南京市江寧區(qū)某別墅CFG樁地基處理與優(yōu)化設(shè)計

趙云輝 （防災(zāi)科技學(xué)院，河北 廊坊 065200）

1 引言

我國是一個擁有九百六十多萬平方公里國土面積的大國，地域遼闊、幅員廣大，由于各個地區(qū)的地理環(huán)境不一樣，從而導(dǎo)致各個地區(qū)的土質(zhì)與土層情況也不盡相同，而地基條件也有很強的區(qū)域性；隨著土木工程技術(shù)的發(fā)展和當前世界經(jīng)濟不斷繁榮，現(xiàn)階段修建的建筑物或構(gòu)筑物的高度是越來越高，建筑物或者構(gòu)筑物的高度不同，對地基的強度要求也就不一樣[1]。當人們選擇在地質(zhì)不良的地區(qū)修建建筑物或者構(gòu)筑物時，就要對天然地基進行人工改良或處理，從而使其滿足工程需求。

CFG樁（全稱水泥粉煤灰碎石樁）是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘結(jié)強度的樁，它和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基[2]。

桑松魁[3]等依托靜荷載試驗和場地勘察報告研究了影響CFG嵌巖短樁承載性狀和沉降變形的主要因素，發(fā)現(xiàn)CFG樁復(fù)合地基的沉降變形主要來自樁身的壓縮量；蔡杰龍[4]等以廣東省內(nèi)某大型水利樞紐工程中的混凝土縱向圍堰為例，介紹了CFG樁復(fù)合地基設(shè)計要求、技術(shù)參數(shù)和施工工藝，并利用試驗檢測其應(yīng)用效果。結(jié)果表明，CFG樁能滿足設(shè)計要求，處理完成的地基沉降量均勻，地基承載效果良好。李松然[5]針對灰土擠密樁和CFG樁的施工要求，以及具體設(shè)計和相關(guān)效果進行討論，并且提出了具體的運用策略和運用方法，可以為實際工程提供參考依據(jù)。曾華健[6]等利用PLAXIS 3D有限元研究了強夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基進行地基處理的效果，分析了強夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基的加固機理，對地基處理后不同荷載作用下差異沉降進行了計算。

通過總結(jié)以上研究成果，目前大部分學(xué)者對于CFG樁的研究內(nèi)容包括CFG樁本身的性能以及加固效果，隨著現(xiàn)代科技的進步，地基處理方法也在不斷改善，地基處理技術(shù)也在進步[7]。如近年來興起的振沖法、預(yù)浸水法、CFG樁、加筋法及井點降水法等地基處理技術(shù)先后被開發(fā)使用，并且效果良好。

為了掌握CFG樁的應(yīng)用效果，并為國內(nèi)外相關(guān)工程提供參考依據(jù)，本文對CFG樁復(fù)合地基在處理中的應(yīng)用進行了研究。

2 CFG樁工程設(shè)計應(yīng)用

2.1 工程概況及地質(zhì)條件

工程為南京市江寧區(qū)某水庫旁的一棟別墅，擬建場地原為山坡荒地，經(jīng)人工推填整平，地形總體上西北高、東南低。別墅下設(shè)1層獨立地下室、底板埋深3.6m。地基持力層承載力標準值為200kPa。要求地基承載力設(shè)計值達到360kPa。設(shè)計地坪標高 85.90m～88.30m。本場地按現(xiàn)整平標高考慮均為填方區(qū)，若先回填整平再開挖施工，不僅施工難度大且大幅增加建設(shè)成本。

地基土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表 表1

根據(jù)野外勘察揭露、現(xiàn)場測試及室內(nèi)試驗成果分析，擬建場地在勘探深度范圍內(nèi)，可劃分4個工程地質(zhì)大層6個亞層，地基土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表詳見表1。

2.2 CFG樁工程及優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[8]，計算過程如下：

首先確定面積置換率，按下式計算：

式中m為面積置換率；d0為樁的直徑（mm)；ds為樁的間距（mm）；

然后計算增強體單樁豎向承載力特征值，按下式計算：

式中，up為樁的周長（m)；qsi為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力特征值（kPa)，按當?shù)亟?jīng)驗取值；qp為樁的極限端阻力特征值（kPa)，按地區(qū)經(jīng)驗取值；αi為樁端阻力發(fā)揮系數(shù)，對CFG樁可取1.0；li為第i層土的厚度（m）。

按下式計算復(fù)合地基承載力特征值：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，宜按當?shù)亟?jīng)驗，無經(jīng)驗時，可取0.7～0.9，此處取0.8；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，宜按當?shù)亟?jīng)驗，無經(jīng)驗時可取0.8～1.0，取0.9；AP為樁的截面積（m2）；Ra為單樁承載力特征值（kN）；fsk為處理后樁間土特征值，取130kPa。

由公式知當樁長、面積置換率一定時樁徑越大復(fù)合地基承載力越小，反之當樁長、樁徑確定時，為了保證復(fù)合地基承載力則面值置換率增加，所以當選擇尺寸時優(yōu)先選擇樁徑小的，為了便于施工此處選擇400mm。

0.4m樁徑的復(fù)合地基承載力統(tǒng)計表 表2

經(jīng)CFG樁處理后的地基，當考慮基礎(chǔ)寬度和埋深對地基承載力進行修正時，寬度不做修正，即基礎(chǔ)寬度的地基承載力修正系數(shù)為0，基礎(chǔ)埋深的地基承載力修正系數(shù)為1。經(jīng)深度修正后的復(fù)合地基承載力計算公式為

式中：γm為基礎(chǔ)底面以下土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度，取值17.76；d為基礎(chǔ)埋置深度，對于地下室，如采用箱型基礎(chǔ)或筏形基礎(chǔ)時從室內(nèi)地面標高算起，取8.0。由于工程需要fa=500kPa，因此 fspk=fa-γm（d-0.5）=366.8kPa。

由公式（1）知，面積置換率m與樁徑d0、樁間距 ds有關(guān)，將 d0、ds公式（1）代入公式（2）、公式（3）得：

從復(fù)合地基承載力與樁長、樁徑、樁距的關(guān)系知，提高承載力需要樁長越長越好，樁距越小越好，樁徑越大越好。從經(jīng)濟角度看，在滿足安全的前提下，樁長與樁徑都越小越經(jīng)濟，樁距越大越經(jīng)濟。初步確定的樁長范圍是15m～18m，樁徑范圍為350mm～600mm，樁距范圍為1.5m～2.2m，初選方案為樁長16m，樁徑400mm，間距1200mm。

樁長16m、樁徑400mm的復(fù)合地基承載力計算結(jié)果見表2。

用分層總和法計算復(fù)合地基沉降量，計算公式為：

式中：S為地基最終沉降量（mm）；S'為按分層總和法計算地基沉降量；φs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；n是地基沉降計算深度內(nèi)所劃分的土的層數(shù)；P0為對應(yīng)于荷載標準值時的基礎(chǔ)底面處的附加應(yīng)力，取400kPa；Esi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，加固區(qū)按復(fù)合模量計算；Zi，Zi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離（m）；αi，αi-1——基礎(chǔ)底面計算點至第i層、i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)；

按分層總和法計算，分層厚度為1m。

復(fù)合土層的分層與天然地基相同，各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ倍，ζ值可按下式確定：

式中：fak為基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值(kPa)。

分層總和法CFG樁沉降計算 表3

分層總和法計算結(jié)果見表3。

樁長16m處理層深度在第6層，地基變形計算深度Zn應(yīng)符合下式要求：

式中：ΔS'n為在計算深度范圍內(nèi)，第i層土的計算變形值；ΔS'n為在由計算深度向上取深度為Δz的土層計算變形值，基礎(chǔ)寬度b=9m，取Δz=1.0m。當壓縮層在第4層時，總沉降量s=87.67mm<200mm，符合要求。

復(fù)合地基的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)φs可根據(jù)地區(qū)沉降觀測資料統(tǒng)計值確定，無經(jīng)驗取值時，可采用表4的數(shù)值。

沉降計算經(jīng)驗系數(shù)φs 表4

Es為變形計算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當量值，應(yīng)按下式計算：

式中：Ai為加固土層第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值；Aj為加固土層下第j層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值。經(jīng)計算，地基總沉降為87.67mm，取經(jīng)驗系數(shù)0.20，最終沉降為17.54mm。

3 CFG樁工程量及費用計算

工程費用的多少主要取決于材料的用量，而CFG樁總用材主要是由樁數(shù)n、樁長L、樁截面積AP確定：

式中：A為場地建筑物的總面積，所以總用材只與樁長和面積置換率有關(guān)，且與樁長成正比，與面積置換率的平方成正比。因此設(shè)計時優(yōu)先選擇樁間距大、樁徑小的樁。

根據(jù)規(guī)范[9]計算布樁數(shù)：

式中：A為基礎(chǔ)底面面積m2；Ap為樁截面面積。理論布樁數(shù)為153根，實際布樁數(shù)要比理論的多，實際布樁數(shù)為167根。

當復(fù)合地基承載力進行基礎(chǔ)埋深的深度修正時，增強體樁身強度應(yīng)滿足公式：

式中：fcu為樁體混合料試塊（邊長150mm立方體）標準養(yǎng)護28d抗壓強度平均值（kPa），經(jīng)計算為 17.5MPa。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[10]要求，同時考慮荷載、地層、樁長影響因素，設(shè)計需采用標號C20的商品混凝土方，施工時以試驗室提供的配合比為準。經(jīng)了解，南京地區(qū)CFG樁工程綜合單價為380元/m3，工作內(nèi)容包括工程樁的成孔、混凝土灌注、泵送、破樁頭及配合樁淤泥與樁間土清運技術(shù)管理以及與當?shù)卮迕竦膮f(xié)調(diào)等內(nèi)容，綜合單價均包含直接工程費、措施費、管理費、人工費、利潤、稅金、設(shè)備進出場費、材料試驗費、技術(shù)資料費及各種可能風險等所有費用。綜合單價組成明細見表5。

CFG綜合單價組成明細表 表5

單樁混凝土方量為施工樁長與設(shè)計斷面面積的乘積，本工程單樁混凝土方量為（16+0.5）×0.1256=2.03m3，其中，施工樁長為設(shè)計有效樁長加上0.5m虛樁的長度。工程造價為綜合單價、單樁混凝土方量、損耗系數(shù)（本工程為1.17）、樁數(shù)四個量的乘積，經(jīng)計算，工程的造價為150723.85元。

4 結(jié)論

本文主要詳細介紹了采用CFG樁復(fù)合地基處理方法對南京市江寧區(qū)某別墅進行地基處理的計算過程，主要結(jié)論如下。

①本工程采用CFG樁進行地基處理的主要參數(shù)及具體方案為：樁徑400mm，有效樁長為16m，樁間距為1200m，采用矩形方式布樁，使用167根CFG樁，褥墊層厚度為200mm，褥墊層材料為碎石或級配砂石。經(jīng)計算，設(shè)計地基沉降量為87.67mm，工程造價為15.07萬元。

②采用CFG樁進行地基處理計算應(yīng)該綜合考慮，提高承載力需要樁長越長越好，樁距越小越好，樁徑越大越好。從經(jīng)濟角度看，在滿足安全的前提下，樁長與樁徑都越小越經(jīng)濟，樁距越大越經(jīng)濟。

③CFG樁復(fù)合地基樁端具有非常明顯的樁端阻力承受效果，處理后的復(fù)合地基承載力和地基沉降量均符合設(shè)計要求。并且CFG樁進行地基處理施工簡便，振動及噪聲小，本文能為實際工程提供參考依據(jù)。