淺析CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算

高?春?卓志榮

（中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000）

淺析CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算

高?春?卓志榮

（中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000）

水泥粉煤灰碎石樁法在軟土地基處理中得到廣泛使用， 這種樁能充分利用工業(yè)廢渣廢料，且具有施工速度快、工期短、質(zhì)量容易控制、工程造價(jià)低的特點(diǎn)，近年來(lái)隨著其理論和工藝的不斷提高，應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣。本文主要介紹CFG樁特點(diǎn)、CFG樁單樁豎向承載力的確定、CFG樁復(fù)合地基承載力和CFG樁復(fù)合地基變形計(jì)算。

單樁豎向承載力；復(fù)合地基承載力 ；復(fù)合地基變形計(jì)算

水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）法適用于處理粘性土、粉土、砂土和已自重固結(jié)的素填土等地基。對(duì)淤泥質(zhì)土應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。水泥粉煤灰碎石樁應(yīng)選擇承載力相對(duì)較高的土層作為樁端持力層。同時(shí)，CFG樁復(fù)合地基屬于剛性樁復(fù)合地基，具有承載力提高幅度大、地基變形小等優(yōu)點(diǎn)，可適用于以承受豎向荷載為主的基礎(chǔ)，如條形基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)等。

隨著CFG樁設(shè)計(jì)施工技術(shù)的成熟和推廣，該項(xiàng)成果在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。具體特點(diǎn)如下：（1）具有承載力提高幅度大，地基變形小。（2）具有高粘結(jié)強(qiáng)度，屬于剛性樁。（3）經(jīng)濟(jì)效益好，與樁基礎(chǔ)相比，由于CFG樁樁體材料可以摻入工業(yè)廢料粉煤灰，不配鋼筋以及充分發(fā)揮樁間土的承載能力，工程造價(jià)一般為樁基礎(chǔ)的1/3～1/2。（4）社會(huì)效益好，在有條件的地方應(yīng)盡量利用工業(yè)廢料作為摻和料，廢料利用，社會(huì)效益非常顯著。（5）施工工藝簡(jiǎn)單，施工速度快，工期短。（6）質(zhì)量容易控制。

由于CFG樁設(shè)計(jì)施工技術(shù)在工程中的成熟和推廣，使得CFG樁的需求很大，而實(shí)際的工業(yè)廢料粉煤灰有限。因此，在實(shí)際工程中很多CFG樁的樁體材料被素混凝土代替，它在樁體材料配合比上比素混凝土樁更追求經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)點(diǎn)并沒(méi)有完全體現(xiàn)出來(lái)。

1 豎向荷載作用下樁、土受力特性

CFG樁、樁間土和褥墊層一起形成了復(fù)合地基，屬地基范疇。盡管有時(shí)CFG樁樁體強(qiáng)度等級(jí)與樁基中的樁的強(qiáng)度等級(jí)相同，但由于在CFG樁和基礎(chǔ)之間設(shè)置了褥墊層，在豎向荷載作用下，樁基中的樁、土受力和CFG樁復(fù)合地基中的樁、土受力有著明顯的不同。

對(duì)于CFG樁復(fù)合地基，當(dāng)基礎(chǔ)承受豎向荷載時(shí)，樁和樁間土都要發(fā)生沉降變形。樁的模量遠(yuǎn)比土的模量大，故樁比土的變形小；由于基礎(chǔ)下面設(shè)置了一定厚度的褥墊層，樁可以向上刺入。伴隨這一變化過(guò)程，墊層材料不斷調(diào)整補(bǔ)充到樁間土上，以保證在任一荷載作用下樁和樁間土始終參與工作。由于褥墊層的設(shè)置，隨著時(shí)間的變化，樁間土表面的變形不斷增加，但樁和土的荷載分擔(dān)均為一常值，它不隨時(shí)間的變化而改變。荷載較小時(shí)，土承擔(dān)的荷載大于樁承擔(dān)的荷載；隨著荷載的增加，樁間土承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比逐漸減小，樁承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比逐漸增大。CFG樁復(fù)合地基中，任一荷載下樁頂?shù)某两?、樁間土表面的沉降以及基礎(chǔ)的沉降均不相同。由于褥墊層的設(shè)置，無(wú)論樁端落在軟土層還是硬土層上，CFG樁復(fù)合地基從加載一開(kāi)始樁就存在一個(gè)負(fù)摩擦區(qū)。土對(duì)樁的負(fù)摩擦作用并非有害，它對(duì)提高樁間土的承載力、減少?gòu)?fù)合土層的變形起著有益的作用。剛性基礎(chǔ)下樁間土上的應(yīng)力分布趨勢(shì)為，在基礎(chǔ)邊緣應(yīng)力較大，在基礎(chǔ)中間部分應(yīng)力較小。

2 CFG樁單樁豎向承載力特征值Ra的確定

單樁豎向承載力特征值Ra的取值，應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）當(dāng)采用單樁載荷試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)2。

（2）當(dāng)無(wú)單樁載荷試驗(yàn)資料時(shí)，可按下式估算［3］：

式中，Up為樁的周長(zhǎng)，n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)，qsi、qp為樁周第i層土的側(cè)阻力、樁端端阻力特征值，可按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007 有關(guān)規(guī)定確定，li為第i層土的厚度。

3 CFG樁復(fù)合地基承載力特征值的計(jì)算

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5007—2002）對(duì)復(fù)合地基承載力給出了確定原則，即復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定，或采用增強(qiáng)體的載荷試驗(yàn)結(jié)果和其周邊土的承載力特征值結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范》（JGJ79—2002）同樣強(qiáng)調(diào)復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)時(shí)可按下式估算［3］：

式中，fspk為復(fù)合地基承載力特征值；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值；Ap為樁的截面積；β為樁間土承載力折減系數(shù)，宜按地區(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；fsk為處理后樁間土承載力特征值，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，如無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可取天然地基承載力特征值。

實(shí)際工程中，有條件先在擬建場(chǎng)地做現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，可為設(shè)計(jì)提供可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)。而很多情況下是在無(wú)試驗(yàn)資料條件下按式（2）估算復(fù)合地基承載力，但要結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，合理確定Ra、fspk、β等的取值。出于對(duì)工程安全的考慮，希望公式計(jì)算值接近但不大于載荷試驗(yàn)結(jié)果，而大量試驗(yàn)結(jié)果表明，公式計(jì)算結(jié)果一般不大于載荷試驗(yàn)結(jié)果。分析其原因，主要有以下三點(diǎn)［1～5］：

（1）地基中的單樁與自由單樁承載性狀不同：嚴(yán)格地說(shuō)，式（2）中的Ra應(yīng)為復(fù)合地基中單樁豎向承載力特征值，而在實(shí)際計(jì)算中，采用的是自由單樁豎向承載力特征值。復(fù)合地基中的單樁不同于自由單樁的一個(gè)重要特點(diǎn)是，由于樁間土應(yīng)力在樁側(cè)土中產(chǎn)生一個(gè)較大的豎向應(yīng)力增量，使得樁的承載特性與自由單樁不同。復(fù)合地基中單樁承載力要比自由單樁承載力大，用自由單樁試驗(yàn)結(jié)果估算復(fù)合地基中單樁承載力是偏于安全的。

（2）復(fù)合地基中的樁間土和天然地基的承載特性不同。分析原因，主要由于樁和褥墊層的參與，一般認(rèn)為有兩個(gè)方面：

1）樁的約束作用：復(fù)合地基中樁的存在，使樁間土的側(cè)向變形受到限制，從而使土的豎向變形減小。樁對(duì)樁間土的約束作用同樁的數(shù)量和置換率有關(guān)。單樁復(fù)合地基，樁的約束作用最小，群樁復(fù)合地基，樁數(shù)越多，置換率越大，則約束作用越大。

2）負(fù)摩擦區(qū)的影響：由于褥墊層的設(shè)置，復(fù)合地基中樁存在負(fù)摩擦區(qū)，如圖1。在該區(qū)，樁給樁間土一個(gè)向上的作用力，其作用是阻止樁間土的變形。

圖1 復(fù)合地基中樁的摩阻力示意圖

因此，如采用天然地基承載力特征值計(jì)算復(fù)合地基承載力，其結(jié)果也是偏于安全的。

(3）計(jì)算公式（2）引入了小于1的折減系數(shù)β。β與樁間土承載能力發(fā)揮程度有關(guān)，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值，無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取0．75～0．95。由于β小于1，使公式計(jì)算結(jié)果偏于安全。

4 復(fù)合地基變形計(jì)算

對(duì)于復(fù)合地基的沉降變形有兩部分組成，第一部分是復(fù)合加固區(qū)的沉降變形S1，加固區(qū)的沉降變形從計(jì)算方法上有：復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法（Es法）、樁身壓縮量法（Ep法）等。第二部分是加固區(qū)以下下臥層的沉降變形S2，褥墊層的沉降變形在施工過(guò)程中基本完成，計(jì)算時(shí)可不考慮，計(jì)算方法采用等效作用分層總和法。其總沉降變形量s基本表達(dá)式為：S=S1+S2。地基土分層如圖2所示。

圖2 復(fù)合地基中地基土分層示意圖

（1）加固區(qū)的沉降變形［4～8］：加固區(qū)的沉降變形從計(jì)算方法采用規(guī)范推薦復(fù)合模量法，計(jì)算方法是將加固區(qū)中的樁體和樁間土作為復(fù)合體，復(fù)合體的壓縮模量采用分層復(fù)合模量（Espi），分層按天然土層劃分，采用分層總和法計(jì)算S1：

式中，△pi一第i層復(fù)合土附加應(yīng)力增量；hi一第i層復(fù)合土的厚度；n一復(fù)合土分層總數(shù)；Espi—第i層復(fù)合土的復(fù)合模量。《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79—2002）規(guī)定應(yīng)按分層總和法，復(fù)合土層的分層與天然地基相同，各復(fù)合土層的復(fù)合模量Espi按下式確定：

Esi一基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量；S一復(fù)合模量系數(shù)；fspk一復(fù)合地基承載力特征值；fak一基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值。

當(dāng)樁端未全部進(jìn)入第⑤層土?xí)r，如圖2所示，樁端入土部分的土層屬于加固區(qū)土層，樁未達(dá)到的土層為下臥層土層，該層土上部采用復(fù)合模量，下部采用天然土的壓縮模量，計(jì)算時(shí)要注意。

（2）下臥層的沉降變形：加固區(qū)以下下臥層的沉降變形S2，采用應(yīng)力擴(kuò)散后的應(yīng)力計(jì)算，用擴(kuò)散后應(yīng)力作用寬度作為計(jì)算寬度，采用分層總和法計(jì)算。其總沉降變形量s基本表達(dá)式為：S=S1+S2。

5 結(jié)論

本文主要介紹了CFG樁的特點(diǎn)、單樁承載力的確定、復(fù)合地基承載力及地基變形的計(jì)算。復(fù)合地基在我國(guó)地基處理中應(yīng)用與發(fā)展了近40年，CFG樁復(fù)合地基是我國(guó)推廣的新樁法之一。CFG樁與樁間土共同通過(guò)與基礎(chǔ)間的柔性褥墊層始終與整個(gè)基礎(chǔ)底面接觸，形成了樁土協(xié)和體，顯著提高了地基承載力。同時(shí)使其地基承載力具有較強(qiáng)的變調(diào)性質(zhì)，從而使其應(yīng)用范圍的彈性較其他柔性樁或剛性樁大得多。因此，水泥粉煤灰碎石樁法復(fù)合地基在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。

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2016-07-18