CFG樁復(fù)合地基承載性狀的研究

韓永強(qiáng)，朱雪珂

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的大力快速發(fā)展，高層、超高層建筑在人們的生活中越來(lái)越普遍。由于高層建筑基礎(chǔ)荷載重、面積大、埋置深，天然地基難以滿足建筑物對(duì)地基承載力(變形)的要求，因此在高層、超高層的建筑工程中，CFG樁復(fù)合地基被廣泛應(yīng)用，還被列入國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)CFG樁由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，又稱為水泥粉煤灰碎石樁(Cement Fly-Ash Gravel，Pile)。常用于和樁間土、褥墊層形成新型復(fù)合地基，共同承擔(dān)建筑物荷載，如圖1所示。20世紀(jì)80年代末，中國(guó)建筑科學(xué)研究院研發(fā)了這種地基處理的新技術(shù)，不但可以大幅度提高地基承載力、有效減少地基施工后沉降等特點(diǎn)，并且具有良好地消除地基的不均勻變形的適應(yīng)性[1-3]。

CFG樁、樁間土以及褥墊層共同組成剛性復(fù)合地基。由于CFG樁樁體自身剛度大，可以使荷載從樁頂向樁底部傳遞過(guò)程中有很大的可調(diào)性，所以與一般柔性樁復(fù)合地基相比，地基承載力大幅度提高。此外，CFG樁復(fù)合地基在充分發(fā)揮樁承載力的同時(shí)，樁可以沿著整個(gè)樁長(zhǎng)發(fā)揮側(cè)摩阻力和端摩阻力，使得樁間土一起參與受荷工作，能夠大幅增加承載力并減少沉降。CFG樁復(fù)合地基廣泛應(yīng)用于處理各種地基加固中[4-5]，包括黏性土、粉土、砂土和自重固結(jié)已完成的素填土等地基的處理。

1 工程概況

某高層住宅樓采用剪力墻結(jié)構(gòu)、筏板基礎(chǔ)。地基處理采用C20的CFG樁提高地基承載力，CFG樁樁徑500 mm，樁長(zhǎng)24 m，樁間距1.6 m，按正三角形梅花形滿堂布置，總樁數(shù)660根，復(fù)合地基承載力特征值不小于450 kPa。場(chǎng)地工程地質(zhì)條件如表1所示。

圖1 CFG樁復(fù)合地基示意圖

現(xiàn)場(chǎng)CFG單樁及單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，最大加載壓力已達(dá)到設(shè)計(jì)要求壓力值的2倍(即900 kPa)，可滿足住宅樓復(fù)合地基承載力的設(shè)計(jì)要求。

1.1 CFG樁復(fù)合地基承載力計(jì)算

CFG樁復(fù)合地基承載力計(jì)算結(jié)果見表2。

(1) 復(fù)合地基承載力驗(yàn)算[6-8]。由JCCAD計(jì)算得出：基底壓力標(biāo)準(zhǔn)值Pk=450 kPa；計(jì)算車庫(kù)等效覆土深度d=1.25 m，深度修正的基礎(chǔ)埋深d=3.75 m，有效重度取值15 kN/m3。

最終得到復(fù)合地基承載力為490 kPa≤fspk。

(2) 樁身強(qiáng)度驗(yàn)算：當(dāng)復(fù)合地基承載力進(jìn)行基礎(chǔ)埋深的深度修正時(shí)，增強(qiáng)體樁身強(qiáng)度應(yīng)滿足：

(1)

(2)

樁身強(qiáng)度取C25，滿足要求。

1.2 CFG樁復(fù)合地基沉降計(jì)算

選取樁徑為500 mm，樁長(zhǎng)為24 m的CFG樁進(jìn)行沉降計(jì)算。計(jì)算場(chǎng)地平面長(zhǎng)度27 m，寬度14 m，計(jì)算荷載為滿堂450 kPa，計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2所示，基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 承載力計(jì)算表

圖2 沉降計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2002)，復(fù)合地基最終沉降量S，按下式計(jì)算：

(3)

沉降計(jì)算點(diǎn)(x=0.000 m，y=0.000 m)各層土的壓縮情況如表4所示。

表4 沉降計(jì)算點(diǎn)各層土的壓縮表

對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)圖中1#、2#、3#、4#、5#進(jìn)行沉降計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，工程中所選取的參數(shù)(樁徑、樁間距等)，其復(fù)合地基的最大沉降量滿足設(shè)計(jì)沉降要求[9]。

表5 復(fù)合地基沉降計(jì)算表

2 數(shù)值模擬分析

復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比和沉降之間聯(lián)系密切，對(duì)CFG樁復(fù)合地基的承載力性能有較大的影響[10-11]。數(shù)值分析采用MIDAS/GTS NX有限元計(jì)算軟件，建立有限元分析模型，分析樁土應(yīng)力比和沉降之間的關(guān)系。模型建立如圖3所示。

圖3 CFG樁分析模型

模型選取半徑為2.4 m的圓柱體為土體范圍，結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性的選取參照設(shè)計(jì)圖紙與地質(zhì)勘探資料。通過(guò)利用MIDAS有限元法，能夠計(jì)算得出CFG樁復(fù)合地基的不同褥墊層厚度、不同置換率對(duì)復(fù)合地基的影響。有限元計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 CFG樁復(fù)合地基有限元計(jì)算簡(jiǎn)圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 不同褥墊層厚度對(duì)復(fù)合地基承載力的影響

樁頂和基礎(chǔ)之間應(yīng)設(shè)置褥墊層[12-14]，通常褥墊層厚度宜為樁徑的40%～60%[15]。褥墊一般選用最大粒徑不大于30 mm的中砂、粗砂、級(jí)配砂石和碎石等材料，采用靜力壓實(shí)法，夯填度不應(yīng)大于0.90。當(dāng)其他條件一定時(shí)，從圖5可以看出樁土應(yīng)力比隨褥墊層厚度的增大而減小。當(dāng)褥墊層厚度大于300 mm時(shí)，樁土應(yīng)力比趨于穩(wěn)定，充分發(fā)揮了樁間土的承載力。由于樁間土表面的荷載作用，會(huì)產(chǎn)生水平向和豎向附加應(yīng)力在樁側(cè)土單元體，水平向附加應(yīng)力增大了側(cè)阻力作用在樁表面上；豎向附加應(yīng)力則大大提高了單樁承載力，褥墊層的作用得到充分地發(fā)揮。

調(diào)整合理褥墊層的厚度不但可以減小地基沉降，還可以消除地基不均勻沉降。從圖6可以看出，當(dāng)褥墊層厚度大于300 mm時(shí)地基沉降反而增大，這是由于樁間土分擔(dān)的荷載過(guò)多。因此合理的褥墊層厚度可以調(diào)節(jié)復(fù)合地基中的樁、樁間土的荷載分擔(dān)，確保樁與土能夠共同承擔(dān)荷載。本工程的褥墊層合理厚度為300 mm左右。

圖5 褥墊層厚度對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

圖6褥墊層厚度對(duì)地基沉降的影響

3.2 不同置換率對(duì)復(fù)合地基承載力的影響

由圖7和圖8可以說(shuō)明，隨置換率[16](樁的端面積與土體面積之比)的增大，樁土應(yīng)力比減少，達(dá)到0.08時(shí)趨于穩(wěn)定；由于復(fù)合地基中樁的面積占比增大，所以復(fù)合地基的樁體會(huì)承擔(dān)更多的荷載，不但達(dá)到提高整個(gè)復(fù)合地基的承載力的設(shè)計(jì)目的，而且基礎(chǔ)沉降也會(huì)產(chǎn)生明顯的減小。因此，在實(shí)際工程中可以通過(guò)采取增大置換率的方法來(lái)提高復(fù)合地基承載力和降低地基沉降量。

圖7 置換率對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

圖8置換率對(duì)地基沉降的影響

4 結(jié) 論

本文以理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，得出CFG樁復(fù)合地基的公式計(jì)算沉降量和有限元分析結(jié)果相符。首先對(duì)CFG樁復(fù)合地基的承載性狀進(jìn)行了理論研究，再利用MIDAS有限元軟件，分析了褥墊層厚度、置換率對(duì)樁復(fù)合地基的承載特性的影響。主要結(jié)論如下：

(1) 樁土應(yīng)力比與地基變形沉降量隨著褥墊層厚度的增大而逐漸減小。當(dāng)褥墊層厚度超過(guò)某一限值時(shí)，樁的優(yōu)點(diǎn)得不到發(fā)揮，沉降量反而會(huì)增加；太薄時(shí)，復(fù)合地基應(yīng)力過(guò)于集中在樁體，土很難發(fā)揮作用。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，褥墊層能夠確保樁土共同工作，為更好地協(xié)調(diào)樁、樁間土間的荷載分擔(dān)，褥墊層厚度的取值尤為重要，一般為樁徑40%～60%。

(2) 隨著置換率的增大，樁土應(yīng)力比和沉降量逐漸減小，樁土應(yīng)力比趨于穩(wěn)定。

(3) 通過(guò)樁復(fù)合地基的工程設(shè)計(jì)實(shí)例，并與MIDAS有限元結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了CFG樁復(fù)合地基的承載力和沉降的可靠性。