CFG樁在穹形儲(chǔ)煤場(chǎng)地基處理中的應(yīng)用

凌 成 劉永偉

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng) 110015)

CFG樁是20世紀(jì)90年代初研究并應(yīng)用的地基加固技術(shù)，是水泥粉煤灰碎石樁的簡(jiǎn)稱(chēng)。1997年被視為國(guó)家級(jí)工法，目前，該技術(shù)已在全國(guó)范圍內(nèi)使用。CFG樁復(fù)合地基處理工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量易于控制，適用于砂土、粉土、粘性土、淤泥質(zhì)土、雜填土等土質(zhì)的地基處理。由于CFG樁體使用材料為水泥、粉煤灰、碎石、石屑、砂等，就地取材方便，特別是使用了工業(yè)廢料粉煤灰，既減少了污染，又達(dá)到了廢物再利用的目的，大大降低了生產(chǎn)成本，保護(hù)了環(huán)境，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。近幾年，國(guó)家加大對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的投入，CFG樁由于成本低廉、地基加固效果好、適用范圍廣、工期短等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、道路、煤礦等地基處理中得以迅速推廣和應(yīng)用。

1 CFG樁復(fù)合地基加固機(jī)理及各組成部分作用

1.1 CFG樁復(fù)合地基承載的基本原理

CFG樁復(fù)合地基由樁、樁間土及褥墊層三部分組成。通過(guò)褥墊層把三者有機(jī)的結(jié)合成一個(gè)整體。當(dāng)基礎(chǔ)傳來(lái)壓力，褥墊層可以通過(guò)調(diào)整厚度來(lái)改變變形量，把壓力按適當(dāng)?shù)谋壤峙浣o樁及樁間土，使其共同受力。同時(shí)樁對(duì)樁間土進(jìn)行了擠壓，提高了土的承載力。樁間土承載力的提升又增加和改善了樁的受力性能，二者共同作用，極大的增加了復(fù)合地基的承載能力。

1.2 CFG樁和樁間土的作用

CFG樁在承擔(dān)基礎(chǔ)傳來(lái)的豎向荷載的同時(shí)，對(duì)地基土產(chǎn)生了一定的擠密作用。特別是采用非排土法(如振動(dòng)沉管打樁法)施工時(shí)，很大程度上擠密了樁間土。水泥經(jīng)水解和水化反應(yīng)以及與粉煤灰的凝硬反應(yīng)后，生成穩(wěn)定的結(jié)晶化合物，這些化合物填充了碎石和石屑的孔隙，并將這些骨料及周?chē)耐馏w粘結(jié)在一起，從而改善了土質(zhì)性能。樁間土作為承擔(dān)荷載的一部分，承擔(dān)了基礎(chǔ)傳來(lái)的豎向荷載的同時(shí)，還承擔(dān)了大部分水平荷載，對(duì)樁體產(chǎn)生約束力，防止樁體發(fā)生側(cè)移，保證樁體的正常工作。

1.3 褥墊層的調(diào)整均化作用

褥墊層由顆粒材料組成，采用粒徑不超過(guò)3 cm的級(jí)配砂石、碎石或中(粗)砂，厚度介于15 cm～30 cm之間。褥墊層保證了樁、土共同承載荷載，使樁間土的承載力得以充分發(fā)揮，通過(guò)調(diào)整褥墊層的厚度來(lái)改變樁、土承擔(dān)荷載的比例，進(jìn)而使基底壓力得到了均化和調(diào)整。

2 CFG樁單樁承載力計(jì)算

單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值，可采用類(lèi)似于摩擦端承樁承載力計(jì)算公式:Ra=Up× ∑qsi× Li+qp× Ap。其中，Up為樁的周長(zhǎng)，m;qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa;qp為樁端阻力特征值，kPa;Li為第i層土的厚度，m。

3 CFG樁復(fù)合地基的承載力

根據(jù)CFG樁復(fù)合地基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮影響地基承載力的各方因素。對(duì)CFG樁復(fù)合地基的承載力特征值采用下列公式進(jìn)行計(jì)算:fspk=m×Ra/Ap+β×(1－m)×fsk。其中，fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa;m為面積置換率，m=Ap/Az，Ap為樁的截面面積，m2，Az為與Ap對(duì)應(yīng)的處理地基的面積，m2;Ra為單樁豎向承載力特征值，kN;fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa;β為樁間土承載力折減系數(shù)。宜根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值，如無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取0.75～0.95，天然地基承載力較高時(shí)取大值。

4 工程簡(jiǎn)介和場(chǎng)區(qū)地質(zhì)概況

內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司元寶山露天煤礦選煤廠篩選系統(tǒng)穹形儲(chǔ)煤場(chǎng)位于內(nèi)蒙古赤峰市元寶山區(qū)，直徑85 m，設(shè)計(jì)儲(chǔ)煤量為5萬(wàn)t。根據(jù)赤峰永泰巖土工程有限公司提供的《元寶山露天煤礦選煤廠穹型儲(chǔ)煤場(chǎng)巖土工程勘察報(bào)告》場(chǎng)地土自上而下分別為:①粉土層:沉積時(shí)代、成因黃色，稍濕，稍密，無(wú)光澤，搖震反應(yīng)中等，干強(qiáng)度、韌性低，高壓縮性，層厚4.50 m～12.50 m。地基承載力特征值為fsk=140 kPa;②粉質(zhì)粘土:沉積時(shí)代、成因黃色～棕黃色，堅(jiān)硬～可塑狀態(tài)，無(wú)搖震反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度、韌性中等，中等壓縮程度，層頂深度4.50 m ～12.50 m，層厚8.10 m ～29.10 m。地基承載力特征值 fak=160 kPa;③玄武巖:沉積時(shí)代Q3，雜色，強(qiáng)風(fēng)化程度，大部分已風(fēng)化成土狀或散粒狀，局部有塊狀。地基承載力特征值fak=280 kPa;④粉質(zhì)粘土:沉積時(shí)代、成因褐黃色，硬塑狀態(tài)，無(wú)搖震反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度、韌性中等，層頂深度21.10 m～26.10 m。地基承載力特征值fak=160 kPa;該穹形儲(chǔ)煤場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)分為兩部分(如圖1所示)。1)混凝土擋墻:地下為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，地面部分采用混凝土擋墻，球形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，地基持力層為第①層粉土層，設(shè)計(jì)要求承載力不低于300 kPa;2)中心樁部分:采用混凝土筏板基礎(chǔ)，主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地基持力層為第②層粉質(zhì)粘土層，設(shè)計(jì)要求承載力不低于300 kPa。天然地基承載力滿(mǎn)足不了設(shè)計(jì)要求，須進(jìn)行地基處理。

5 CFG樁在穹形儲(chǔ)煤場(chǎng)地基處理中的應(yīng)用

5.1 地基處理方案

由于建筑結(jié)構(gòu)具有高、重、大的特點(diǎn)，所以對(duì)地基承載力及不均勻沉降都有較高的要求，本工程①粉土層和②粉質(zhì)粘土層的地基承載力特征值分別為140 kPa和160 kPa，顯然不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，故需要對(duì)地基進(jìn)行處理或采用樁基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)對(duì)基礎(chǔ)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證決定采用CFG樁復(fù)合地基，以充分利用原位地基土的強(qiáng)度和剛度來(lái)降低工程造價(jià)。相比于CFG樁具有相近特性的素混凝土樁而言，CFG樁復(fù)合地基的單方造價(jià)僅為素混凝土樁復(fù)合地基的單方造價(jià)的一半。所以決定采用CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行處理。

圖1 穹形儲(chǔ)煤場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖

5.2 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

根據(jù)穹形儲(chǔ)煤場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有環(huán)狀條形基礎(chǔ)和條形筏板基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，CFG樁在混凝土擋墻部分采用環(huán)形放射狀布置，環(huán)形近似等間距布樁，中心柱部分采用矩形等距布置。由于兩個(gè)部分荷載及持力層不同，樁間距分別定為1.80 m和1.20 m，樁徑均為500 mm，置換率分別為6.1%和13.6%，設(shè)褥墊層厚度均為300 mm。樁的布置見(jiàn)圖2，復(fù)合地基剖面見(jiàn)圖3。根據(jù)本工程的具體情況，取樁間土強(qiáng)度折減系數(shù)為0.85。經(jīng)計(jì)算外環(huán)和中心柱的樁長(zhǎng)分別取12 m，17.0 m。

圖2 穹形儲(chǔ)煤場(chǎng)樁平面布置圖

圖3 復(fù)合地基剖面圖

5.3 地基加固檢測(cè)

在地基處理施工完成后，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，進(jìn)行了靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)取沉降量為0.01倍的承壓板寬度值所對(duì)應(yīng)的荷載為承載力特征值。以外環(huán)1126號(hào)樁靜載試驗(yàn)為例，Q—s和s—lgt曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。部分靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 外環(huán)1126號(hào)樁靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)圖

表1 靜載檢測(cè)結(jié)果匯總表(節(jié)選)

由靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)圖和靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，經(jīng)12.0 m，17.0 m長(zhǎng)的CFG樁加固后，地基承載力基本值均為300 kPa以上，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

6 沉降觀測(cè)分析

對(duì)CFG樁復(fù)合地基上建筑物連續(xù)沉降觀測(cè)表明，沉降所需要的穩(wěn)定時(shí)間較短，同時(shí)由于地基壓縮模量增大而使建筑物沉降顯著減小。

7 和其他地基處理方法經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

CFG樁復(fù)合地基受力和變形類(lèi)似于素混凝土樁。但由于CFG樁中摻有粉煤灰，并充分發(fā)揮了樁間土的承載力，具有地基承載力高、穩(wěn)定快、變形小等優(yōu)點(diǎn)。施工及用料上，由于施工簡(jiǎn)單、用料經(jīng)濟(jì)環(huán)保、工期短，工程造價(jià)較素混凝土樁低，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

8 結(jié)語(yǔ)

本工程的設(shè)計(jì)方案和檢測(cè)成果表明:CFG樁復(fù)合地基在一定條件下完全可以滿(mǎn)足煤礦大型、重型倉(cāng)(場(chǎng))類(lèi)建筑對(duì)地基的需要。CFG樁復(fù)合地基處理方法優(yōu)點(diǎn)在于應(yīng)用范圍廣、質(zhì)量易于控制、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。對(duì)于快速發(fā)展的中國(guó)建設(shè)領(lǐng)域，有著極大的發(fā)展?jié)摿εc空間。

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

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

［3］葉書(shū)麟.地基處理工程實(shí)例應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

［4］曾裕平，吳明軍.CFG樁復(fù)合地基處理［J］.山西建筑，2011，37(13)：62-63.