碎石桩与CFG桩二元复合地基在工程中的应用

2011-04-25郑创新曹成意曾勇生

水电站设计 2011年2期

郑创新，曹成意，曾勇生

(四川准达岩土工程有限责任公司，四川成都 610072)

1 前言

随着工程建设的飞速发展，地基处理手段也日趋多样化，复合地基由于充分利用桩和桩间土共同作用的特有优势和相对低廉的工程造价得到了越来越广泛的应用。本工程根据场地实际地质情况，采用了碎石桩和CFG桩二元复合地基，充分发挥了碎石桩的置换挤密作用和CFG桩的高承载力性能，并通过褥垫层的设置发挥桩间土的承载力，从而提高整体复合地基承载力。

2 基本原理

碎石桩是以置换作用为主、挤密作用为辅的取土式地基加强改良处理方法。其加强改良机理是:先采用取土器取土成孔，然后填入天然级配较好的砂、卵石(粒径主要为20～80mm，大于100mm量控制在10%～25%)和外掺剂，利用夯锤自由落下的巨大冲击能和所产生的冲击波反复夯击砂卵石，在冲击力作用下，卵石可被击成碎石。由于重锤冲击挤密，不但在桩位处形成大于成孔直径的高密度的砂卵石桩体，而且部分砂卵石挤入桩间土，提高了桩间土的承载力;同时砂卵石桩体可作为复合地基中孔隙水的消散通道，利于地基中孔隙水的消散;在巨大夯击能作用下，土体产生冲击波和动应力，致使土体出现微小裂隙形成排水通道，加速土体的排水固结;由桩及桩间土形成的复合地基起应力扩散和均布作用，可显著提高地基均匀性和稳定性，减少沉降量，提高承载力。

CFG桩复合地基粘结强度桩是复合地基的代表，目前多用于高层和超高层建筑中。CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称(即 cement fIying－ash gravel pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端是落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上CFG桩不配筋，桩体可利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价。

在复合地基设计中，基础与桩和桩间土之间设置一定厚度由散体粒状材料组成的褥垫层，是复合地基的一个核心技术。基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。若不设置褥垫层，复合地基承载特性与桩基础相似，桩间土的承载能力难以发挥，不能成为复合地基。基础下设置褥垫层，地基承载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使桩端落在好土层上，也能保证荷载通过褥垫层作用到桩间土上，使桩土共同承担荷载。

碎石桩与CFG桩二元复合地基是由基体(天然地基土体)和两种增强体三部分组成的人工地基，既能发挥CFG桩高承载力和良好的排水作用的特点，又因CFG桩的插入而使水泥土桩的侧限约束作用得到增强。同时，由于设置了碎石桩，地基土的变形能力可得到有效改善，并提高了土体的抗剪强度，亦可使CFG桩避免产生刺入破坏的可能。

3 工程概况

3.1 工程地质条件

本工程场地处于四川盆地中部地带，从区域地质资料看，场区位于扬子准台地的二级大地构造单元——四川台拗成都凹陷盆地内。拟建建筑物微地貌位于成都平原地区东北侧，相当于岷江水系Ⅱ级阶地，地层从上到下依次的物理力学性质见表1。

3.2 施工简介

某工业研发楼为9层框架结构。原地形为低山洼地，场地平整后，因人工回填地层较厚，故地基采用碎石桩与CFG桩复合地基进行加固处理，两种桩总数为2700余根。最终复合地基承载力的设计值为300kPa。两种桩型均采用CK－150型冲击钻机施工。碎石桩采用冲锤低频往土层重复冲击碎石，将碎石导入到预定深度，使土层挤密，碎石随重复填料而被连续冲捣成桩，且桩体密实度应达到中密以上。CFG桩采用冲击成孔后回填C10素混凝土，桩身强度为10MPa;其复合地基褥垫层采用5～10mm碎石回填夯实，厚度为200mm。

表1 场地土层物理力学性质

4 复合地基设计

4.1 总体设计

建筑设计基础高程±0.000=499.968m，基础埋深±0.000下－2.50m，基础底标高为497.468m。因场地填土层较厚，设计基础下的素填土天然承载力不能满足设计基础承载力要求，故设计要求将基础下填土层或淤泥质黏土采用人工地基处理方法，并要求处理后的复合地基承载力特征值 fspk≥300kPa、压缩模量ES≥6MPa。根据设计地基要求，因场地填土层未完成自重固结沉降，故地基处理设计采用碎石桩、CFG桩二元复合地基对建筑设计基底标高下地基土进行处理。且先施工碎石桩对素填土进行挤密加固，然后再施工CFG桩。处理后桩顶与基础之间铺设200mm厚褥垫层，压实系数不低于0.94。施工完成后按规范要求进行复合地基检测。

4.2 碎石桩设计

因场地内分布的素填土未完成自重固结，为提高CFG桩间土地基承载力，故先采用用碎石桩方法进行置换挤密处理。碎石桩按等边三角形布置。碎石桩布置为按建筑平面范围内扩大1排桩内满堂布置。根据《建筑地基处理技术规范》中公式(7.2.8－1、2、3)、公式(8.2.2 －4、5、6)计算各参数。

经过计算，碎石桩桩间距为1.26m，根据场地实际情况间距可适当调整。故碎石桩的桩间距取1.20m施工，深度为穿透填土层进入下卧层0.5～1.0m即可。

4.3 CFG桩设计

本工程CFG桩根据成都地区的施工经验，直接采用冲击成孔后回填C10素混凝土，桩身强度为10MPa。布桩范围仅在建筑基础底部按等边三角形布置即可，桩间土承载力按照碎石桩处理后地基承载力、经基础下土层厚度加权平均后取值计算。根据《建筑地基处理技术规范》中公式(9.2.5)、公式(9.2.6)、公式(9.2.7)、公式(9.2.8－1)计算各参数。

经计算，本工程 CFG桩间距应达到1.15～1.25m，施工按1.10m控制，桩端以黏土或粉质黏土作为桩端持力层，同时设计最短桩长不小于6.0m，且进入黏性土层不小于1.5m，以提高CFG桩的单桩承载力。

5 施工质量检测

5.1 桩身质量检测

针对本工程采用不同桩型及施工顺序，在首先施工完碎石桩后，抽取不少于碎石桩总数2%的桩体进行超重型动力触探检测。根据检测结果，碎石桩桩体N120击数达到7.5～16.5击/10cm。由此可见，桩体密实度达到中密以上，满足设计要求。对CFG桩采用施工中取混凝土试块及施工后抽取不少于CFG总桩数的10%进行低应变动力测试。根据检测结果，CFG桩混凝土强度及桩身完整性均满足设计及规范要求。

5.2 复合地基载荷试验

目前对于复合地基承载力检测最可靠的方法仍是现场载荷试验。为了更好地检验复合地基处理效果，复合地基载荷试验所用的载荷板面积选择与检测桩所承担的处理面积相同。受现场条件限制，试验采用根据施工顺序对不同桩型复合地基承载力按单桩处理面积分别加载试验，以评价碎石桩和CFG桩前、后处理后的地基承载力。试验分前、后两组复合地基载荷试验，每组试验各按碎石桩和CFG桩总数的5%抽取试验点。通过两组碎石桩与CFG桩复合地基静载荷试验P－S曲线可以看出，复合地基静载荷试验曲线基本属于渐近型的光滑曲线，不存在陡降点。取s/b=0.01(s为桩间距，b为方形压板的宽度)对应的荷载，其值均超过最大加荷量的一半，因此取最大加荷量的一半作为碎石桩与水泥土桩的单桩复合地基承载力设计值。通过数值分析可知，碎石桩和CFG桩复合地基承载力分别不小于165kPa和350kPa，满足设计要求。