回填碾壓地基的CFG樁加固工程

李 江

(建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京100007)

1 項目概況

1.1 工程簡介

擬建場地位于北京市亦莊經濟技術開發(fā)區(qū)內，新建生產及辦公用房。其中廠房為單層輕鋼結構，采用獨立柱基礎，埋深－2.00 m(相對±0.00 m)。辦公用房為框架結構，地上10層、地下1層，采用筏板基礎，埋深－3.50 m(相對±0.00 m)。

1.2 場地地質工程條件

擬建場地位于北京東南部，原有取土深坑后作為渣土消納場地進行回填。場地內地形基本平坦，略有起伏，總體地形趨勢是北側低南側高、最大高差約1.03 m，東西方向基本平坦。

根據(jù)勘察報告，擬建場地內的主要地層為填土層、新近沉積層和一般第四紀沉積層3大類，分述如下。

第一類填土層主要是:①雜填土，主要為建筑垃圾和生活垃圾，土質松散、極不均勻，分布地段凌亂，深度不一，最深處達5 m且位于辦公樓范圍內。

第二類新近沉積層主要是:②粉質粘土，土質不均，中～高壓縮性;②1粘土，含云母、氧化鐵和少量有機質，土質不均，中～高壓縮性;②2粉土，中壓縮性，局部缺失;②3粉細砂，砂質不均，低壓縮性，局部缺失。

第三類第四系沉積層主要是:③細砂，中密，砂質較均勻，低壓縮性;④中砂，密實，砂質較均勻，低壓縮性?？辈煳唇掖┰搶?。

根據(jù)勘察報告，場地內分布2層地下水。第一層地下水為潛水，穩(wěn)定水位埋深6.00～7.00 m;第二層地下水為層間水，穩(wěn)定水位埋深17.00～18.00 m。這兩層地下水對混凝土結構均具微腐蝕性，在干濕交替情況下對鋼筋混凝土中的鋼筋均具弱腐蝕性。

1.3 結構設計要求

單層輕鋼結構廠房采用天然地基方案(遇填土換填)，辦公樓范圍幾乎都是渣土坑，范圍大深度深，局部超過了基礎埋深。設計進行了基礎形式的比選，一種方案是將雜填土全都挖除并換填整平，然后加深基礎或改為地下2層;另一種方案是開挖回填，并碾壓密實后打CFG樁，結構形式不變。最終后一方案造價更低，確定選擇CFG樁復合地基，并提出相關要求為:處理后的復合地基承載力特征值≮260 kPa;最大沉降量＜5 cm。

2 復合地基設計總體思路

2.1 工序思路

任何設計方案的提出，必須要以實踐能力為前提，并且要遵循工程經驗和慣例。根據(jù)設計條件，本項目的地基施工工序很清晰，即挖土→回填碾壓→CFG樁施工→驗收。由于擬建場地開闊，周邊沒有影響地基基礎施工的建筑物和地上、地下障礙物，加之開挖深度內也沒有地下水的影響，所以施工條件非常好，施工難度也不大。確定這樣的施工順序和工藝，一定能收到高效、優(yōu)質的施工效果。

2.2 技術思路

基于上述工序思路，復合地基設計的技術思路也相應形成，主要是2個重點:一是控制回填碾壓質量;二是做好CFG樁施工。這2個重點必須同時抓好，缺一不可。因為回填碾壓是整個工程的基礎步驟，回填土的質量直接關系到CFG樁的設計和施工，樁體的側摩阻力、樁間土的承載能力、復合土體的壓縮性等，這些直接影響整個復合地基安全性和適用性的關鍵條件，都受制于回填土的物理力學性質，而這些性質完全取決于回填碾壓的質量。因此，在進行設計時必須把這一步做到萬無一失，否則后序工作就是“空中樓閣”，沒有根基。

3 換填碾壓設計方案

3.1 基本設計參數(shù)

(1)根據(jù)勘察報告開挖深度3.50～4.60 m，以現(xiàn)場實地查驗為準。

(2)采用素土(粉質粘土)分層(每層0.50～0.80 m)回填壓實，土質應符合《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79－2002)的要求;回填施工按照相關規(guī)范進行。

(3)大面積的回填壓實工作采用壓路機分層碾壓，小范圍的區(qū)域采用人工、小型機械夯實，施工時應配合釬探試驗確定施工參數(shù)。

(4)回填壓實后的土層，其承載力要求不低于80 kPa。回填土質量檢驗采用密實度試驗和釬探測試兩種方法。

(5)密實度試驗采用環(huán)刀法分層取樣，要求壓實系數(shù)≮0.95［5］;釬探測試采用標準釬、分層機械觸探，貫入擊數(shù)要求＞14擊［6］。

(6)換填至設計樁頂標高以上500 mm，開始打樁，預留的保護土層隨樁間土一同清理。

3.2 采用釬探測試的原因

本次換填碾壓施工的質量檢驗采用釬探測試，要求擊數(shù)＞14擊，主要依據(jù)如下。

(1)本次回填的土層作為復合地基的樁間土，不是單獨作為基礎持力層;因回填后還將進行打樁，最終由(樁+土)復合地基共同承擔上部荷載，因此其檢驗方法與普通換填工作有區(qū)別。

(2)CFG樁設計方案要求樁間土承載力達到80 kPa，這樣復合地基才能滿足260 kPa的設計要求，所以首先必須保證回填土的80 kPa承載力。按《建筑地基基礎工程施工質量驗收規(guī)范》(GB 50202－2002)，若單純采用壓實系數(shù)指標進行檢驗，該指標是一個物理性質指標，只能反映土的密實情況，但與承載力之間沒有明確的對應關系，無法通過壓實系數(shù)來判定承載力是否滿足80 kPa的要求。

(3)根據(jù)《北京地區(qū)建筑地基基礎勘察設計規(guī)范》(BDJ 501－11－2009)第7.3.4－6條，對于素填土采用N10釬探進行承載力評價，其擊數(shù)≮14擊可滿足承載力＞80 kPa要求。

(4)必須在保證樁間土的承載力，進行打樁施工后才能最終確保復合地基承載力滿足要求。

3.3 換填碾壓質量檢驗

按照設計方案進行換填碾壓施工后，分層進行了壓實系數(shù)試驗和釬探試驗，試驗結果表明:分層回填碾壓的土層，壓實系數(shù)試驗結果為0.95～0.97，釬探測試結果為17～26擊，均滿足設計要求。

4 CFG樁設計方案

4.1 高置換率

在完成換填碾壓后，回填土具備了一定的承載能力，其物理性質也得到進一步改善，根據(jù)壓實系數(shù)試驗和釬探測試的結果，結合工程經驗綜合判斷回填土的承載力取值80 kPa、壓縮模量取值4.0 MPa是可行的。但其并未滿足設計要求，主要的加固對象仍是這層回填土。

考慮到回填土深度不小，其下部已經基本直接接觸③細砂層，且該砂層的厚度約5 m，下臥地層也是力學性質很好的④中砂層，所以選擇這2層砂土作為樁端持力層都是適宜的，但樁長與對應的面積置換率成反比關系。

為了最大限度降低因填土的不均勻性帶來的不利影響，考慮用CFG樁來最大限度地置換填土，從而在樁與土形成的復合土體中提高樁所占的比例，也就相應提高了樁所分擔的荷載比例，降低土所分擔的荷載比例，盡量不造成土體的過度承載。同時，在較高的置換率條件下，樁與填土組成的復合土體由于混凝土材料占比較高，從材料組成上為其變形特性提供了有利保障，所以最終選擇有效樁長為7.00 m。

4.2 褥墊層厚度

CFG樁復合地基通常會設置褥墊層，厚度一般為15～30 cm，材料通常為碎石或級配砂石等散體材料。在基礎下設置柔性墊層，一方面可增加樁間土承擔荷載的比例，較充分地利用樁間土的承載潛能;另一方面可改善樁體上端的受力狀態(tài)，調節(jié)樁和樁間土的應力分擔和變形協(xié)調。業(yè)界針對褥墊層的厚度與復合地基承載特性進行了大量研究，獲得了大量規(guī)律和經驗。當褥墊層厚度越厚，樁土荷載分擔比越小，也就是樁體承擔的荷載比例越低，反之就越高［8］。對本工程而言，恰恰就是要提高樁體所承擔的荷載比例，最大限度減小樁間土分擔的荷載，這樣填土在承載能力上的缺陷得以彌補;同樣由于分擔的荷載小些，發(fā)生的變形也相對小些，對整體復合地基的變形也是有利的。在整理借鑒了多項針對褥墊層厚度與復合地基特性所進行的試驗、研究經驗后，設計了8 cm厚度的褥墊層。

4.3 承載力和變形計算復核

根據(jù)CFG復合地基設計的計算公式［3］:

有粘結強度增強體復合地基承載力特征值fspk=mRa/Ap+β(1－m)fsk

在以上2個公式中，根據(jù)經驗，回填土的側摩阻力特征值qs取15 kPa，用于計算單樁承載力特征值;樁間土的承載力特征值fsk，取值80 kPa。經計算，正方形布樁間距為1.20 m×1.20 m，面積置換率約0.087。

5 檢測及監(jiān)測結果

5.1 檢測結果

CFG 樁施工完畢后，進行復合地基承載力及樁身完整性檢測。其中承載力檢測采用單樁復合地基載荷試驗方法，載荷板的面積1.20 m×1.20 m，最大試驗荷載520 kPa(折合750 kN);采用慢速維持荷載法分8級加載。檢測結果為:當加載至最大荷載520 kPa時，p～s曲線未出現(xiàn)明顯拐點，各級沉降量較均勻，總沉降量均未超過規(guī)范允許值;且各試驗點加載至260 kPa所對應的s/b值均＜0.01。判定單樁復合地基承載力特征值≮260 kPa，滿足設計要求［3］。

樁身完整性檢測采用低應變反射波法，試驗數(shù)量為總樁數(shù)的10%。檢測結果為:受檢的全部CFG樁，樁身連續(xù)、完整，屬于I、II樁，判定為合格［7］。

5.2 監(jiān)測結果

CFG樁施工于2011年10月竣工，2012年11月結構封頂。沉降觀測結果表明，結構施工期間及封頂后至此文截稿時的沉降值均較小(13～22 mm范圍)，且很快趨于穩(wěn)定，滿足設計要求。

6 結語

(1)回填碾壓質量控制。因本工程中回填土必須作為樁間土承擔上部荷載，因此對其回填質量的控制必須十分嚴格。同時也因為對其承載力的要求，必須選擇能夠檢驗回填土承載能力的方法。本實例中選用壓實系數(shù)和釬探測試2種方法，分別檢驗回填土的物理指標和力學指標，是周全、合理的選擇。

(2)高置換率CFG樁?？紤]到填土的不均勻，采用高置換率方案，一方面從受力的平面分布上降低了復合土體內填土面積占比，從復合地基的構造形式上削弱了填土的不利影響;另一方面在置換率較高時樁土應力比較大，即樁體承擔的荷載較高，從而減輕了樁間土(填土)分擔的荷載，盡量使其少受力、少變形，從復合地基受力特性上降低了填土的不利影響。

［1］編委會.工程地質手冊(第四版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］編委會.地基處理手冊(第三版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］JGJ 79－2002，建筑地基處理技術規(guī)范［S］.

［4］GB 50007－2011，建筑地基基礎設計規(guī)范［S］.

［5］DBJ 11－501－2009，北京地區(qū)建筑地基基礎勘察設計規(guī)范［S］.

［6］JGJ 94－2008，建筑樁基技術規(guī)范［S］.

［7］JGJ 106－2003，建筑基樁檢測技術規(guī)范［S］.

［8］徐至鈞.水泥粉煤灰碎石樁復合地基［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.