CFG樁復(fù)合地基壓縮模量計(jì)算方法探討

劉來新

(北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司，北京 100144)

CFG樁復(fù)合地基壓縮模量計(jì)算方法探討

劉來新

(北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司，北京 100144)

CFG樁法在高層及多層建筑的地基處理中已有許多成功實(shí)例，在變形計(jì)算中，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79－2002)推薦使用復(fù)合模量法，并提供了計(jì)算復(fù)合土層壓縮模量的應(yīng)力比法公式。這里通過復(fù)合地基載荷試驗(yàn)資料，提出一種改進(jìn)的面積比法公式。應(yīng)用該法計(jì)算的復(fù)合地基沉降值，與建筑物的沉降觀測(cè)值有較好的吻合度。

CFG樁復(fù)合地基;復(fù)合土層壓縮模量;應(yīng)力比法;面積比法

0 引言

現(xiàn)行建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［1］中對(duì)樁土復(fù)合地基承載力的計(jì)算主要有2種方法:一種是以水泥粉煤灰碎石樁法(CFG)、夯實(shí)水泥土樁法、水泥土攪拌法、高壓噴射注漿法為代表的面積比法，適用于半剛性樁，可只在基礎(chǔ)范圍內(nèi)布樁;另一種是以振沖法、砂石樁法、石灰樁法、柱錘沖擴(kuò)樁法為代表的應(yīng)力比法，適用于柔性樁，需設(shè)置保護(hù)樁。對(duì)復(fù)合土層壓縮模量的計(jì)算也相應(yīng)有2種方法，即應(yīng)力比法和面積比法。

應(yīng)力比法主要公式有:

式中:Esp——復(fù)合土層壓縮模量，MPa;α——系數(shù)，可取1.1～1.3，成孔對(duì)樁周土擠密效應(yīng)好或置換率大時(shí)取高值;m——樁土面積轉(zhuǎn)換率;n——樁土應(yīng)力比，可取3～4，長樁取大值;Es——天然土的壓縮模量，MPa;fspk——振沖復(fù)合地基承載力特征值，kPa;fak——地基承載力特征值，kPa。

面積比法計(jì)算公式為:

式中:Ep——攪拌樁的壓縮模量，kPa。

式(1)主要用于振沖法、砂石樁法、石灰樁法、柱錘沖擴(kuò)樁法，式(2)主要用于CFG樁法、夯實(shí)水泥土樁法，式(3)主要用于水泥土攪拌法。通過樁土復(fù)合地基承載力公式的推導(dǎo)可以得出，式(1)和式(2)其實(shí)是統(tǒng)一的，是應(yīng)力比法的2種不同形式，結(jié)果是一致的［2］。由上可以看出，規(guī)范對(duì)柔性樁均采用了應(yīng)力比法，對(duì)半剛性樁采用了2種方法，CFG樁法中認(rèn)為各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地層壓縮模量的ζ倍，即復(fù)合地基承載力提高多少倍，復(fù)合土層壓縮模量就提高多少倍。

1 改進(jìn)的面積比法

筆者通過大量現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，規(guī)范中的方法與實(shí)際情況有較大差異，隨即提出一種改進(jìn)的面積比法公式:式中:Ep——CFG樁壓縮模量，可取Ep=(75～125) fcu［3］，面積置換率大，樁長小時(shí)取小值，反之，取大值;fcu——與樁身混合料配合比相同的試塊抗壓強(qiáng)度平均值。

2 載荷試驗(yàn)

河北省首鋼遷安焦化廠所施工的CFG樁復(fù)合地基，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及地基土載荷試驗(yàn)，復(fù)合地基的樁間土及樁端持力層和下臥層的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)指標(biāo)

2.1 單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)

為檢測(cè)復(fù)合地基質(zhì)量，該工程共做載荷試驗(yàn)32組，單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 復(fù)合土層壓縮模量

應(yīng)力比法用式(2)計(jì)算，面積比法用式(3)計(jì)算，載荷試驗(yàn)計(jì)算變形模量參考巖土工程勘察規(guī)范［4］公式。該公式用于天然地基土淺層平板載荷試驗(yàn)計(jì)算變形模量，由于天然土層的變形模量是按均質(zhì)各向同性半無限彈性介質(zhì)的彈性理論計(jì)算，但對(duì)樁土復(fù)合土層的變形模量，各文獻(xiàn)均未給出具體計(jì)算方法，為有所區(qū)別，設(shè)復(fù)合土層的變形模量為E0':

式中:I0——?jiǎng)傂猿袎喊宓男螤钕禂?shù)，圓形承壓板取0.785，方形承壓板取 0.886;μ——土的泊松比; d——承壓板直徑或邊長，m;p——p－s曲線線性段的壓力，kPa;s——與p對(duì)應(yīng)的沉降，mm。

本次CFG樁混合料抗壓強(qiáng)度平均值20MPa，樁長較小，面積置換率大，取樁身壓縮模量Ep=75fcu=1500 MPa。計(jì)算得復(fù)合土層壓縮模量見表3。

母親回家后天放晴了，屋里不再那么冷颼颼的，下午的陽光照進(jìn)來，暖洋洋的，老福意識(shí)到真不能一個(gè)人住在這幽暗的老房子里。他又聞到了雞湯的香味，這回的湯是自己家的。母親邊用炭火煲著湯，邊忙出忙進(jìn)利用這久違的陽光曬被褥，使老福感到了久違的溫暖。

表3 不同計(jì)算方法所得復(fù)合模量

2.3 復(fù)合土層變形量

復(fù)合地基變形采用分層總和法，根據(jù)上述壓縮(變形)模量的不同計(jì)算方法，計(jì)算得復(fù)合土層變形量見表4。

表4 不同計(jì)算方法所得地基變形

由上述分析可以看出，采用文中介紹的面積比法計(jì)算所得的復(fù)合土層壓縮模量，在計(jì)算復(fù)合地基變形時(shí)，與載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)值較為接近。

3 計(jì)算實(shí)例

北京市通州區(qū)果園某工程，高層住宅10～19層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，基底埋深－6.9 m，直接持力層為②、③大層的粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粉土，設(shè)計(jì)要求地基承載力特征值260～400 kPa，地基最終沉降量＜40 mm，整體傾斜＜0.002。地基承載力及變形均不能滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)采用長螺旋CFG樁復(fù)合地基處理方案。地層參數(shù)見表5。

表5 地層物理力學(xué)參數(shù)

本設(shè)計(jì)中CFG樁混合料強(qiáng)度15 MPa，取樁身模量2000 MPa，計(jì)算得復(fù)合土層壓縮模量為40.5～96.0 MPa。采用規(guī)范分層總和法計(jì)算地基變形，與規(guī)范應(yīng)力比法所求復(fù)合模量計(jì)算的變形對(duì)比見表6。

該工程從基礎(chǔ)施工開始便進(jìn)行沉降觀測(cè)，在基礎(chǔ)上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)(圖1)，各觀測(cè)點(diǎn)的沉降曲線見圖2。

圖1 沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)略圖

表6 復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)及沉降計(jì)算結(jié)果

圖2 觀測(cè)點(diǎn)1～16沉降值

根據(jù)沉降觀測(cè)結(jié)果可知，用改進(jìn)的面積比法公式計(jì)算的復(fù)合土層壓縮模量值，在計(jì)算復(fù)合地基變形時(shí)，比規(guī)范中應(yīng)力比法公式更符合實(shí)際。

4 幾點(diǎn)探討

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007－2002)［5］規(guī)定，設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)、乙級(jí)的建筑物，應(yīng)按地基變形設(shè)計(jì)，即可能出現(xiàn)承載力滿足，而計(jì)算變形不滿足設(shè)計(jì)的情況，需要通過增加樁數(shù)或樁長來達(dá)到變形設(shè)計(jì)要求。而通過大量的建筑物沉降觀測(cè)資料可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值往往小于計(jì)算值，說明計(jì)算偏于安全，當(dāng)采用文中方法時(shí)，可使計(jì)算值接近并略大于實(shí)測(cè)值。

導(dǎo)致復(fù)合模量、沉降變形的如此差異，至少有以下幾點(diǎn)原因。

(1)承載力深寬修正問題。文獻(xiàn)［1］規(guī)定經(jīng)過人工處理的地基只作深度修正，不作寬度修正，且修正系數(shù)均取1.0，而研究表明［6～8］:在有邊載作用下，復(fù)合地基承載力將大大提高。

(2)實(shí)際布樁數(shù)問題。由于種種原因，實(shí)際布樁數(shù)要大于理論計(jì)算數(shù)，一般要多6%左右［6］，對(duì)于獨(dú)立基礎(chǔ)下的布樁還要遠(yuǎn)高于此數(shù)。

(3)天然地基承載力問題。用載荷試驗(yàn)確定承載力目前還不普遍，勘察單位推薦的承載力多偏于保守，而復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的最大加荷量一般為設(shè)計(jì)值的2倍，并未壓至破壞或極限承載力，即復(fù)合地基承載力仍有潛力可挖。

(4)褥墊層厚度與模量問題。在復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的變形中，有多半都是褥墊層貢獻(xiàn)的，因載荷試驗(yàn)的影響深度一般為承壓板直徑或邊長的2～3倍。即真正的樁土復(fù)合部分變形很小，復(fù)合模量也要高于計(jì)算值。

5 結(jié)語

(1)從單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)及案例中沉降觀測(cè)資料可知，在CFG樁復(fù)合地基變形計(jì)算中，采用式(4)計(jì)算的復(fù)合模量，在計(jì)算復(fù)合地基變形時(shí)較為合理。

(2)復(fù)合地基的變形計(jì)算極為復(fù)雜，文中的復(fù)合模量是通過載荷試驗(yàn)和沉降實(shí)測(cè)資料而來，其中已經(jīng)綜合了褥墊層等各種因素，在變形計(jì)算時(shí)可不再考慮其他因素的影響。

(3)文中的面積比法計(jì)算復(fù)合模量時(shí)從表面上看并未考慮樁長和樁間距的影響，實(shí)際從Ep的取值上已充分考慮了其影響。

(4)文中的復(fù)合地基載荷試驗(yàn)及工程實(shí)例的變形觀測(cè)資料都是基于一般第四系粉土、粘性土、砂土地基處理的結(jié)果，對(duì)于軟土等特殊土地基，以上公式可能不適用。

(5)規(guī)范法在變形計(jì)算中，規(guī)定當(dāng)壓縮模量大于某一數(shù)值時(shí)，沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)不變，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁間土及復(fù)合地基的壓縮模量較高時(shí)，采用兩種方法對(duì)變形計(jì)算結(jié)果影響不大。

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

［2］韓 煊，王玉娥.對(duì)復(fù)合地基設(shè)計(jì)方法的幾點(diǎn)探討［J］.工程勘察，2000，(4):10－13.

［3］黃仙枝.CFG樁彈性模量的試驗(yàn)研究［J］.太原工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，28(4):96－98.

［4］G B 50021－2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［5］G B 50007－2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］閻明禮，張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實(shí)踐［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［7］張澤勤.復(fù)合土層壓縮模量討論［J］.河南科學(xué)，2003，21(5): 599－601.

［8］李 春靈.邊載作用下CFG樁復(fù)合地基性狀分析［J］.建筑科學(xué)，1999，15(4):19－23.

Discussion on Calculation Method of Compression Modulus of CFG Pile Composite Foundation

LIU Lai-xin(Beijing Aidi Geotechnical Investigation＆Foundation Engineering Company，Beijing 100144，China)

CFG pile has many successful engineering cases in ground treatment of high buildings.Composite modulus method is recommended by“Technical Code for Ground Treatment of Buildings”JGJ 79－2002 in deformation calculation with stress ratio method formula of composite earth layer compression modulus.In this paper，a modified formula of area ratio method is put forward based on the loading test data of composite foundation.The composite foundation settlement value calculated by this method has a good agreement with the building settlement observation value.

CFG pile composite foundation;compression modulus of composite earth layer;stress ratio method;area ratio method

TU473.1+2

A

1672－7428(2012)08－0057－04

2012－03－25;

2012－08－05

劉來新(1980－)，男(漢族)，浙江安吉人，北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司工程師、注冊(cè)巖土工程師，巖土工程專業(yè)，從事工程勘察、巖土設(shè)計(jì)與施工工作，北京市石景山區(qū)晉元莊路23號(hào)，ph99453@163.com。