CFG樁復(fù)合地基承載力分析

摘要：當(dāng)前，在巖土工程實際實施過程中，運用CFG樁復(fù)合地基工程的地基的承載力比未實施該工程的天然地基承載力更加低下的情況時有發(fā)生，這種情況不但影響了工程質(zhì)量，而且在很大程度上導(dǎo)致了人力、財力和物力的浪費。文章通過對CFG樁復(fù)合地基承載力的分析，期望能夠?qū)σ院蟮墓こ淌┕ぬ峁┮欢ǖ慕梃b作用。

關(guān)鍵詞：CFG樁；復(fù)合地基；承載力；巖土工程；工程施工 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU472 文章編號：1009-2374（2016）28-0099-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.050

1 復(fù)合地基技術(shù)概述及計算公式

1.1 復(fù)合地基技術(shù)的概述

復(fù)合地基技術(shù)起源于19世紀，當(dāng)時的主要目的是為了在松散的沙土上打地基。但是在之后很長時間內(nèi)都沒有適合計算該技術(shù)承載力的方法，加上缺少比較先進的工藝和設(shè)備，所以其發(fā)展非常緩慢。

二戰(zhàn)之后，由于相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)也進入了快速發(fā)展期。現(xiàn)在人們通常把在天然地基上進行人為加固的用來提升地基承載力的加固體都認為是復(fù)合地基。CFG樁通常應(yīng)用水泥進行澆筑，樁體的柔性和剛性都非常良好，在實際工作中的應(yīng)用極為廣泛。但是由于當(dāng)前CFG樁復(fù)合地基的計算遠遠落后于實踐，在一定程度上影響了其發(fā)展。

1.2 CFG樁復(fù)合地基承載力計算公式分析

復(fù)合地基承載力的計算不能夠由天然地基承載能力與復(fù)合樁承載能力直接疊加得到，而是必須綜合考慮相關(guān)的因素，比如：（1）樁之間的巖土是否由于工程的進展而導(dǎo)致土層變形或者減少；（2）施工時是否會對樁之間的巖土承載力產(chǎn)生影響，如果有影響是降低還是升高；（3）CFG復(fù)合地基中樁的承載力比自由單樁高很多；（4）樁之間巖土的承載能力都與形變有關(guān)系，變形比較小時樁與土層的承載能力都無法充分發(fā)揮；（5）樁和土層的承載力的發(fā)揮和褥墊層薄厚有關(guān)系。

綜合上述各種因素，并結(jié)合實際經(jīng)驗，可以用以下公式來驗證CFG樁復(fù)合地基的承載力：

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式中：fspk代表修正之后復(fù)合地基的承載能力值；m代表面積置換率；Ra代表單樁承載力值；β代表天然地基承載能力值。

2 CFG樁復(fù)合地基承載力的計算方法

2.1 復(fù)合地基深度修正問題

2.1.1 地基承載力深度修正的要素。（1）超載的壓重作用體現(xiàn)了CFG樁復(fù)合地基承載力的深度修正。在實際的操作中，施工人員通過用土填埋和將其他的重量轉(zhuǎn)換為土重來實現(xiàn)對于地基承載力的深度修正，這些方法都能夠?qū)雇馏w的向上運動；（2）地基承載力的計算公式對于超載的連續(xù)性具有一定的要求，超載的作用力必須分布在滑動體的表面。用土填埋的方式中作用力是均勻分布的，而其他的重量轉(zhuǎn)換為土重的作用力不一定是連續(xù)均勻的；（3）建筑物的地基的最薄弱的部位比較容易發(fā)生破壞，因此操作人員可以通過地基的最小值來進行深度修正。

2.1.2 特殊情況下的深度修正。（1）當(dāng)建筑物具有核心筒時，核心筒的基礎(chǔ)地板的厚度為一倍時是不能進行深度修正的。核心筒的建筑物的深度修正的基礎(chǔ)地板的厚度必須在2.5倍；（2）如果結(jié)構(gòu)給予復(fù)合地基承載力一定的特征值時，那么地基承載力也不能進行深度修正；（3）在地基承載力進行深度修正之后，CFG樁必須進行加長。

2.2 CFG樁復(fù)合地基承載力的計算公式的提出

地基的處理具有一定的局限性，而天然地基具有一定的延伸性，不可能發(fā)生整體的破壞，因此操作人員需要通過土的強度指標來對地基承載力進行寬度和深度的修正。針對處理后和原狀土的地基土的強度指標的修正系數(shù)的問題，CFG樁復(fù)合地基承載力的計算公式的提出有效地解決了這一問題。

式中：如果深度修正的寬度大于3米或者深度超過0.5米時，操作人員可以通過一些方法來確定地基承載力的特征值。

2.3 CFG樁復(fù)合地基變形計算方法

2.3.1 現(xiàn)行變形計算方法的缺點。（1）目前的計算方法在變形模量的取值上存在著一定的問題。勘察中的土樣使得試驗產(chǎn)生了一定的誤差，這造成了計算結(jié)果的不準確；（2）計算方法是在地基不發(fā)生側(cè)向膨脹的情況下進行的，而在實際過程中土層會發(fā)生側(cè)向的變形，這也會導(dǎo)致計算結(jié)果不準確。

2.3.2 修正后變形計算方法。目前，粘黏土和粉土主要通過壓縮試驗來測定，砂土和碎石土通過標貫試驗來進行測定。

操作人員在試驗的過程中對于土樣的搬運和加工會產(chǎn)生土體的擾動，這使得試驗中的壓縮模量比實際中的要小。從理論上來說，黏性土和粉土比較堅硬，倍數(shù)小，不容易受擾動。而砂土和碎石土的靈敏度高，倍數(shù)大，容易受擾動。

3 CFG樁復(fù)合地基計算方法的數(shù)值分析

在對CFG樁進行復(fù)合研究時，研究復(fù)雜巖土的模擬數(shù)值有重要參考價值，通過對模擬數(shù)值的簡單分析，排除一些限制性因素，如果模型設(shè)計正確，參數(shù)科學(xué)合理，便可以得出正確結(jié)論。還可以任意改變其他各項指標，模擬不同狀況下的敏感性指標，為建立CFG樁復(fù)合地基公式提供可靠依據(jù)。本文利用LAC3D分差程序研究CFG復(fù)合樁。通過分析比較不同的參數(shù)，針對常用的雙重控制條件復(fù)合地基計算數(shù)據(jù)，可能會造成不必要的浪費，著重討論不同承載力的計算公式下復(fù)合地基的沉降，在以往的基礎(chǔ)上改善CFG樁復(fù)合地基的計算方法，從而優(yōu)化CFG樁的地基設(shè)計，以得到實用的結(jié)論。

3.1 FLAC3D理論背景

巖土工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值需要建立在基本方程和邊界條件下進行推導(dǎo)。由于基本方程和邊界條件多是微分方程形式出現(xiàn)，為此可以用差分方程代替基本方程表示，從而將求微分方程的問題改換成求解代數(shù)方程的問題。

FLAC3D求解采用了以下三種計算方法：（1）有限差分法。利用變量中空間和時間的導(dǎo)數(shù)均可以使用有限差分來計算；（2）離散模型法。它將連續(xù)的介質(zhì)分離開來，分為3個主要三維單元，單元間有節(jié)點相連，所有荷載都集中在介質(zhì)代表網(wǎng)格中；（3）動態(tài)松弛法。應(yīng)用支點較為松弛，采用運動方程解答，在逐步計分的過程中添加臨界阻尼，并通過臨界阻尼保持系統(tǒng)平衡。

采用以上三種方法，可以將運動方程轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散形式的節(jié)點式的方程，然后再采用分差的計算方法得到答案。

3.2 本構(gòu)模型的選取

土的本構(gòu)關(guān)系是整理分析實驗結(jié)果分析得出的。使用壓縮儀、平面應(yīng)變儀、真三軸等儀器進行試驗，得出土的應(yīng)變力和應(yīng)變關(guān)系。實驗受到一些因素的干擾，例如：土的應(yīng)力狀況和土的形成過程又是千變?nèi)f化的，有些因素在實驗中是體現(xiàn)不出來的，為此有必要在實驗基礎(chǔ)上提出某些數(shù)學(xué)模型，把這些模型叫做土體的本構(gòu)模型。

本文采用FLAC-3D程序?qū)ωQ向荷載CFG進行模擬。地基土與墊層采用Morh-Coulomb彈塑性模型，樁與基礎(chǔ)承臺采用相同的模型，用樁土模擬面來模擬移動，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》進行模擬計算：

Fa=fak+0.3y（b-3）+1.6ym（d-0.5）=312klPa4 CFG樁復(fù)合地基承載力的驗證

隨著時代的不斷進步與科技的不斷創(chuàng)新，相應(yīng)的計算機模擬軟件技術(shù)也受時代的影響與促進得到更好的發(fā)展。很多傳統(tǒng)的驗算方式與觀測方式已經(jīng)不能滿足對沉降的可靠預(yù)測，因此為了保證驗證假設(shè)的科學(xué)性與合理性，必須收集全部施工過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)的真實性與可靠性進行相應(yīng)的驗證，如此方能確保對CFG樁復(fù)合地基承載力驗證的科學(xué)性、合理性、實用性、可靠性以及精準性。

4.1 分析CFG樁復(fù)合地基工程的實例

4.1.1 工程概述。所驗證工程實例擬建物均使用的是鋼筋混凝土建設(shè)的剪力墻架構(gòu)系統(tǒng)。具體情況如下：樓號：1；建筑面積：11968平；所屬層數(shù)：10/1；基礎(chǔ)形式：筏板；±0.000：47.55；fsk（kPa）：110；fak（kPa）：240；備注；無。

4.1.2 工程建設(shè)的地質(zhì)條件。按照地質(zhì)的沉積年代能夠?qū)⑵浞殖晌宸N地質(zhì)層類，分別是白堊紀泥灰?guī)r、第三紀礫巖、一般第四紀沉積層、新近沉積層以及最頂上的人工堆積層等；按照巖性質(zhì)地或是工程特點區(qū)分包含13個亞層與8個大層。具體詳述如下：（1）人工堆積層是顯露在外的地表層，主要是人工堆積的素填土層、雜填土以及淤泥層；（2）新近沉積層是低于人工堆積層的粉質(zhì)黏土，主要是粉質(zhì)黏土層、重粉質(zhì)黏土層、砂質(zhì)粉土層、中砂或粗砂層；（3）一般第四紀沉積層是在新近沉積層之下，主要是粉質(zhì)黏土層、黏質(zhì)粉土層、砂質(zhì)粉土層、黏質(zhì)粉土層、粉質(zhì)黏土層、粉砂細砂層、砂質(zhì)粉土層、重粉質(zhì)黏土層、中砂層、圓礫卵石層、粗砂或細砂層；（4）白堊紀泥灰?guī)r與第三紀礫巖是在一般第四紀沉積層以下，主要是以強風(fēng)化泥灰?guī)r層為主。

4.1.3 工程建設(shè)的水文條件。鉆孔探測地下水位，可根據(jù)其深度分為三種水文條件，分別是淺水層、承壓水、承壓靜止水。

4.2 分析與結(jié)論

經(jīng)測試，修正壓縮模量后沉降的結(jié)果符合實測結(jié)果。

5 結(jié)語

我國對CFG樁復(fù)合地基的運用已有將近30年的歷史經(jīng)驗，與樁基進行對比，CFG樁復(fù)合地基所采用的材料，可以添加其他的工業(yè)材料，如工業(yè)廢料粉煤灰等，而其承載能力不會受其他材料的運用而造成能力影響，能夠最大化地發(fā)揮其承載力，具有非常明顯的經(jīng)濟效益與社會效益，現(xiàn)已成為我國對地基進行處理的一種比較廣泛的應(yīng)用技術(shù)。

參考文獻

[1] 何世鳴，趙振國，吳盛斌，夏柏如，程金霞.CFG短樁復(fù)合地基沉降規(guī)律的研究[J].長春工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，（3）.

[2] 范偉霞，周建，俞亞南，劉克萍.CFG樁復(fù)合地基承載力公式β參數(shù)取值分析[J].工業(yè)建筑，2006，（3）.

作者簡介：紀輝（1970-），男，北京人，河北中色華冠巖土工程有限公司工程師，研究方向：工業(yè)及民用建筑、市政工程等巖土工程勘察設(shè)計、地基處理設(shè)計、基坑工程設(shè)計等。

（責(zé)任編輯：小 燕）