范圍為1.5m～2.2m，初選方案為樁長16m，樁徑400mm，間距1200mm。

樁長16m、樁徑400mm的復合地基承載力計算結果見表2。

用分層總和法計算復合地基沉降量，計算公式為：

式中：S為地基最終沉降量（mm）；S'為按分層總和法計算地基沉降量；φs為沉降計算經驗系數；n是地基沉降計算深度內所劃分的土的層數；P0為對應于荷載標準值時的基礎底面處的附加應力，取400kPa；Esi為基礎底面下第i層土的壓縮模量，加固區按復合模量計算；Zi，Zi-1為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面的距離（m）；αi，αi-1——基礎底面計算點至第i層、i-1層土底面范圍內平均附加應力系數；

按分層總和法計算，分層厚度為1m。

復合土層的分層與天然地基相同，各復合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ倍，ζ值可按下式確定：

式中：fak為基礎底面下天然地基承載力特征值(kPa)。

分層總和法CFG樁沉降計算 表3

分層總和法計算結果見表3。

樁長16m處理層深度在第6層，地基變形計算深度Zn應符合下式要求：

式中：ΔS'n為在計算深度范圍內，第i層土的計算變形值；ΔS'n為在由計算深度向上取深度為Δz的土層計算變形值，基礎寬度b=9m，取Δz=1.0m。當壓縮層在第4層時，總沉降量s=87.67mm<200mm，符合要求。

復合地基的沉降計算經驗系數φs可根據地區沉降觀測資料統計值確定，無經驗取值時，可采用表4的數值。

沉降計算經驗系數φs 表4

Es為變形計算深度范圍內壓縮模量的當量值，應按下式計算：

式中：Ai為加固土層第i層土附加應力系數沿土層厚度的積分值；Aj為加固土層下第j層土附加應力系數沿土層厚度的積分值。經計算，地基總沉降為87.67mm，取經驗系數0.20，最終沉降為17.54mm。

3 CFG樁工程量及費用計算

工程費用的多少主要取決于材料的用量，而CFG樁總用材主要是由樁數n、樁長L、樁截面積AP確定：

式中：A為場地建筑物的總面積，所以總用材只與樁長和面積置換率有關，且與樁長成正比，與面積置換率的平方成正比。因此設計時優先選擇樁間距大、樁徑小的樁。

根據規范[9]計算布樁數：

式中：A為基礎底面面積m2；Ap為樁截面面積。理論布樁數為153根，實際布樁數要比理論的多，實際布樁數為167根。

當復合地基承載力進行基礎埋深的深度修正時，增強體樁身強度應滿足公式：

式中：fcu為樁體混合料試塊（邊長150mm立方體）標準養護28d抗壓強度平均值（kPa），經計算為 17.5MPa。

根據現行規范[10]要求，同時考慮荷載、地層、樁長影響因素，設計需采用標號C20的商品混凝土方，施工時以試驗室提供的配合比為準。經了解，南京地區CFG樁工程綜合單價為380元/m3，工作內容包括工程樁的成孔、混凝土灌注、泵送、破樁頭及配合樁淤泥與樁間土清運技術管理以及與當地村民的協調等內容，綜合單價均包含直接工程費、措施費、管理費、人工費、利潤、稅金、設備進出場費、材料試驗費、技術資料費及各種可能風險等所有費用。綜合單價組成明細見表5。

CFG綜合單價組成明細表 表5

單樁混凝土方量為施工樁長與設計斷面面積的乘積，本工程單樁混凝土方量為（16+0.5）×0.1256=2.03m3，其中，施工樁長為設計有效樁長加上0.5m虛樁的長度。工程造價為綜合單價、單樁混凝土方量、損耗系數（本工程為1.17）、樁數四個量的乘積，經計算，工程的造價為150723.85元。

4 結論

本文主要詳細介紹了采用CFG樁復合地基處理方法對南京市江寧區某別墅進行地基處理的計算過程，主要結論如下。

①本工程采用CFG樁進行地基處理的主要參數及具體方案為：樁徑400mm，有效樁長為16m，樁間距為1200m，采用矩形方式布樁，使用167根CFG樁，褥墊層厚度為200mm，褥墊層材料為碎石或級配砂石。經計算，設計地基沉降量為87.67mm，工程造價為15.07萬元。

②采用CFG樁進行地基處理計算應該綜合考慮，提高承載力需要樁長越長越好，樁距越小越好，樁徑越大越好。從經濟角度看，在滿足安全的前提下，樁長與樁徑都越小越經濟，樁距越大越經濟。

③CFG樁復合地基樁端具有非常明顯的樁端阻力承受效果，處理后的復合地基承載力和地基沉降量均符合設計要求。并且CFG樁進行地基處理施工簡便，振動及噪聲小，本文能為實際工程提供參考依據。