探討CFG樁在復(fù)合地基設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)

張 華（廈門中平公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門361010）

CFG(Cement Fly-ash Gravel)樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱。CFG樁是把碎石和適量的石屑、粉煤灰、水泥加水拌和，一般采用振動成管樁的設(shè)備，制成一種具有較高粘結(jié)強(qiáng)度的樁體，屬于低強(qiáng)度樁復(fù)合地基的一種，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、承載力提高幅度大、沉降量小的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于高等級道路橋頭路基及構(gòu)造物等承載力要求高、沉降量要求小的路段。本文通過在佛山市順德快速干線高富路的橋頭軟基處理設(shè)計(jì)總結(jié)，對CFG樁等復(fù)合地基在高等級道路設(shè)計(jì)應(yīng)用中要點(diǎn)和注意事項(xiàng)加以闡述，先后介紹了CFG樁的設(shè)計(jì)、材料配合比設(shè)計(jì)以及CFG樁的施工工藝和質(zhì)量檢驗(yàn)等。

1 工程概況

工程實(shí)例：佛山市順德快速干線高富路位于珠江三角洲中部地區(qū)，地勢低洼，高程一般在2～4m，屬河流相一級階地，人工魚塘星羅棋布，工程條件差，地層主要有表層素填土、淤泥質(zhì)土、粉砂、圓礫組成。該項(xiàng)目沿線跨路、跨河橋梁眾多，本文以該工程西登中橋橋頭K27+007～K27+067軟基處理設(shè)計(jì)為例，該路段各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

橋頭路基設(shè)計(jì)長度60m（K27+007～K27+067），路基填土高度4～6m，邊坡坡率為1：1.5，路基寬度60m，采用CFG樁+土工格柵聯(lián)合處理，要求加固路段復(fù)合地基承載力不小于120KPa，工后沉降小于10cm，。

2 確定施工方案

初勘鉆探過程，該段路的鉆孔上部地層有薄層淤泥質(zhì)粘性土，具腥味，含腐殖質(zhì)，軟塑狀，具軟土性質(zhì)。土工試驗(yàn)結(jié)果表明土的天然含水量為35%左右，空隙比0.9～1.1，壓縮系數(shù)0.5左右，接近軟土指標(biāo)，為淤泥質(zhì)軟土。軟土一般埋深3.0～10.4m，厚度2.0m左右。

根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，采用理正軟基程序計(jì)算，該路基段工后沉降在14～23cm之間。根據(jù)高速公路容許工后沉降要求，本項(xiàng)目路基一般路段工后沉降滿足規(guī)范要求，不需要進(jìn)行特殊處理。

根據(jù)軟土地勘指標(biāo)并結(jié)合佛山市順德快速干線軟土地基的處治經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目初定橋頭高路堤采用加固樁復(fù)合地基處理，其常見的加固樁有CFG樁、擠密碎石樁、水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁。通過比選，推薦本項(xiàng)目軟土地基采用CFG樁進(jìn)行處理。

3 CFG樁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 CFG樁復(fù)合地基承載力

CFG樁復(fù)合地基承載力應(yīng)通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定，也可按以下公式估算

式中： fspk為復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值；m為面積置換率；AP為樁的截面積；為單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)通過現(xiàn)場單樁載荷試驗(yàn)確定；α為樁間土強(qiáng)度提高系數(shù)；β為樁間土承載力折減系數(shù)；fsk為樁間土天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2 CFG樁復(fù)合地基的沉降

路堤下低強(qiáng)度樁會發(fā)生上刺和下刺，因此復(fù)合地基沉降除主要由加固區(qū)沉降和下臥層沉降組成外，還要考慮樁的上、下刺入量及墊層壓縮量。

當(dāng)?shù)鼗鶝]有軟弱下臥層時(shí)，復(fù)合地基沉降以加固區(qū)壓縮量為主，總沉降量隨樁間距的減小而減??；如果樁體下部有一定深度的軟土層，則由于樁端應(yīng)力向下部擴(kuò)散，下臥層產(chǎn)生較大沉降，此時(shí)控制下臥層沉降成為整個(gè)地基沉降控制的重點(diǎn)。加固區(qū)沉降計(jì)算方法一般有復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法、樁身壓縮量法等；下臥層沉降的計(jì)算方法目前常采用分層總和法；樁體的上、下刺入量的計(jì)算是目前沉降計(jì)算的一個(gè)難點(diǎn)，對一般工程可簡單估算，但重要工程需進(jìn)行計(jì)算。

3.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)主要確定5個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，分別為樁長、樁徑、樁間距、樁體強(qiáng)度、褥墊層厚度。

1)樁長。CFG樁復(fù)合地基要求樁端落在好的土層上，這是CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，樁長取決于建筑物對承載力和變形的要求、土質(zhì)條件和設(shè)備能力等因素。根據(jù)現(xiàn)有條件，CFG樁的最大樁長一般不大于30m。

2)樁徑。CFG樁樁徑的確定取決于采用的成樁設(shè)備條件，一般樁徑為35～60cm。經(jīng)過大量的實(shí)踐證明通常樁徑不宜設(shè)計(jì)太大。

3)樁間距。一般樁間距s=(3～5)d，樁間距的大小取決于設(shè)計(jì)要求的復(fù)合地基承載力和變形、土性和施工機(jī)具，一般設(shè)計(jì)要求的承載力大時(shí)，取小間距，但必須考慮施工時(shí)相鄰樁之間的相互影響。

4)樁體強(qiáng)度。原則上樁體配合比按樁體強(qiáng)度控制，樁體試塊抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足下式要求：

式中： fcu為樁體混合料試塊(邊長150mm立方體)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天立方體抗壓強(qiáng)度平均值，MPa；Rk為單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Ap為樁的截面積，m2。

5)褥墊層厚度。褥墊層厚度一般用30cm，當(dāng)樁徑和樁距過大時(shí)，褥墊層厚度還可適當(dāng)加大。褥墊層材料可用粗砂、中砂、碎石或級配砂石(最大粒徑不大于20mm)。

4 CFG樁材料要求及配合比設(shè)計(jì)

4.1 材料要求

1)碎石。碎石粒徑20～50mm，為使級配良好，摻入石屑填充碎石的空隙。

2)水泥。水泥一般用32.5級普通硅酸鹽水泥。如用高強(qiáng)度等級水泥，則會使水泥用量偏少，影響和易性及密實(shí)度；如用低強(qiáng)度等級水泥，則會使水泥用量過多，不經(jīng)濟(jì)，而且也會影響混合料其他技術(shù)性能。

3)粉煤灰。粉煤灰多用袋裝的Ⅱ級、Ⅲ級粉煤灰，粉煤灰既是細(xì)集料，又有低強(qiáng)度等級水泥的作用，以增強(qiáng)樁體的后期強(qiáng)度。

4)另外，外加劑可根據(jù)需要采用早強(qiáng)劑或泵送劑。

4.2 材料配合比設(shè)計(jì)

碎石、石屑、水泥、粉煤灰和外加劑的成分含量的多少對混合料的強(qiáng)度及和易性有很大影響。

混合料中，石屑與碎石的組成比例用石屑率表示：

式中：λ為石屑率；G1為單方混合料石屑用量，kg；G2為單方混合料碎石用量，3m。

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，λ值取0.25～0.33為合理的石屑率。

式中： fcu為混合料28天立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；為水泥強(qiáng)度等級；C為單方水泥用量，kg；W為單方用水量，kg。

混合料坍落度按3cm控制，水灰比W/C和粉煤灰F/C(F為單方粉煤灰用量)有如下關(guān)系：

W/C=0.187+0.79F/C

混合料密度一般為2.2～2.3g/3cm。

利用以上關(guān)系，參考水泥混凝土配合比的用水量并加大2%～5%，就可進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

5 CFG樁施工工藝

1)樁機(jī)進(jìn)入現(xiàn)場，根據(jù)設(shè)計(jì)樁長、沉管入土深度確定機(jī)架高度和沉管長度。

2)樁基就位，須保持水平、穩(wěn)固、調(diào)整沉管與地面垂直，確保垂直度偏差不大于1%。

3)啟動馬達(dá)，沉管到預(yù)定標(biāo)高，并做好記錄。

4)按設(shè)計(jì)配合比配制混合料，攪拌時(shí)間不得小于1min。

5)待沉管至設(shè)計(jì)標(biāo)高后須盡快用料斗進(jìn)行空中投料，直至管內(nèi)混合料面與鋼管料口平齊。

6)開動馬達(dá)，沉管原地留震10s左右，然后邊振動，邊拔管。拔管過程中不容許反插。

7)當(dāng)管拔出地面，對樁進(jìn)行封頂，然后移機(jī)繼續(xù)下一根樁施工。

6 CFG樁質(zhì)量檢驗(yàn)

CFG樁施工結(jié)束后，應(yīng)間隔一定時(shí)間方可進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。

6.1 樁間土檢驗(yàn)

樁間土質(zhì)量檢驗(yàn)可用標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探和鉆孔取樣等試驗(yàn)，對樁間土進(jìn)行處理前后的對比試驗(yàn)。對砂性土地基可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入或動力觸探等方法檢測擠密程度。

6.2 樁體強(qiáng)度檢驗(yàn)

混合料攪拌均勻后，按一定比例留取樣品，裝入150mm×150mm×150mm的試模。并測定28天抗壓強(qiáng)度R28。

6.3 單樁和復(fù)合地基檢驗(yàn)

CFG樁施工質(zhì)量的檢測采用靜載荷試驗(yàn)，測定單樁承載力和復(fù)合地基承載力。

7 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)中容易忽略的問題

7.1 基底標(biāo)高問題

CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)文件中，看不到建筑物±0.00高程及基礎(chǔ)埋深或基底高程，這就給設(shè)計(jì)審查工作帶來了很多不便，甚至無法驗(yàn)算，同時(shí)現(xiàn)場施工也無據(jù)可依，尤其當(dāng)基礎(chǔ)埋深不一致時(shí)，更容易出現(xiàn)問題。

7.2 基底土層問題

當(dāng)確定基底標(biāo)高后，可以確定基礎(chǔ)直接坐落在什么土層上，當(dāng)基底下土層固結(jié)狀態(tài)較好時(shí)，CFG樁復(fù)合地基的作用機(jī)理可充分體現(xiàn)；但當(dāng)基底下土層屬于欠固結(jié)狀態(tài)時(shí)，問題就是麻煩了，如果不先對這些欠固結(jié)填土進(jìn)行處理就直接進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)，則樁土共同作用原理將會隨著填土固結(jié)沉降而逐步減弱，最終CFG樁復(fù)合地基機(jī)理將被逐步破壞，從而給建筑物帶來安全隱患；再者，在設(shè)計(jì)參數(shù)選用中，樁周圍土承載力特征值的采用五花八門，缺乏依據(jù)，根據(jù)規(guī)范精神，應(yīng)采用直接與基礎(chǔ)接觸的土層承載力特征值或選取處理土層范圍內(nèi)承載力特征值較低的土層，這樣才是最可靠的選擇。

7.3 褥墊層問題

褥墊層設(shè)計(jì)工作看似簡單，實(shí)際上褥墊層是復(fù)合地基設(shè)計(jì)工作中的非常重要的工作，在這里不再多說，有兩點(diǎn)值得參考，其一，設(shè)計(jì)文件中一定要計(jì)算褥墊層的虛鋪厚度，以便指導(dǎo)施工；其二，褥墊層的設(shè)計(jì)厚度應(yīng)根據(jù)樁周土質(zhì)及樁端持力層進(jìn)行充分考慮。

7.4 布樁問題

布樁一直是CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。布樁中，獨(dú)立柱基與條形基礎(chǔ)布樁差別較大。獨(dú)立柱基下布樁，不能死板地按等邊三角形、正方形或長方形去套用，而應(yīng)在確定最小面積置換率后去優(yōu)化布樁，以期達(dá)到受力均勻、置換合理的目的；而條形基礎(chǔ)布樁更不能教條地上套用某一種形狀，而應(yīng)根據(jù)條形基礎(chǔ)尺寸，按照受力均勻、置換合理、邊中結(jié)合的原則按最小面積置換率優(yōu)化控制，在基礎(chǔ)交叉區(qū)域，應(yīng)仔細(xì)核實(shí)基礎(chǔ)上所受上部荷載，并結(jié)合地質(zhì)條件及樁端條件仔細(xì)核算，這是條形基礎(chǔ)布樁的核心所在。

8 結(jié)語

通過改變樁長、樁徑、樁距等參數(shù)，可使CFG樁承載力提高250%～300%。CFG樁還具有沉降量小、變形穩(wěn)定快、工藝性好、樁體材料具有良好的流動性與和易性，灌筑方便，易于控制施工質(zhì)量，可節(jié)約水泥、鋼材。利用工業(yè)廢料，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，降低工程費(fèi)用，與預(yù)制樁相比可以節(jié)約投資40%左右。綜上，CFG樁具有可靠的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效果，在地基工程處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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