CFG 桩复合地基承载力分析

2013-11-09梁大伟

山西建筑 2013年35期

梁大伟

(山西省建筑科学研究院，山西太原 030001)

0 引言

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的缩写，即是由石屑、碎石、砂、粉煤灰、水泥等建筑材料加水拌和，起初采用振动沉管成孔，目前较常采用长螺旋工艺成孔，桩身强度一般在C15～C30之间的可变强度桩。由于其具有施工速度快、质量容易控制、工期较短、环境影响较小、成本较低廉等优点，目前在我国，CFG桩被大量的应用于多层、高层，甚至超高层建筑的复合地基处理中。当前已经成为应用普遍、技术成熟、经济效益和社会效益较高的一种地基处理施工工艺。

复合地基与单纯的桩基不同，它是在现有土体中，通过各种工艺植入刚性、半刚性或柔性增强体，与有待处理土体相比，增强体一般具有较高的强度，同时增强体自身可与桩周围土体发生化学变化，起到置换、固结作用，增强桩周围土体的承载力，此外，个别挤密或半挤密的复合地基施工工艺，在增强体施工的同时，能起到对桩间土挤密的效果，变相提高了桩间土的强度。

CFG桩属于典型的复合地基，通过水泥、粉煤灰、水等胶结材料，将石屑、碎石和砂等骨粒材料胶结成为拌合体，在尚未凝固之前浇灌至成孔中，拌合体在自身凝固强度提高的同时，胶结材料也与周围土体发生作用，增强周围土体的强度，待桩身强度达到设计要求时，在土中形成竖向增强体。CFG桩属于复合地基，桩体与桩间土共同承担上部荷载，由于建筑产生沉降，桩体和桩间土体的变形模量不同，设置褥垫层是非常必要的，设置褥垫层可以调整基底应力分布，充分发挥桩间土的承载力作用，减轻桩体负担，一定意义上讲节约了造价。

CFG桩桩径从400 mm～600 mm不等，桩长也从几米至20多米不等，由于其是半刚性桩，桩体压缩变形相对于刚性桩一般较大，可以使桩长全范围内发挥侧摩阻力，能较高的提高复合地基承载力值，据有关资料统计，CFG桩桩体一般能承担总荷载的40%～75%，这是一般柔性桩或半刚性桩难以达到的。

1 CFG桩复合地基承载力

1.1 CFG复合地基承载力的计算

CFG桩复合地基承载力特征值按照规范要求应当采用复合地基静载荷试验确定。新版的《建筑地基处理技术规范》(2012版)第7.1.5条规定CFG桩复合地基承载力设计时，可以采用式(1)进行计算:

与2002版《建筑地基处理技术规范》相比较，式(1)增加了单桩承载力发挥系数λ，规范要求其取值按相关地区经验，同时规范也给出在无相关地区经验时的取值范围，一般取0.8～0.9，这与2002版规范相比，明显是降低了CFG桩单桩承载力的特征值，在m和Ap不变的条件下，相对于新版的2012规范将CFG桩单桩竖向承载力特征值降低为原2002版规范的80%～90%，从设计的角度来讲更偏于保守;同时新版规范将桩间土承载力折减系数β改为桩间土承载力发挥系数，原2002版规范提供的取值范围为0.75 ～0.95，新版2012 规范提供的取值范围为 0.9 ～1.0，相比较而言是提高了桩间土分担复合地基荷载的比例。整个公式整体上的思路是降低了CFG桩单桩承载力特征值而提高了桩间土的承载力发挥。

可见通过多年CFG桩的工程实际应用，技术已经达到成熟，新版规范提供的设计思路是增强对桩间土的利用，而降低对单桩承载力的要求。同时这也反映出近年来在CFG桩使用过程中发现的问题，例如桩身强度在有些工程项目中成为制约复合地基的一个主要因素，有的工程项目将单桩承载力特征值设计的很高，实际受力过程中，未必能够达到。再如在CFG桩身施工过程中，难免在个别施工中发生缩颈、夹泥、离析等现象，在桩头剔凿过程中，难免对下部桩身产生破坏，单桩承载力特征值不一定能完全按照设计计算发挥出来，故新版的规范引入了桩体单桩承载力发挥系数λ＜1。

1.2 CFG单桩承载力的计算

新版2012规范，复合地基承载力计算公式中Ra，即单桩承载力仍沿用旧版规范公式，如式(2)所示:

与2002版《建筑地基处理技术规范》相比较，式(2)增加了端阻力发挥系数αp，但同时建议在无地区经验时可按1.0取值，这相当于同旧版2002规范没有区别。

1.3 新版规范的改进

新的2012规范在CFG桩复合地基承载力计算公式的改进，主要是增加了多个地区经验性系数，例如λ，β，αp，这既考虑到在全国范围内应用CFG桩，又考虑了地区与地区的差异性，可以说同2002旧版规范相比较，计算公式更加成熟，更加先进。同时新公式对小于1的λ的引入和β取值范围的提高，说明我们以前的CFG桩设计更偏重于依靠单桩承载力来提高复合地基承载力，而忽略了充分发挥桩间土的作用，桩间土作为必不可少的一部分，其发挥程度越高，则需要的单桩承载力就越低，经济效益更加明显。桩端承载力发挥系数αp的引入，虽然建议计算时取值为1.0，但它的引入为今后研究桩端承载力发挥和地区经验的积累提供了一个载体，相信在将来更新版的规范中，将对其做出更加具体的规定。

2 工程实例

2.1 工程概况

某工程项目位于岸边一级阶地，现场主要是以粉土和砂土为主:

第①层粉土层厚5.20 m ～11.90 m，平均厚度8.45 m，侧摩阻力特征值为24 kPa，天然地基承载力特征值为150 kPa。

第②层粉土层厚2.50 m～6.60 m，平均厚度3.90 m，侧摩阻力特征值为30 kPa，端阻力特征值为400 kPa。

第③层中砂层，层厚2.90 m～9.30 m，侧摩阻力特征值为32 kPa，端阻力特征值为500 kPa。

本工程地基处理采用CFG桩复合地基，桩径400 mm，桩长12.0 m，桩距1.2 m，正方形布置，要求CFG桩复合地基承载力特征值达到370 kPa，CFG桩单桩承载力特征值达到380 kN。

2.2 试验情况

考虑到本工程的特点结合新版的《建筑积极处理技术规范》，本工程CFG桩施工完成后，共进行了10组复合地基承载力检测，20根单桩承载力检测，检测均按照相关要求采用慢速维持荷载法，检测结果见表1，表2。

表1 CFG桩单桩承载力试验结果

表2 CFG桩复合地基承载力试验结果

根据上述表1试验结果，20根试验桩的单桩竖向抗压极限承载力平均值为832 kN，极差为90 kN，取平均值832 kN为试验桩的单桩竖向抗压极限承载力统计值。相应的承载力特征值为416 kN。

根据上述表2试验结果，10组单桩复合地基承载力特征值的平均值为415 kPa，极差为0 kPa，取415 kPa为本工程CFG桩复合地基承载力特征值。

2.3 结论

依据试验结果，本工程CFG桩复合地基承载力和CFG桩单桩承载力均达到设计要求。由于将来CFG桩实际受力情况为复合地基受力，故以其复合地基承载力特征值作为主要依据。

依据2002旧版规范计算，先不考虑侧阻力和端阻力数值，将由CFG桩复合地基静载荷试验确定的承载力特征值415 kPa代入式(1)，其中λ取折中0.85，β取折中0.95，反算出理论计算的CFG单桩承载力特征值为483 kN。

根据其侧阻力和端阻力，以及桩顶标高、桩径、桩长，根据规范式(2)计算出，CFG桩单桩承载力特征值约为464 kN。

本工程实际进行的20组CFG桩单桩静载荷试验所得的单桩承载力特征值为416 kN。

根据上述结果可知，根据CFG桩复合地基承载力试验结果所推算出来的CFG桩单桩承载力特征值最大，根据桩体侧阻力和端阻力数值计算出的CFG桩单桩承载力特征值居中，现场的CFG单桩静载荷试验所得出的单桩承载力最小，当然，由于前2个数值均属于计算值，我们肯定要以现场试验数据为准。

现场CFG单桩静载荷试验数据为416 kN，小于旧版规范，根据CFG桩复合地基承载力结果反算的483 kN和464 kN这一点来看，这正是新版规范引入单桩承载力发挥系数λ的原因，也就是说CFG桩单桩的承载力并不能在复合地基中完全地发挥出来，存在一定的折减，折减系数就是新规范中的这个单桩承载力发挥系数λ。

通过理论计算CFG桩单桩承载力特征值一个为483 kN，一个为464 kN，分别用现场实际静载荷试验结果416 kN去比，得出的比值分别为0.859～0.894，这正好又处于规范给定的无地区经验时λ的取值，即0.8～0.9之间，本工程实际情况与规范非常符合，这进一步说明新版规范引入λ的必要性和其取值范围的严谨性。