回填碾压地基的CFG桩加固工程

李 江

(建设综合勘察研究设计院有限公司，北京100007)

1 项目概况

1.1 工程简介

拟建场地位于北京市亦庄经济技术开发区内，新建生产及办公用房。其中厂房为单层轻钢结构，采用独立柱基础，埋深－2.00 m(相对±0.00 m)。办公用房为框架结构，地上10层、地下1层，采用筏板基础，埋深－3.50 m(相对±0.00 m)。

1.2 场地地质工程条件

拟建场地位于北京东南部，原有取土深坑后作为渣土消纳场地进行回填。场地内地形基本平坦，略有起伏，总体地形趋势是北侧低南侧高、最大高差约1.03 m，东西方向基本平坦。

根据勘察报告，拟建场地内的主要地层为填土层、新近沉积层和一般第四纪沉积层3大类，分述如下。

第一类填土层主要是:①杂填土，主要为建筑垃圾和生活垃圾，土质松散、极不均匀，分布地段凌乱，深度不一，最深处达5 m且位于办公楼范围内。

第二类新近沉积层主要是:②粉质粘土，土质不均，中～高压缩性;②1粘土，含云母、氧化铁和少量有机质，土质不均，中～高压缩性;②2粉土，中压缩性，局部缺失;②3粉细砂，砂质不均，低压缩性，局部缺失。

第三类第四系沉积层主要是:③细砂，中密，砂质较均匀，低压缩性;④中砂，密实，砂质较均匀，低压缩性。勘察未揭穿该层。

根据勘察报告，场地内分布2层地下水。第一层地下水为潜水，稳定水位埋深6.00～7.00 m;第二层地下水为层间水，稳定水位埋深17.00～18.00 m。这两层地下水对混凝土结构均具微腐蚀性，在干湿交替情况下对钢筋混凝土中的钢筋均具弱腐蚀性。

1.3 结构设计要求

单层轻钢结构厂房采用天然地基方案(遇填土换填)，办公楼范围几乎都是渣土坑，范围大深度深，局部超过了基础埋深。设计进行了基础形式的比选，一种方案是将杂填土全都挖除并换填整平，然后加深基础或改为地下2层;另一种方案是开挖回填，并碾压密实后打CFG桩，结构形式不变。最终后一方案造价更低，确定选择CFG桩复合地基，并提出相关要求为:处理后的复合地基承载力特征值≮260 kPa;最大沉降量＜5 cm。

2 复合地基设计总体思路

2.1 工序思路

任何设计方案的提出，必须要以实践能力为前提，并且要遵循工程经验和惯例。根据设计条件，本项目的地基施工工序很清晰，即挖土→回填碾压→CFG桩施工→验收。由于拟建场地开阔，周边没有影响地基基础施工的建筑物和地上、地下障碍物，加之开挖深度内也没有地下水的影响，所以施工条件非常好，施工难度也不大。确定这样的施工顺序和工艺，一定能收到高效、优质的施工效果。

2.2 技术思路

基于上述工序思路，复合地基设计的技术思路也相应形成，主要是2个重点:一是控制回填碾压质量;二是做好CFG桩施工。这2个重点必须同时抓好，缺一不可。因为回填碾压是整个工程的基础步骤，回填土的质量直接关系到CFG桩的设计和施工，桩体的侧摩阻力、桩间土的承载能力、复合土体的压缩性等，这些直接影响整个复合地基安全性和适用性的关键条件，都受制于回填土的物理力学性质，而这些性质完全取决于回填碾压的质量。因此，在进行设计时必须把这一步做到万无一失，否则后序工作就是“空中楼阁”，没有根基。

3 换填碾压设计方案

3.1 基本设计参数

(1)根据勘察报告开挖深度3.50～4.60 m，以现场实地查验为准。

(2)采用素土(粉质粘土)分层(每层0.50～0.80 m)回填压实，土质应符合《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79－2002)的要求;回填施工按照相关规范进行。

(3)大面积的回填压实工作采用压路机分层碾压，小范围的区域采用人工、小型机械夯实，施工时应配合钎探试验确定施工参数。

(4)回填压实后的土层，其承载力要求不低于80 kPa。回填土质量检验采用密实度试验和钎探测试两种方法。

(5)密实度试验采用环刀法分层取样，要求压实系数≮0.95［5］;钎探测试采用标准钎、分层机械触探，贯入击数要求＞14击［6］。

(6)换填至设计桩顶标高以上500 mm，开始打桩，预留的保护土层随桩间土一同清理。

3.2 采用钎探测试的原因

本次换填碾压施工的质量检验采用钎探测试，要求击数＞14击，主要依据如下。

(1)本次回填的土层作为复合地基的桩间土，不是单独作为基础持力层;因回填后还将进行打桩，最终由(桩+土)复合地基共同承担上部荷载，因此其检验方法与普通换填工作有区别。

(2)CFG桩设计方案要求桩间土承载力达到80 kPa，这样复合地基才能满足260 kPa的设计要求，所以首先必须保证回填土的80 kPa承载力。按《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB 50202－2002)，若单纯采用压实系数指标进行检验，该指标是一个物理性质指标，只能反映土的密实情况，但与承载力之间没有明确的对应关系，无法通过压实系数来判定承载力是否满足80 kPa的要求。

(3)根据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(BDJ 501－11－2009)第7.3.4－6条，对于素填土采用N10钎探进行承载力评价，其击数≮14击可满足承载力＞80 kPa要求。

(4)必须在保证桩间土的承载力，进行打桩施工后才能最终确保复合地基承载力满足要求。

3.3 换填碾压质量检验

按照设计方案进行换填碾压施工后，分层进行了压实系数试验和钎探试验，试验结果表明:分层回填碾压的土层，压实系数试验结果为0.95～0.97，钎探测试结果为17～26击，均满足设计要求。

4 CFG桩设计方案

4.1 高置换率

在完成换填碾压后，回填土具备了一定的承载能力，其物理性质也得到进一步改善，根据压实系数试验和钎探测试的结果，结合工程经验综合判断回填土的承载力取值80 kPa、压缩模量取值4.0 MPa是可行的。但其并未满足设计要求，主要的加固对象仍是这层回填土。

考虑到回填土深度不小，其下部已经基本直接接触③细砂层，且该砂层的厚度约5 m，下卧地层也是力学性质很好的④中砂层，所以选择这2层砂土作为桩端持力层都是适宜的，但桩长与对应的面积置换率成反比关系。

为了最大限度降低因填土的不均匀性带来的不利影响，考虑用CFG桩来最大限度地置换填土，从而在桩与土形成的复合土体中提高桩所占的比例，也就相应提高了桩所分担的荷载比例，降低土所分担的荷载比例，尽量不造成土体的过度承载。同时，在较高的置换率条件下，桩与填土组成的复合土体由于混凝土材料占比较高，从材料组成上为其变形特性提供了有利保障，所以最终选择有效桩长为7.00 m。

4.2 褥垫层厚度

CFG桩复合地基通常会设置褥垫层，厚度一般为15～30 cm，材料通常为碎石或级配砂石等散体材料。在基础下设置柔性垫层，一方面可增加桩间土承担荷载的比例，较充分地利用桩间土的承载潜能;另一方面可改善桩体上端的受力状态，调节桩和桩间土的应力分担和变形协调。业界针对褥垫层的厚度与复合地基承载特性进行了大量研究，获得了大量规律和经验。当褥垫层厚度越厚，桩土荷载分担比越小，也就是桩体承担的荷载比例越低，反之就越高［8］。对本工程而言，恰恰就是要提高桩体所承担的荷载比例，最大限度减小桩间土分担的荷载，这样填土在承载能力上的缺陷得以弥补;同样由于分担的荷载小些，发生的变形也相对小些，对整体复合地基的变形也是有利的。在整理借鉴了多项针对褥垫层厚度与复合地基特性所进行的试验、研究经验后，设计了8 cm厚度的褥垫层。

4.3 承载力和变形计算复核

根据CFG复合地基设计的计算公式［3］:

有粘结强度增强体复合地基承载力特征值fspk=mRa/Ap+β(1－m)fsk

在以上2个公式中，根据经验，回填土的侧摩阻力特征值qs取15 kPa，用于计算单桩承载力特征值;桩间土的承载力特征值fsk，取值80 kPa。经计算，正方形布桩间距为1.20 m×1.20 m，面积置换率约0.087。

5 检测及监测结果

5.1 检测结果

CFG 桩施工完毕后，进行复合地基承载力及桩身完整性检测。其中承载力检测采用单桩复合地基载荷试验方法，载荷板的面积1.20 m×1.20 m，最大试验荷载520 kPa(折合750 kN);采用慢速维持荷载法分8级加载。检测结果为:当加载至最大荷载520 kPa时，p～s曲线未出现明显拐点，各级沉降量较均匀，总沉降量均未超过规范允许值;且各试验点加载至260 kPa所对应的s/b值均＜0.01。判定单桩复合地基承载力特征值≮260 kPa，满足设计要求［3］。

桩身完整性检测采用低应变反射波法，试验数量为总桩数的10%。检测结果为:受检的全部CFG桩，桩身连续、完整，属于I、II桩，判定为合格［7］。

5.2 监测结果

CFG桩施工于2011年10月竣工，2012年11月结构封顶。沉降观测结果表明，结构施工期间及封顶后至此文截稿时的沉降值均较小(13～22 mm范围)，且很快趋于稳定，满足设计要求。

6 结语

(1)回填碾压质量控制。因本工程中回填土必须作为桩间土承担上部荷载，因此对其回填质量的控制必须十分严格。同时也因为对其承载力的要求，必须选择能够检验回填土承载能力的方法。本实例中选用压实系数和钎探测试2种方法，分别检验回填土的物理指标和力学指标，是周全、合理的选择。

(2)高置换率CFG桩。考虑到填土的不均匀，采用高置换率方案，一方面从受力的平面分布上降低了复合土体内填土面积占比，从复合地基的构造形式上削弱了填土的不利影响;另一方面在置换率较高时桩土应力比较大，即桩体承担的荷载较高，从而减轻了桩间土(填土)分担的荷载，尽量使其少受力、少变形，从复合地基受力特性上降低了填土的不利影响。

［1］编委会.工程地质手册(第四版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［2］编委会.地基处理手册(第三版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［3］JGJ 79－2002，建筑地基处理技术规范［S］.

［4］GB 50007－2011，建筑地基基础设计规范［S］.

［5］DBJ 11－501－2009，北京地区建筑地基基础勘察设计规范［S］.

［6］JGJ 94－2008，建筑桩基技术规范［S］.

［7］JGJ 106－2003，建筑基桩检测技术规范［S］.

［8］徐至钧.水泥粉煤灰碎石桩复合地基［M］.北京:机械工业出版社，2004.