CFG桩在复合地基加固中的应用

    方李

    

    

    

    摘要：CFG桩复合地基以其单桩承载力高、沉降变形小、施工简便、造价较低、适用性广等特点，在软弱土和不良地基处理中获得广泛应用。本文对这种复合地基的加固机理、技术特点和工程应用进行了分析。

    关键词：CFG桩复合地基；加固；应用

    当天然地基的承载力无法满足建筑荷载要求时，就要对地基进行处理，其中通过增强或置换部分土体，达到由地基土和增强体共同承担荷载的地基形式称为复合地基。虽然五六十年前这个概念才被提出来，但复合地基的实践历史已有数千年之久，早期人类就学会了使用木桩来处理软土地基。复合地基有很多类型，按桩型可分为碎石桩复合地基、砂桩复合地基、土桩复合地基、石灰桩复合地基、水泥搅拌桩复合地基、CFG桩复合地基等，其中CFG桩复合地基是由我国建筑科学研究院地基所于20世纪80年代末开发出来的一种新型技术，目前在地基处理中得到广泛应用，适于处理黏性土、粉土、砂土和已固结的素填土地基。为了更好地理解和应用该项技术，本文对CFG桩复合地基的加固机理、技术特点及应用进行了分析。

    1 CFG桩复合地基的加固机理及技术特点

    1.1GFG桩复合地基的加固机理。CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土、褥垫层和基础构成的复合地基。CFG桩采用了水泥、粉煤灰、粗骨料（卵石、碎石或两者混合料）、细骨料（砂或石屑）和水混合搅拌后灌注而成，可采用振动沉管打桩机或长螺旋钻管桩机成桩，后者为了改善混合料的泵送性能可加入适量泵送剂。CFG桩的受力特性与素混凝土桩类似，属高粘结强度桩（桩体强度一般C5～C25）。在荷载作用下，CFG桩的压缩性远低于桩间土，表现为刚性桩特征，其桩侧和桩端可以分别发挥摩擦桩、端承桩的效果，同时桩间土受到置换或挤密置换作用也提高了承载力。褥垫层由级配良好的颗粒状松散材料（5～20mm碎石或粗砂、中砂等配合而成）构成，其将上部荷载分配给CFG桩和桩间土，使桩和土共同承担上部传递的荷载。荷载较小时，桩间土承担了大部分荷载。随着荷载的增加，CFG桩承担荷载的比例逐步增加并超过了桩间土，可见CFG桩的加入使复合地基的承载力提高了，而CFG桩的低压缩性又使地基沉降变形减小，因此CFG桩具有加固地基的作用。

    1.2 GFG桩复合地基的设计。CFG桩复合地基的设计就是依据岩土工程勘察报告、场地环境条件及建筑物的平面布置图，计算复合地基的承载力，确定桩长、桩径、桩间距、桩身强度、褥垫层厚度及材料等参数，最后验算复合地基变形。

    初步设计时，CFG桩复合地基承载力可按《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）对有粘结强度增强体的复合地基公式7.1.5-2进行计算，该式反映了单桩承载力与桩间土承载力按面积分配，再结合地区经验的发挥系数的叠加。单桩承载力特征值应通过现场载荷试验取得，没有试验数据时可按公式7.1.5-3进行估算。但这样计算的结果通常仍需按基础宽度和埋深进行修正，因为按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）5.2.4条规定，基础宽大于3m或埋深大于0.5m时，根据载荷试验或原位测试、经验数据等确定的地基承载力特征值，尚应按公式5.2.4进行修正。经修正后的复合地基承载力特征值往往比公式7.1.5-3计算的结果要大得多。其实，这只是一个方面，天然地基修正后也具有这样结果。在特定条件下，例如土层为粉土、黏性土、粉细砂且基础宽深较大时，有可能经CFG桩处理的复合地基承载力尚不如没有处理的天然地基承载力。之所以会出现这样的结果，反映现行规范的公式不完善，安全系数取值偏于保守，因此有不少学者提出了不同的承载力计算公式或修正系数。

    设计参数的确定。桩长主要取决于CFG桩以哪个土层作为持力层，通常选择勘察报告中承载力较高的土层作为持力层，这样桩长就可以确定了。桩径主要取决于成桩设备，通常可在350～600mm之间选择。桩间距一般按桩径的3～6倍选取，承载力大时应取小值，但桩间距过小时新桩可能对相邻已打桩造成影响。桩身强度可按JGJ79-2012公式7.1.6-1及7.1.6-2（基础埋深修正）计算。褥垫层厚度一般取桩径的0.45～0.50倍或5～20mm，桩间距较大时可取较大的厚度值。

    复合地基的变形计算主要有解析法、数值解法和经验公式法，通常多采用经验法。规范JGJ79-2012第7.1.7条规定复合地基变形计算采用复合模量法，即复合土层（加固区）的模量等于天然地基（下卧层）模量的倍，而天然地基的最终变形量按GB50007-2011第5.3.5条公式计算，即地基变形时的最终变形量，根据各层土体的应力分布按各向同性均质线性变形体理论计算。此外，变形计算还应合理确定附加应力取值，作用于基础底面的附加应力为准永久组合，故不应计入风荷载和地震效应。同时还要考虑地下水浮力的影响，若计算基底压力时已扣除地下水浮力的影响，则计算地基土附加应力时地下水位以下的土层重度应采用浮重度，否则应采用天然重度。

    1.3GFG桩复合地基的应用场合。根据GB50007-2011第3.0.1条的规定，30层以上高层建筑的基础设计等级为甲级，采用复合地基方案须经专门研究并经专项论证以后才能实施，目前CFG桩复合地基已在4 5层（地上43层，地下2层）高层建筑地基处理中得到成功应用。此外，多桩型复合地基也在一些地区得到应用，例如灰土挤密桩与CFG桩的复合地基应用。

    2 CFG桩复合地基的应用

    2.1工程概况。某高层建筑地上34层，地下2层，地下室基底埋深8.6m，采用剪力墙结构。根据勘察报告，场地地层由杂填土、粉质黏土（有2个亚层）、强风化混合花岗岩和中风化混合花岗岩构成。勘察深度内有2个含水层，第l层为上层滞水，第2层为承压水，稳定水位在花岗岩顶面之上1.0m处。经方案比选，选用筏板基础，地基处理采用CFG桩复合地基方案，要求处理后的地基承载力特征值≥560 kPa。CFG桩的持力层选择强风化混合花岗岩，要求桩端进入岩层至少0.5m，所以确定桩长为11m，该层地基承载力fak=500kPa，桩端端阻力特征值q=1100k a。

    2.2 GFG桩复合地基设计。根据施工设备条件，拟定桩型为长螺旋钻管内压CFG桩，桩径定为400mm，设计桩身砼强度为C25，单桩承载力特征值≥600kN。利用JGJ79-2012公式7.1.5-2反算出面积置换率为8.7%。再根据桩径和面积置换率计算桩间距为1200mmx1200mm，布桩采用正方形网格形式，基础基底外围布置2排桩，总桩数为467根。又根据JGJ79-2012第3.0.4条关于基础宽深的修正系数取值规定，核算CFG桩复合地基承载力特征值f=625.8kP>560kPa，满足设计要求。计算复合地基最终沉降量为3 5.2m m<2 00m m，满足规范要求。CFG桩身砼配比为：水泥324kg、粉煤灰50kg、碎石1050kg、中砂781kg、水190kg、泵送剂4.21kg，砼坍落度为160～200mm。褥垫层定为200mm厚，铺设宽度每边超出基础边缘至少200mm，材料采用5～16mm的碎石。

    2.3 GFG桩复合地基施工。施工工艺流程为：桩机就位一钻孔至设计标高一砼备料、搅拌一泵送至钻管内一成桩养护一桩体检测一清理钻孔弃土及桩间保护土一桩头处理一铺设褥垫层。

    2.4 GFG桩复合地基检测。施工28d龄期后，抽取5根单桩及5点进行复合地基静载试验，同时选取不少于10%桩数的单桩进行低应变动测，结果单桩复合地基承载力特征值不低于560kP a，桩身完整。竣工1年后最大沉降量为27.9mm。结语：CFG桩复合地基作为一项新型地基处理技术，虽然开发时间不过30年时间，但在实践中已获得良好的经济效益和社会效益。但其实践领先于理论的发展，按规范设计安全裕度偏大，施工中也确有控制不周之处，然而这些不足无碍该项技术的推广应用，未来将会不断完善。