碎石樁與CFG樁二元復(fù)合地基在工程中的應(yīng)用

鄭創(chuàng)新，曹成意，曾勇生

(四川準(zhǔn)達(dá)巖土工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

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(fù)合地基由于充分利用樁和樁間土共同作用的特有優(yōu)勢和相對低廉的工程造價得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本工程根據(jù)場地實際地質(zhì)情況，采用了碎石樁和CFG樁二元復(fù)合地基，充分發(fā)揮了碎石樁的置換擠密作用和CFG樁的高承載力性能，并通過褥墊層的設(shè)置發(fā)揮樁間土的承載力，從而提高整體復(fù)合地基承載力。

2 基本原理

碎石樁是以置換作用為主、擠密作用為輔的取土式地基加強(qiáng)改良處理方法。其加強(qiáng)改良機(jī)理是:先采用取土器取土成孔，然后填入天然級配較好的砂、卵石(粒徑主要為20～80mm，大于100mm量控制在10%～25%)和外摻劑，利用夯錘自由落下的巨大沖擊能和所產(chǎn)生的沖擊波反復(fù)夯擊砂卵石，在沖擊力作用下，卵石可被擊成碎石。由于重錘沖擊擠密，不但在樁位處形成大于成孔直徑的高密度的砂卵石樁體，而且部分砂卵石擠入樁間土，提高了樁間土的承載力;同時砂卵石樁體可作為復(fù)合地基中孔隙水的消散通道，利于地基中孔隙水的消散;在巨大夯擊能作用下，土體產(chǎn)生沖擊波和動應(yīng)力，致使土體出現(xiàn)微小裂隙形成排水通道，加速土體的排水固結(jié);由樁及樁間土形成的復(fù)合地基起應(yīng)力擴(kuò)散和均布作用，可顯著提高地基均勻性和穩(wěn)定性，減少沉降量，提高承載力。

CFG樁復(fù)合地基粘結(jié)強(qiáng)度樁是復(fù)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(qiáng)度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。CFG樁復(fù)合地基通過褥墊層與基礎(chǔ)連接，無論樁端是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(qiáng)度和模量比樁間土大，在荷載作用下，樁頂應(yīng)力比樁間土表面應(yīng)力大。樁可將承受的荷載向較深的土層中傳遞并相應(yīng)減少了樁間土承擔(dān)的荷載。這樣，由于樁的作用使復(fù)合地基承載力提高，變形減小，再加上CFG樁不配筋，樁體可利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，大大降低了工程造價。

在復(fù)合地基設(shè)計中，基礎(chǔ)與樁和樁間土之間設(shè)置一定厚度由散體粒狀材料組成的褥墊層，是復(fù)合地基的一個核心技術(shù)?；A(chǔ)下是否設(shè)置褥墊層，對復(fù)合地基受力影響很大。若不設(shè)置褥墊層，復(fù)合地基承載特性與樁基礎(chǔ)相似，樁間土的承載能力難以發(fā)揮，不能成為復(fù)合地基?；A(chǔ)下設(shè)置褥墊層，地基承載力的發(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(dān)荷載。

碎石樁與CFG樁二元復(fù)合地基是由基體(天然地基土體)和兩種增強(qiáng)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(diǎn)，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(qiáng)。同時，由于設(shè)置了碎石樁，地基土的變形能力可得到有效改善，并提高了土體的抗剪強(qiáng)度，亦可使CFG樁避免產(chǎn)生刺入破壞的可能。

3 工程概況

3.1 工程地質(zhì)條件

本工程場地處于四川盆地中部地帶，從區(qū)域地質(zhì)資料看，場區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)臺地的二級大地構(gòu)造單元——四川臺拗成都凹陷盆地內(nèi)。擬建建筑物微地貌位于成都平原地區(qū)東北側(cè)，相當(dāng)于岷江水系Ⅱ級階地，地層從上到下依次的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

3.2 施工簡介

某工業(yè)研發(fā)樓為9層框架結(jié)構(gòu)。原地形為低山洼地，場地平整后，因人工回填地層較厚，故地基采用碎石樁與CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行加固處理，兩種樁總數(shù)為2700余根。最終復(fù)合地基承載力的設(shè)計值為300kPa。兩種樁型均采用CK－150型沖擊鉆機(jī)施工。碎石樁采用沖錘低頻往土層重復(fù)沖擊碎石，將碎石導(dǎo)入到預(yù)定深度，使土層擠密，碎石隨重復(fù)填料而被連續(xù)沖搗成樁，且樁體密實度應(yīng)達(dá)到中密以上。CFG樁采用沖擊成孔后回填C10素混凝土，樁身強(qiáng)度為10MPa;其復(fù)合地基褥墊層采用5～10mm碎石回填夯實，厚度為200mm。

表1 場地土層物理力學(xué)性質(zhì)

4 復(fù)合地基設(shè)計

4.1 總體設(shè)計

建筑設(shè)計基礎(chǔ)高程±0.000=499.968m，基礎(chǔ)埋深±0.000下－2.50m，基礎(chǔ)底標(biāo)高為497.468m。因場地填土層較厚，設(shè)計基礎(chǔ)下的素填土天然承載力不能滿足設(shè)計基礎(chǔ)承載力要求，故設(shè)計要求將基礎(chǔ)下填土層或淤泥質(zhì)黏土采用人工地基處理方法，并要求處理后的復(fù)合地基承載力特征值 fspk≥300kPa、壓縮模量ES≥6MPa。根據(jù)設(shè)計地基要求，因場地填土層未完成自重固結(jié)沉降，故地基處理設(shè)計采用碎石樁、CFG樁二元復(fù)合地基對建筑設(shè)計基底標(biāo)高下地基土進(jìn)行處理。且先施工碎石樁對素填土進(jìn)行擠密加固，然后再施工CFG樁。處理后樁頂與基礎(chǔ)之間鋪設(shè)200mm厚褥墊層，壓實系數(shù)不低于0.94。施工完成后按規(guī)范要求進(jìn)行復(fù)合地基檢測。

4.2 碎石樁設(shè)計

因場地內(nèi)分布的素填土未完成自重固結(jié)，為提高CFG樁間土地基承載力，故先采用用碎石樁方法進(jìn)行置換擠密處理。碎石樁按等邊三角形布置。碎石樁布置為按建筑平面范圍內(nèi)擴(kuò)大1排樁內(nèi)滿堂布置。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中公式(7.2.8－1、2、3)、公式(8.2.2 －4、5、6)計算各參數(shù)。

經(jīng)過計算，碎石樁樁間距為1.26m，根據(jù)場地實際情況間距可適當(dāng)調(diào)整。故碎石樁的樁間距取1.20m施工，深度為穿透填土層進(jìn)入下臥層0.5～1.0m即可。

4.3 CFG樁設(shè)計

本工程CFG樁根據(jù)成都地區(qū)的施工經(jīng)驗，直接采用沖擊成孔后回填C10素混凝土，樁身強(qiáng)度為10MPa。布樁范圍僅在建筑基礎(chǔ)底部按等邊三角形布置即可，樁間土承載力按照碎石樁處理后地基承載力、經(jīng)基礎(chǔ)下土層厚度加權(quán)平均后取值計算。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中公式(9.2.5)、公式(9.2.6)、公式(9.2.7)、公式(9.2.8－1)計算各參數(shù)。

經(jīng)計算，本工程 CFG樁間距應(yīng)達(dá)到1.15～1.25m，施工按1.10m控制，樁端以黏土或粉質(zhì)黏土作為樁端持力層，同時設(shè)計最短樁長不小于6.0m，且進(jìn)入黏性土層不小于1.5m，以提高CFG樁的單樁承載力。

5 施工質(zhì)量檢測

5.1 樁身質(zhì)量檢測

針對本工程采用不同樁型及施工順序，在首先施工完碎石樁后，抽取不少于碎石樁總數(shù)2%的樁體進(jìn)行超重型動力觸探檢測。根據(jù)檢測結(jié)果，碎石樁樁體N120擊數(shù)達(dá)到7.5～16.5擊/10cm。由此可見，樁體密實度達(dá)到中密以上，滿足設(shè)計要求。對CFG樁采用施工中取混凝土試塊及施工后抽取不少于CFG總樁數(shù)的10%進(jìn)行低應(yīng)變動力測試。根據(jù)檢測結(jié)果，CFG樁混凝土強(qiáng)度及樁身完整性均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

5.2 復(fù)合地基載荷試驗

目前對于復(fù)合地基承載力檢測最可靠的方法仍是現(xiàn)場載荷試驗。為了更好地檢驗復(fù)合地基處理效果，復(fù)合地基載荷試驗所用的載荷板面積選擇與檢測樁所承擔(dān)的處理面積相同。受現(xiàn)場條件限制，試驗采用根據(jù)施工順序?qū)Σ煌瑯缎蛷?fù)合地基承載力按單樁處理面積分別加載試驗，以評價碎石樁和CFG樁前、后處理后的地基承載力。試驗分前、后兩組復(fù)合地基載荷試驗，每組試驗各按碎石樁和CFG樁總數(shù)的5%抽取試驗點(diǎn)。通過兩組碎石樁與CFG樁復(fù)合地基靜載荷試驗P－S曲線可以看出，復(fù)合地基靜載荷試驗曲線基本屬于漸近型的光滑曲線，不存在陡降點(diǎn)。取s/b=0.01(s為樁間距，b為方形壓板的寬度)對應(yīng)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碎石樁與水泥土樁的單樁復(fù)合地基承載力設(shè)計值。通過數(shù)值分析可知，碎石樁和CFG樁復(fù)合地基承載力分別不小于165kPa和350kPa，滿足設(shè)計要求。

6 結(jié) 論

(1)從復(fù)合地基靜壓結(jié)果數(shù)據(jù)看，本工程所采用的組合型復(fù)合地基，可最大程度地發(fā)揮這兩種樁的優(yōu)點(diǎn)，使復(fù)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(fù)合地基中CFG樁體的材料根據(jù)四川施工經(jīng)驗，待取土成孔后，直接采用C10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(diǎn)，工程造價一般為樁基礎(chǔ)的1/3～1/2，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益非常顯著。

(3)碎石樁處理地基針對高填土地層，是一種效果明顯的處理方法。根據(jù)其自身的置換擠密機(jī)理，用碎石樁加固后的復(fù)合地基變形模量比原地基的有較大增長，抗變形能力有明顯提高。

(4)設(shè)置褥墊層以及墊層的材料和厚度，直接影響復(fù)合地基的樁和樁間土強(qiáng)度的發(fā)揮，合理的墊層厚度對提高復(fù)合地基承載力和減少沉降變形是非常有利的。

(5)該工程證明此種二元復(fù)合地基處理方案，質(zhì)量易控制，造價低，經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益明顯，有極大的發(fā)展?jié)摿?。今后可針對不同地質(zhì)情況，選擇不同地基處理方法，優(yōu)勢互補(bǔ)也是當(dāng)前工程實踐方向，值得多加研究。

［1］鄭創(chuàng)新，等.成都龍?zhí)豆I(yè)集中發(fā)展區(qū)啟源興業(yè)科技園巖土工程勘察報告［R］.成都:四川準(zhǔn)達(dá)巖土工程有限責(zé)任公司，2009.

［2］JGJ79－2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［3］GB50007－2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［4］DB51/5026－2001《成都地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［S］.成都:四川省建設(shè)廳川建廳發(fā)布，2001.

［5］GB 50202－2002《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.