CFG桩在穹形储煤场地基处理中的应用

2013-07-16刘永伟

山西建筑 2013年6期

凌成刘永伟

(中国煤炭科工集团沈阳设计研究院，辽宁沈阳 110015)

CFG桩是20世纪90年代初研究并应用的地基加固技术，是水泥粉煤灰碎石桩的简称。1997年被视为国家级工法，目前，该技术已在全国范围内使用。CFG桩复合地基处理工艺简单、质量易于控制，适用于砂土、粉土、粘性土、淤泥质土、杂填土等土质的地基处理。由于CFG桩体使用材料为水泥、粉煤灰、碎石、石屑、砂等，就地取材方便，特别是使用了工业废料粉煤灰，既减少了污染，又达到了废物再利用的目的，大大降低了生产成本，保护了环境，经济效益和社会效益显著。近几年，国家加大对基础建设的投入，CFG桩由于成本低廉、地基加固效果好、适用范围广、工期短等优点，在建筑、道路、煤矿等地基处理中得以迅速推广和应用。

1 CFG桩复合地基加固机理及各组成部分作用

1.1 CFG桩复合地基承载的基本原理

CFG桩复合地基由桩、桩间土及褥垫层三部分组成。通过褥垫层把三者有机的结合成一个整体。当基础传来压力，褥垫层可以通过调整厚度来改变变形量，把压力按适当的比例分配给桩及桩间土，使其共同受力。同时桩对桩间土进行了挤压，提高了土的承载力。桩间土承载力的提升又增加和改善了桩的受力性能，二者共同作用，极大的增加了复合地基的承载能力。

1.2 CFG桩和桩间土的作用

CFG桩在承担基础传来的竖向荷载的同时，对地基土产生了一定的挤密作用。特别是采用非排土法(如振动沉管打桩法)施工时，很大程度上挤密了桩间土。水泥经水解和水化反应以及与粉煤灰的凝硬反应后，生成稳定的结晶化合物，这些化合物填充了碎石和石屑的孔隙，并将这些骨料及周围的土体粘结在一起，从而改善了土质性能。桩间土作为承担荷载的一部分，承担了基础传来的竖向荷载的同时，还承担了大部分水平荷载，对桩体产生约束力，防止桩体发生侧移，保证桩体的正常工作。

1.3 褥垫层的调整均化作用

褥垫层由颗粒材料组成，采用粒径不超过3 cm的级配砂石、碎石或中(粗)砂，厚度介于15 cm～30 cm之间。褥垫层保证了桩、土共同承载荷载，使桩间土的承载力得以充分发挥，通过调整褥垫层的厚度来改变桩、土承担荷载的比例，进而使基底压力得到了均化和调整。

2 CFG桩单桩承载力计算

单桩承载力标准值，可采用类似于摩擦端承桩承载力计算公式:Ra=Up× ∑qsi× Li+qp× Ap。其中，Up为桩的周长，m;qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa;qp为桩端阻力特征值，kPa;Li为第i层土的厚度，m。

3 CFG桩复合地基的承载力

根据CFG桩复合地基的结构特点，综合考虑影响地基承载力的各方因素。对CFG桩复合地基的承载力特征值采用下列公式进行计算:fspk=m×Ra/Ap+β×(1－m)×fsk。其中，fspk为复合地基承载力特征值，kPa;m为面积置换率，m=Ap/Az，Ap为桩的截面面积，m2，Az为与Ap对应的处理地基的面积，m2;Ra为单桩竖向承载力特征值，kN;fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa;β为桩间土承载力折减系数。宜根据地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值。

4 工程简介和场区地质概况

内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司元宝山露天煤矿选煤厂筛选系统穹形储煤场位于内蒙古赤峰市元宝山区，直径85 m，设计储煤量为5万t。根据赤峰永泰岩土工程有限公司提供的《元宝山露天煤矿选煤厂穹型储煤场岩土工程勘察报告》场地土自上而下分别为:①粉土层:沉积时代、成因黄色，稍湿，稍密，无光泽，摇震反应中等，干强度、韧性低，高压缩性，层厚4.50 m～12.50 m。地基承载力特征值为fsk=140 kPa;②粉质粘土:沉积时代、成因黄色～棕黄色，坚硬～可塑状态，无摇震反应，稍有光泽，干强度、韧性中等，中等压缩程度，层顶深度4.50 m ～12.50 m，层厚8.10 m ～29.10 m。地基承载力特征值 fak=160 kPa;③玄武岩:沉积时代Q3，杂色，强风化程度，大部分已风化成土状或散粒状，局部有块状。地基承载力特征值fak=280 kPa;④粉质粘土:沉积时代、成因褐黄色，硬塑状态，无摇震反应，稍有光泽，干强度、韧性中等，层顶深度21.10 m～26.10 m。地基承载力特征值fak=160 kPa;该穹形储煤场主体结构分为两部分(如图1所示)。1)混凝土挡墙:地下为钢筋混凝土条形基础，地面部分采用混凝土挡墙，球形网架结构，地基持力层为第①层粉土层，设计要求承载力不低于300 kPa;2)中心桩部分:采用混凝土筏板基础，主体采用钢筋混凝土结构，地基持力层为第②层粉质粘土层，设计要求承载力不低于300 kPa。天然地基承载力满足不了设计要求，须进行地基处理。

5 CFG桩在穹形储煤场地基处理中的应用

5.1 地基处理方案

由于建筑结构具有高、重、大的特点，所以对地基承载力及不均匀沉降都有较高的要求，本工程①粉土层和②粉质粘土层的地基承载力特征值分别为140 kPa和160 kPa，显然不满足设计要求，故需要对地基进行处理或采用桩基础，经过对基础方案的技术经济论证决定采用CFG桩复合地基，以充分利用原位地基土的强度和刚度来降低工程造价。相比于CFG桩具有相近特性的素混凝土桩而言，CFG桩复合地基的单方造价仅为素混凝土桩复合地基的单方造价的一半。所以决定采用CFG桩复合地基进行处理。

图1 穹形储煤场结构图

5.2 CFG桩复合地基设计

根据穹形储煤场结构具有环状条形基础和条形筏板基础的结构特点，CFG桩在混凝土挡墙部分采用环形放射状布置，环形近似等间距布桩，中心柱部分采用矩形等距布置。由于两个部分荷载及持力层不同，桩间距分别定为1.80 m和1.20 m，桩径均为500 mm，置换率分别为6.1%和13.6%，设褥垫层厚度均为300 mm。桩的布置见图2，复合地基剖面见图3。根据本工程的具体情况，取桩间土强度折减系数为0.85。经计算外环和中心柱的桩长分别取12 m，17.0 m。