CFG樁與夯實水泥土樁復合地基在工程中的應用

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隨著工程建設(shè)的飛速發(fā)展，地基處理手段也日趨多樣化，復合地基由于其充分利用樁間土和樁共同作用的特有優(yōu)勢和相對低廉的工程造價得到了越來越廣泛的應用。本工程應用CFG樁和水泥土樁復合地基，充分發(fā)揮了CFG樁的高承載力性能和水泥土樁的抗變形性能，并通過褥墊層的設(shè)置發(fā)揮樁間土的承載力。

1. 基本原理

　　CFG樁復合地基粘結(jié)強度樁是復合地基的代表，目前多用于高層和超高層建筑中。CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱(即cement fIying-ash gravel pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強度樁，和樁間士、褥墊層一起形成復合地基。CFG樁復合地基通過褥墊層與基礎(chǔ)連接，無論樁端落在一般土層還是堅硬土層，均可保證樁間土始終參與工作。由于樁體的強度和模量比樁間土大，在荷載作用下，樁頂應力比樁間士表面應力大。樁可將承受的荷載向較深的土層中傳遞并相應減少了樁間土承擔的荷載。這樣，由于樁的作用使復合地基承載力提高，變形減小，再加上CFG樁不配筋，樁體利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，大大降低了工程造價。
夯實水泥土樁是用人工或機械成孔，選用相對單一的土質(zhì)材料，與水泥按一定配比，在孔外充分拌和均勻制成水泥土，分層向孔內(nèi)回填并強力夯實，制成均勻的水泥土樁。樁、樁間土和褥墊層一起形成復合地基。夯實水泥土樁作為中等粘結(jié)強度樁，不僅適用于地下水位以上淤泥質(zhì)土、素填土、粉土、粉質(zhì)粘土等地基加固，對地下水位以下情況，在進行降水處理后，采取夯實水泥土樁進行地基加固，也是行之有效的一種方法。夯實水泥土樁通過兩方面作用使地基強度提高，一是成樁夯實過程中擠密樁間土，使樁周土強度有一定程度提高，二是水泥土本身夯實成樁，且水泥與土混合后可產(chǎn)生離子交換等一系列物理化學反應，使樁體本身有較高強度，具水硬性。處理后的復合地基強度和抗變形能力有明顯提高。
　　復合地基設(shè)計中，基礎(chǔ)與樁和樁間土之間設(shè)置一定厚度散體粒狀材料組成的褥墊層，是復合地基的一個核心技術(shù)?；A(chǔ)下是否設(shè)置褥墊層，對復合地基受力影響很大。若不設(shè)置褥墊層，復合地基承載特性與樁基礎(chǔ)相似，樁間土承載能力難以發(fā)揮，不能成為復合地基?；A(chǔ)下設(shè)置褥墊層，樁間土載力的發(fā)揮就不單純依賴于樁的沉降，即使樁端落在好土層上，也能保證荷載通過褥墊層作用到樁間土上，使樁土共同承擔荷載。
　　由基體（天然地基土體）和兩種增強體三部分組成的人工地基，既能發(fā)揮CFG樁高承載力和良好的排水作用的特點，又因CFG樁的插入而使水泥土樁的側(cè)限約束作用得到增強。同時，由于設(shè)置了夯實水泥土樁，地基土的變形能力可得到有效的改善，并同時提高了土體的抗剪強度，亦可使CFG樁避免產(chǎn)生刺入破壞的可能。

2. 工程概況

　　河南科技大學綜合實驗樓的主樓為12層，另才有1層地下室，副樓8層，均為框架結(jié)構(gòu)。地基采用CFG樁與水泥土樁復合地基進行加固處理，兩種樁總樁數(shù)約為3600余根。復合地基承載力設(shè)計值350kpa。CFG樁采用長螺旋鉆成孔，樁身強度為20MPa；水泥土樁采用機動洛陽鏟成孔，樁身強度為5MPa：褥墊層采用5~10m礫石，厚度為0.2m。

2.1 工程地質(zhì)條件

　　在建的河南科技大學綜合實驗樓位于洛陽市澗西區(qū)西苑路北側(cè)。場地地形較平坦，地貌單元屬澗河II級階地。其工程地質(zhì)條件如表1所示。

編號
土層名
厚度（m）
承載力標準值（kpa）
極限側(cè)阻力標準值qsik(kpa)
極限端承力標準值pqk(dqa)
1
填土
0.50-3.10
—
—
—
2
黃土狀粉質(zhì)粘土及粉土（新近堆積）
4.70-7.00
100
36
—
3
黃土狀粉制粘土
0.70-1.70
160
40
—
4
黃土狀粉制粘土及粉土
1.50-2.10
180
42
—
5
黃土狀粉制粘土
1.00-2.40
150
48
—
6
黃土狀粉制粘土及粉土
2.50-4.50
180
50
—
7
黃土狀粉制粘土及粉土
2.60-4.90
170
46
500
8
黃土狀粉制粘土及粉土
2.00-4.10
155
40
350
9
黃土狀粉制粘土及粉土
3.00-5.20
180
52
550
10
卵石
7.50
650
—
2100

2.2 平面布置綜合實驗樓占地45×143.4m2，主樓高52.5m，平面形狀為長方形，主樓東、西兩側(cè)各有一副樓，高38m。復合地基所采用的樁的類型有3種：CFG樁，水泥土長樁，水泥土短樁。布樁時考慮樁受力的合理性，盡量利用樁間土應力σs產(chǎn)生的附加應力對樁側(cè)阻力的增大作用。通常σs越大，作用在樁上的水平力越大，樁的側(cè)阻力越大。此復合地基采用夯實水泥土短樁與CFG樁成排間隔布置，CFG樁與水泥土短樁間隔0.75m，并在褥墊層周圍采取水泥土長樁圍護的隔水措施。主樓的CFG樁有效樁長不小于12m，水泥土樁短樁有效樁長不小于7.5m，水泥土樁長樁有效樁長不小于12m，副樓的CFG樁有效樁長不小于14.5m，水泥土樁短樁的有效樁長不小于7m，水泥土樁長樁的有效樁長不小于14.5m，樁徑均為0.5m。由于此場地19.3m處出現(xiàn)地下水位，而設(shè)計的CFG樁達到地下26m，這就需要降水處理。CFG樁復合地基的設(shè)置，不僅可以大幅度的提高地基承載力，而且具有很好的排水作用，這就無需其它的排水措施。水泥土樁體具有很高的模量，因此，用夯實水泥土樁加固的復合地基比原地基變形模量會有較大增長，抗變形能力有明顯提高。

3. 試驗結(jié)果分析

3.1 復合地基靜載荷試驗

　　受現(xiàn)場條件限制，試驗采用對不同樁型單樁復合地基承載力按單樁處理面積加權(quán)平均的辦法，評價CFG樁和水泥土樁混合地基承載力。試驗有兩組復合地基試驗，每組試驗各有一個CFG樁與一個水泥土樁單樁復合地基試驗點。兩組CFG樁與水泥土樁復合地基靜載荷試驗P-S曲線如圖1所示。第一組為CFG-308#和SNT-410#，第二組為CFG-518#和SNT-632#。從P-S曲線可以看出，復合地基靜載荷試驗曲線基本屬于漸進型的光滑曲線，不存在陡降點。取s/b=0.01(b為方形壓板的寬度)對應的荷載，其值均超過最大加荷量的一半，因此取最大加荷量的一半作為CFG樁、水泥土樁的單樁復合地基承載力設(shè)計值。即CFG樁單樁復合地基承載力設(shè)計值大于550kpa，水泥土樁單樁復合地基承載力設(shè)計值大于200kpa，對兩組值進行加權(quán)平均后，可知CFG樁與夯實水泥土樁混合樁型復合地基承載力不小于375kpa，復合地基承載力提高1倍，滿足設(shè)計要求。分別對兩組中的CFG樁及夯實水泥土樁的試驗曲線作比較，兩組復合地基的承載力相差不大，說明主樓部分的地基土質(zhì)分布比較均勻，基底持力層的承載力和壓縮模量差別不大。

3.2 單樁豎向抗壓靜載荷試驗結(jié)果

　　試驗進行了2根水泥土樁及2根CFG樁單樁靜荷試驗，Q-S曲線如圖2所示。CFG樁單樁極限承載力不小于1000KN，地基承載力提高130%；水泥土樁單樁極限承載力不小于5000KN，地基承載力提高近20%，均滿足設(shè)計要求。從曲線可以看出，4根樁的總沉降都小于10mm，遠小于《規(guī)范》要求，且沉降隨時間、荷載的變化都是均勻的，基本上是彈性的。由此可以看出，當Q=1000KN時，CFG樁還沒有達到極限承載力狀態(tài)，當Q=500KN時，水泥土樁也沒有達到極限承載力狀態(tài)，還有很大“儲備”。由卸載曲線可以看出，樁的彈性回彈量很小，最多只有2m，說明樁體剛度很大，沉降量主要是由于樁整體下沉造成的。從單樁復合地基靜荷試驗的結(jié)果分析，692#CFG樁比53#CFG樁的樁間土好，382#水泥土樁比416#水泥土樁的樁間土好，單樁復合地基承載力偏高。說明樁間土的作用明顯，壓板下樁土協(xié)調(diào)作用效果良好。

3.3 輕便觸探試驗

　　為對比加固前后樁間土承載力的變化，完工后，布置了7個輕便觸探點進行試驗。綜合分析樁間土測試結(jié)果可知，經(jīng)水泥土樁與CFG樁處理后淺層樁間土的承載力基本值不低于120kpa，比地基處理前的樁間土承載力有所提高。

3.4 應變樁身完整性檢測

　　本工程低應變檢測CFG樁樁身完整性463根樁，檢測比例約為30%。所測的463根CFG均屬于完整樁或基本完整樁。主樓、副樓均沒有影響正常使用的樁。

4. 結(jié)論

(1)以復合地基靜壓結(jié)果數(shù)據(jù)看，本工程所采用的組合型復合地基的應用，可最大限度地發(fā)揮這兩種樁的優(yōu)點，使復合地基的承載力得到大幅度的提高，地基變形得以降低和控制。
(2)復合地基中由于CFG樁樁體材料可以摻入工業(yè)廢料粉煤灰、不配筋以及充分發(fā)揮樁間土的承載能力，其受力和變形類似于素混凝土樁，具有地基承載力高、變形小、穩(wěn)定快、施工簡單易行、工程質(zhì)量易保證等優(yōu)點，工程造價一般為樁基的1/3~1/2，經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著。
(3)夯實水泥土樁處理地基是一種效果明顯的處理方法，用夯實水泥土樁加固后的復合地基比原地基變形模量會有較大增長，抗變形能力有明顯提高。
(4)是否設(shè)置褥墊層以及墊層的材料和厚度，直接影響復合地基的樁和樁間土強度的發(fā)揮，合理的墊層厚度對提高復合地基承載力和減少沉降變形是非常有利的。
(5)由該工程證明此種地基處理方案，質(zhì)量易控制，造價低，經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益明顯，有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>