CFG樁處理濕陷性黃土的設計方法

李允忠，鄭假余

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250001)

CFG樁處理濕陷性黃土的設計方法

李允忠，鄭假余

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250001)

利用振動沉管水泥粉煤灰碎石樁(Cement Flyash Gravel Pile, CFG)消除黃土濕陷性，并提高地基承載力。為消除黃土濕陷性，達到樁間土擠密效果，CFG樁按照灰土擠密樁布樁原則進行設計。由于樁間距較小，為減少對相鄰樁的影響，CFG樁采用隔樁跳打原則進行施工。施工后經過檢測，場地黃土濕陷性完全消除，承載力滿足了設計要求。

CFG樁；濕陷性黃土；地基承載力。

1 概述

CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等材料加水拌合而成的高粘結強度樁，屬于剛性樁。CFG樁地基處理后由樁、土和褥墊層一起構成復合地基，樁和樁間土通過褥墊層協調變形，共同承擔上部荷載。CFG樁與樁基相比，工程造價一般較低；與碎石樁、灰土樁等散體材料樁相比，CFG樁可以發(fā)揮樁的側阻力，當樁端落在較好的土層時，還具有較大的端承力，可以將樁身所受荷載傳遞到較深的土層。

CFG樁適用范圍較廣，常用于處理粘性土、粉土、砂土、素填土等土層。CFG樁本身具有一定的強度，可以提供較高的承載力，達到改善加固深度內的地基變形性狀，減小工后沉降的目的。CFG樁用于處理濕陷性黃土，主要是利用振動沉管施工工藝對樁間土進行擠密，達到破壞黃土原有的結構，消除黃土濕陷性的目的，其原理類似于灰土擠密樁對樁間土的擠密作用。

2 工程概況

某變電站工程位于濕陷性黃土地區(qū)，根據地質勘察資料，地層條件如下：

①黃土狀粉土：黃褐色，稍濕，稍密，層厚0.80～1.40 m。

②黃土狀粘土：黃褐色，濕，可塑～硬塑狀態(tài)，有大孔隙，層厚1.00～2.20 m。

③黃土狀粉土：黃褐色，濕，稍密～中密，有大孔隙，層厚2.20～4.00 m。

④粉土：褐黃色，濕，中密～密實，夾粘性土薄層及砂土透鏡體，層底最大埋深為9.45 m。

地基土主要物理力學性質指標見表1。

表1 地基土主要物理力學性質指標

根據場地黃土狀土的濕陷性分析結果，濕陷性土在站址區(qū)普遍分布，最大濕陷系數為0.026，濕陷類型為非自重濕陷性黃土場地，濕陷量Δs值為22.5 ～81.0 mm，濕陷等級為I級(輕微)，最大濕陷深度6.10 m。

3 地基處理設計方案

該工程地基處理要求消除黃土的濕陷性，處理后地基承載力特征值不小于150 kPa。通過各種地基處理方案的經濟技術條件比選，確定采用CFG樁進行地基處理。

3.1 CFG樁設計參數

(1) CFG樁采用振動沉管施工工藝，樁徑取為0.45 m。

(2) 為消除黃土濕陷性，樁間距s按照灰土擠密樁進行設計計算，采用正三角形布置，孔心距按式(1)計算：

式中：s為樁孔之間的中心距離( m)；d為樁

孔直徑( m)；ρdmax為樁間土的最大干密

度(t/ m3)；d為地 基處理前土的平均干

密度(t/ m3)；為樁間土經成孔擠密后的

平均擠密系數，不宜小于0.93。

經過計算，本工程確定CFG樁的樁間距取為1.10 m。

(3) 樁長按照穿透濕陷土層進入非濕陷土層設計，樁端進入④層粉土0.50 m，設計樁長為5.5 m。

(4) CFG樁體設計強度為C10。

(5) 褥墊層的設計：CFG樁清除樁頂浮漿厚度不小于200 mm，鋪設褥墊層，褥墊層采用3∶7灰土分層碾壓密實處理，厚度300 mm，壓實系數不小于0.95。

CFG樁設計剖面和平面布置見圖1。

圖1 CFG樁設計剖面和平面布置圖

3.2 CFG樁復合地基承載力計算

(1) CFG樁單樁承載力

單樁豎向承載力特征值Ra按照式(2)計算：

式中：up為樁的周長；qsi為樁周第i層土的側

阻力特征值(kPa)；li為樁長范圍內第i層土的厚度； αP為樁端端阻力發(fā)揮系數，根據地區(qū)經驗取1.0；qp為樁端端阻力特征值

(kPa)；Ap為樁的截面積(m2)。

各地層CFG樁計算參數及計算結果見表2。

表2 CFG樁單樁承載力計算

根據計算結果，單樁豎向承載力特征值Ra=205 kN。

(2) 面積置換率 m

CFG樁面積置換率按式(3)計算：

式中：d為樁身平均直徑(m)；de為一根樁分擔

的處理地基面積的等效圓直徑(m)。

經計算，面積置換率 m = 0.1518

(3) 復合地基承載力

復合地基承載力按式(4)計算：

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數，取0.8；β為樁間土承載力發(fā)揮系數，取0.8。經計算，復合地基承載力fspk=221 kPa。

3.3 樁體強度驗算

CFG樁樁體強度按式(5)計算：

根據式(5)，樁體強度σp=1.26 MPa。樁體抗壓強度fcu=10 MPa≥4λRa/Ap=4.03 MPa。經驗算，樁體強度能夠滿足設計要求。

4 CFG樁的施工

CFG樁施工采用DZ40型振動沉管打樁機成孔。對于滿堂布樁, 施工順序采用從一邊向另一邊推進的方案。為減小對相鄰樁的影響，采用隔樁跳打施工工藝。施工示意圖見圖2。

4.1 原材料及配合比

(1) 原材料：水泥采用32.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用三級灰；砂采用Ⅱ區(qū)級配的中砂, 細度模數2.55，含泥量小于3%；碎石采用粒徑1～3 cm的碎石。

樁體混凝土設計強度等級為C10，坍落度為30～50 mm，每立方米配合比材料用量見表3。

圖2 隔樁跳打施工示意圖

表3 CFG樁配合比每立方米材料用量

經過室內抗壓強度檢測，7天抗壓強度為11.8 MPa，28天抗壓強度為16.9 MPa。

(2) 一般情況下充盈系數為1.1～1.2。

4.2 CFG樁的施工

(1) 樁機進入現場，根據設計樁長、沉管入土深度確定機架高度和沉管長度，進行設備組裝。

(2) 樁機就位，調整沉管與地面垂直，確保垂直度偏差不大于1%。

(3) 啟動馬達，沉管到預定標高，停機。

(4) 記錄電流表上的電流，并對土層變化處予以說明。

(5) 停機后立即向管內投料，直到混合料與進料口齊平。混合料按設計配比經攪拌機加水拌和，拌和時間不得少于1 min，當粉煤灰用量較多，攪拌時間還要適當延長。加水量按坍落度3～5 cm控制，成樁后浮漿厚度以不超過20 cm為宜。

(6) 啟動馬達，留振5～10 s，開始拔管，拔管速率為1.2～1.5 m/min，拔管過程中不允許反插。如上料不足，在拔管過程中空中投料，以保證成樁后樁頂標高達到設計要求。

(7) 沉管拔出地面。確認成樁符合設計要求后，用粒狀材料或濕粘性土封頂，然后移機進行下一根樁的施工。

(8) 施工過程中，抽樣做混合料試塊，并測定28天抗壓強度。

(9) 施打順序采用隔樁跳打，并從一邊向另一邊推進的方案。

5 CFG樁施工效果檢驗

CFG樁施工完成后采用單樁復合地基載荷試驗、低應變、土工試驗等手段進行了施工效果檢測。

5.1 單樁復合地基載荷試驗

單樁復合地基載荷試驗采用圓形承壓板，壓板直徑為1.16 m，壓板下設中粗砂找平，試驗采用壓重平臺反力裝置，試驗堆載重量不小于360 kN。

根據載荷試驗結果，22個點的載荷試驗在加荷至設計承載力2倍(300 kPa)時，最大沉降為8.56～35.84 mm之間。按照相對變形取s/d=0.01確定復合地基承載力特征值為159～300 kPa之間，按照最大壓力一半取值為150 kPa，所以滿足設計承載力150 kPa的設計要求。復合地基承載力特征值統(tǒng)計分析結果見圖3。根據載荷試驗曲線分析，該復合地基承載力還有一定的潛力可以發(fā)揮。典型復合地基載荷試驗曲線見圖4。

圖3 復合地基承載力特征值統(tǒng)計分析結果

圖4 典型復合地基載荷試驗曲線

5.2 低應變檢測

CFG樁施工完成后，隨機抽取10%的樁進行了樁身完整性檢測。根據檢測結果，樁身波速值大部分在2000～2500 m/s之間。根據檢測曲線分析，受檢樁大部分為Ⅰ類樁和Ⅱ類樁，也出現了少部分的Ⅲ類樁和Ⅳ類樁。典型低應變檢測曲線見圖5。

圖5 低應變檢測不同樁身完整性試驗曲線

根據檢測結果，受檢樁中的Ⅲ類樁和Ⅳ類樁，經分析存在兩個方面的因素：一個因素是振動沉管施工由于振動力較大，并具有擠土效應，后施工的樁容易對已施工的樁造成水平向擠壓變形，雖然施工過程中采取了隔樁跳打的施工方法，還是產生了縮頸、斷樁等不良現象。另一個因素是為消除黃土的濕陷性，按照灰土擠密樁布樁原則進行設計，采用了較小的樁間距進行布樁，而對于采用擠土成樁工藝的CFG樁來說，樁間距越小，對相鄰樁的影響越大，從而出現部分斷樁。

從上述因素分析，對于通過振動沉管施工的CFG樁來消除黃土濕陷性，由于選擇較小的樁間距，會出現部分Ⅲ類樁和Ⅳ類樁；對于滿堂布樁的CFG樁復合地基來說，只要將Ⅲ類樁和Ⅳ類樁控制在一定比例范圍內，一般不會對整個地基產生不利影響。

5.3 樁間土濕陷性檢測

CFG樁施工完成后，對樁間土采取原狀土樣進行土工試驗分析，判斷樁間土的濕陷性是否消除。根據試驗結果，樁間土試驗指標見表4。

表4 樁間土試驗檢測結果

根據樁間土的天然孔隙比指標分析，處理后土的密實性比處理前有了較大提高，振動沉管施工工藝對樁間土有明顯的擠密效應，處理后的樁間土消除了濕陷性。

6 結論

(1) CFG樁采用振動沉管施工工藝成樁，按照灰土擠密樁設計原則進行布樁，通過對樁間土的擠密效應可以達到消除黃土濕陷性的目的。

(2) 相比柔性樁復合地基，同樣樁長的CFG樁可取得較高的地基承載力，并減少工后沉降變形。

(3) 由于需要通過擠土效應消除黃土濕陷性，CFG樁布樁間距較小，應采用隔樁跳打的工藝進行施工，盡量減小對相鄰樁的影響。

(4) 在振動沉管施工過程中，CFG樁會有部分樁出現縮頸、側擠造成的斷樁現象，應采用低應變方法進行抽查，只要斷樁控制在一定比例范圍內，對于滿堂布樁的復合地基一般不會發(fā)生其他不利影響。

(5) CFG樁復合地基應進行試驗，以確定消除黃土濕陷性的合理樁間距，減少斷樁比例。

[1] JGJ79－2012，建筑地基處理技術規(guī)范[S]．

[2] 龔曉南． 地基處理手冊(第三版)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008．

[3] 劉宇，高峰．CFG樁處理飽和黃土地基試驗研究[J]． 甘肅科技，2008，24(2)．

[4] 董忠級，王建智．CFG樁在濕陷性黃土地基中的應用[J]．工程勘察，1998，(4)．

[5] 黃薛，何瑞，魏海紅．CFG樁復合地基在濕陷性黃土地層中的應用[J]．西部探礦工程，2011，(3)．

Design Method of Treatment of Collapsible Loess with CFG Pile

QI Yun-zhong, ZHENG Jia-yu
(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.Ltd., Jinan 250001, China)

In the paper, the vibrating sinking-pipe CFG pile is introduced to eliminate the collapsibility of loess, and to improve the bearing capacity of foundation soil. To eliminate the collapsibility of loess, CFG pile is carried out in accordance with the principle of lime-soil coMPaction pile design method to coMPact the soil between piles. Due to the pile spacing is small, CFG pile is constructed by the principle jumping every other pile to reduce the influence on adjacent pile. According to the test results after construction, the collapsibility of loess is completely eliminated, and the bearing capacity meets the design requirements.

CFG pile; collapsible loess; bearing capacity of foundation soil.

TU4

B

1671-9913(2015)05-0006-05

2015-05-14

李允忠(1973- )，男，山東德州人，碩士，高級工程師，主要從事巖土工程設計工作。