CFG 樁復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)方案的研究

劉秀寶 季 聰

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021)

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，高層和超高層建(構(gòu))筑物大量涌現(xiàn)。高層建(構(gòu))筑物的荷載大、重心高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于地基強度和變形的要求都很高。當(dāng)場區(qū)地層的物理力學(xué)性質(zhì)不能滿足上部結(jié)構(gòu)對天然地基承載力的要求時，多采用樁基礎(chǔ)，但需要耗費大量的鋼筋、水泥、石料等建筑材料，造價很高，當(dāng)?shù)鼗辆哂幸欢◤姸葧r可采用CFG樁復(fù)合地基[1，2]。CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁(Cement Flyash Cravel)的簡稱，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，樁、樁間土和褥墊層一起構(gòu)成復(fù)合地基[3]。具有施工速度快，工期短，質(zhì)量容易控制，工程造價低等特點，是一種應(yīng)用比較普遍的施工地基處理方法，經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著，目前被工民建廣泛應(yīng)用。

本文以某高層住宅為例，以場地的工程地質(zhì)條件為依據(jù)，通過對CFG樁復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)進行研究，說明CFG樁復(fù)合地基的優(yōu)越性，進而使CFG樁復(fù)合地基在實際工程中得以推廣。

1 工程概況

某高層住宅建設(shè)項目工程位于河北省霸州市南孟鎮(zhèn)以西約10 km處。該工程包括高層住宅5棟，地上最高18層，地下室1層。住宅樓地上最高高度約為50.40 m，建筑面積約為3 531.00 m2，其中1號樓建筑面積600.60 m2，2號，4號樓和5號樓建筑面積均為800.80 m2，3 號樓建筑面積 528.00 m2，地上各層層高 2.80 m左右，地面整平標(biāo)高為9.88 m，基礎(chǔ)埋深約-3.50 m，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式擬采用筏板基礎(chǔ)，擬建住宅樓基底壓力Pk=280 kPa。

2 場地工程地質(zhì)條件

本工程場區(qū)在地貌單元上屬于河流沖洪積平原區(qū)，地形平坦開闊，場地內(nèi)地基土主要為第四系河流沖洪積形成的粘性土、粉土、砂土，同時該場區(qū)內(nèi)均勻分布一粉砂層(即?層)和一細砂層(即?層)，第?粉砂層，中密 ～ 密實，濕，其厚度為 1.70 m ～7.30 m，層底深度 22.20 m ～ 25.80 m，層底標(biāo)高 -16.17 m ～-13.19 m。該層靜力觸探錐尖值為 qc=16.03 MPa，壓縮模量Es0.1-0.2=25.00 MPa，標(biāo)貫擊數(shù)修正后標(biāo)準(zhǔn)值 N63.5=26.7 擊。第?細砂層，中密 ～ 密實，飽和，厚度為 0.50 m ～6.80 m，層底深度32.80 m ～43.30 m，層底標(biāo)高 -33.34 m ～ -23.82 m。靜力觸探錐尖值為 qc=19.30 MPa，壓縮模量 Es0.1-0.2=30.00 MPa，標(biāo)貫擊數(shù)修正后標(biāo)準(zhǔn)值N63.5=28.3擊。以上2個土層承載力高、變形小，工程性質(zhì)較好，是良好的樁端持力層。根據(jù)野外勘察并結(jié)合室內(nèi)土工試驗成果分析，場地地基土各主要土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議采用值見表1。

根據(jù)場區(qū)的工程地質(zhì)條件，若采用天然地基，基礎(chǔ)埋深-3.50 m，基底標(biāo)高為6.38 m，則基礎(chǔ)底面置于第③粘土層中。③粘土層經(jīng)深度修正后的承載力特征值fa=180 kPa，而基底壓力Pk=280 kPa，fa＜Pk，故天然地基不滿足住宅樓上部荷載的設(shè)計要求，需進行地基處理或采用樁基礎(chǔ)。

鑒于場區(qū)內(nèi)均勻分布第?粉砂層和第?細砂層，這兩土層承載力高、變形小、分布均勻穩(wěn)定，可采用CFG樁復(fù)合地基或樁基礎(chǔ)。以?粉砂層作為CFG樁復(fù)合地基的樁端持力層，以?細砂層作為樁基礎(chǔ)的樁端持力層。

3 基礎(chǔ)方案比選

3.1 樁基設(shè)計參數(shù)

根據(jù)場區(qū)各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)并結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗，樁基設(shè)計參數(shù)見表2。

表1 場區(qū)地基土各主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議采用值

表2 CFG樁、鉆孔灌注樁基設(shè)計參數(shù) kPa

3.2 CFG樁復(fù)合地基

根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，CFG樁復(fù)合地基承載力特征值，應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基荷載試驗確定，初步設(shè)計時也可按下式估算:

其中，fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa;m為面積置換率，取0.049;Ra為單樁豎向承載力特征值，取630 kN;Ap為樁的截面積，取0.125 6 m2;β為樁間土承載力折減系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗取值，取0.80;fsk為處理后樁間土承載力特征值，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗取值，如無經(jīng)驗時，可取天然地基承載力特征值，第?粉砂層為180 kPa;d為樁身平均直徑，mm。

根據(jù)JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范，當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)和承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時，可按下式估算:

其中，Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;μ為樁的周長，m;qsik，qpk分別為樁周第i層土的極限側(cè)阻力、樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;li為第i層土的厚度，m;Ap為樁底端橫截面積，m2。

單樁豎向承載力特征值Ra可按下式估算:

其中，Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;K為安全系數(shù)，取K=2。

CFG樁的樁孔位采用正方形布置，樁身直徑400 mm，樁底端橫截面積為0.125 6 m2，樁孔間距為1.60 m，以ZK5為例，采用式(1)，式(2)和式(3)計算，以?粉砂層作為樁端持力層，樁端進入持力層不小于0.60 m，復(fù)合地基豎向承載力特征值fspk=290 kPa，經(jīng)深度修正后復(fù)合地基承載力特征值fsp=350 kPa＞Pk=280 kPa，可滿足建(構(gòu))筑物的設(shè)計要求。

地基處理后的變形估算可按GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[5]，選擇多個控制性孔，采用分層總和法估算復(fù)合地基最終變形量 s=35.53 mm ～43.38 mm。

3.3 樁基礎(chǔ)(鉆孔灌注樁)

鉆孔灌注樁基樁的樁孔位也采用正方形布置，樁身直徑600 mm，樁孔間距為2.40 m，樁底端橫截面積為0.285 6 m2，以ZK5為例，采用式(2)和式(3)計算，以?細砂層作為樁端持力層，樁端進入持力層不小于0.90 m，基樁豎向承載力特征值Ra=2 040 kN，基底豎向承載力設(shè)計值Pk=280 kPa，每根基樁分擔(dān)的處理面積為5.76 m2，單樁豎向承載力設(shè)計值Qk=1 612.80 kN ＜Ra=2 040 kN，可滿足建(構(gòu))筑物的設(shè)計要求。

樁基沉降量估算可按JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[4]，選擇多個控制性孔，并采用分層總和法估算樁基最終沉降量s=50.00 mm ～56.00 mm。

3.4 技術(shù)經(jīng)濟比較

1)技術(shù)方面:CFG樁復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)方案均能滿足上部荷載對地基強度和變形的要求，但CFG樁復(fù)合地基使樁間土的作用得到了充分發(fā)揮，增大了復(fù)合地基的壓縮模量，使復(fù)合地基最終沉降變形減小，約減小為樁基的23%～30%，且樁基礎(chǔ)(鉆孔灌注樁)屬端承樁，不能充分發(fā)揮樁間土的承載力，易造成浪費。與樁基比較，CFG樁工藝性好，樁體材料的流動性與和易性良好，施工速度快、工期相對較短，質(zhì)量容易控制，無污染。通過以上比較，CFG樁復(fù)合地基方案優(yōu)于樁基礎(chǔ)方案的技術(shù)指標(biāo)。

2)經(jīng)濟效益方面:CFG樁復(fù)合地基方案，樁數(shù)少，施工周期短，與樁基礎(chǔ)相比具有明顯的優(yōu)勢。CFG樁復(fù)合地基利用工業(yè)廢料粉煤灰、不配筋，充分發(fā)揮樁間土的承載力，工程造價低廉，可節(jié)省投資的30%～40%，經(jīng)濟效益明顯優(yōu)于樁基礎(chǔ)方案。

4 結(jié)語

由于場地地層結(jié)構(gòu)的差異性，應(yīng)針對不同場地具體的工程地質(zhì)條件，結(jié)合擬建建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從技術(shù)、經(jīng)濟、安全等角度對不同方案進行分析比較，從而選擇合理的地基處理方案。

CFG樁復(fù)合地基利用樁和樁間土共同承擔(dān)上部荷載，使地基承載力得到了較大幅度的提高。如CFG樁復(fù)合地基能更好的得以推廣，并在實際工程中得到很好的應(yīng)用，必將產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

[1] 惠寒斌，張紅霞，何紅前.淺談樁基礎(chǔ)和CFG樁復(fù)合地基方案的比較[J].山西建筑，2009，35(28):113-114.

[2] 董小強.CFG樁的研究和應(yīng)用[J].山西建筑，2004，30(4):25.

[3] JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[4] JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[5] GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].