CFG桩复合地基在公路挡墙地基处理中的应用

2018-11-09刘洋宇王亮

中小企业管理与科技 2018年3期

刘洋宇，王亮

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明650051）

1 复合地基简介

复合地基指部分土体被增强或被置换，形成由地基土和竖向增强体共同承担荷载的人工地基，复合地基强调桩与桩间土共同承担荷载。根据桩体材料的不同，可分为两类，其一是有粘结强度的桩，如：CFG桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、夯实水泥土桩；其二是无粘结强度的桩，如：振冲碎石桩和沉管砂石桩、灰土挤密桩和土挤密桩、柱锤冲扩桩等。

2 CFG桩设计方法

2.1 适用性及效果

CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩。桩、桩间土和褥垫层构成复合地基。

就地基土质而言，CFG桩复合地基适用于处理粉土、黏性土、砂土和自重固结已完成的素填土地基。但对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性，就基础形式而言，既可适用于筏基、箱基，也可用于条基、独立基础等。

通过CFG桩复合地基处理后的地基，不但可以较大程度地提高地基承载力，还可降低地基变形。工程实例和经验表明，此法在抗震设防区也有较好的效果。如成都某建筑40层，高度119.9m，持力层为强风化泥岩，采用该法处理后，承载力和变形均满足规范要求，并且经受住了汶川“5.12”地震的考验。

2.2 加固机理

CFG桩复合地基通过半刚性桩体置换原相对柔性的地基土，桩体起加筋、排水作用，并通过褥垫层使桩体与桩间土两种介质共同承担荷载，形成复合地基。

2.3 设计计算

CFG桩复合地基设计依据为：勘察报告、场地条件、结构形式、对承载力和变形的要求及现有的施工机械种类、地区经验等。

第一，设计原则。满足承载力和变形要求，满足桩与桩间土变形协调要求。第二，持力层选择。应尽量选择承载力和压缩模量相对较高的土层作为持力层，以充分发挥桩的端阻力，也可避免地基岩性变化引起的不均匀沉降，同时，好的持力层能让沉降稳定加快。目前施工工艺可以实现较长的桩长，因此在相对软弱层不是很厚的情况下，尽量采用穿过软层而进入硬层的桩体。第三，桩径、桩间距、布桩范围。桩径应根据成孔施工工艺，如长螺旋钻中心压灌、成孔和振动沉管成桩、泥浆护壁钻孔成桩等，选择在300～800mm之间。桩间距应根据基础形式、地基土性、施工工艺以及设计所需的承载力和变形要求综合确定。当桩长范围内有饱和粉土、淤泥等时，采用长螺旋钻孔中心压灌成桩施工中可能发生窜孔、缩颈时宜采用较大桩距；对不可挤密土和挤土成桩工艺宜采用较大桩距。CFG桩可只在基础内布置，通常可采用等边三角形和正方形布置；还可以与其他桩型组合形成多桩型复合地基，以适用地基承载力和变形要求更高的地基。第四，褥垫层。设置0.4～0.6倍桩径厚度的，由中砂、粗砂、级配碎石等组成褥垫层，可以起到保证桩和桩间土共同承担荷载、减少基底应力集中、调整桩与桩间土水平荷载分担比例、充分发挥桩间土竖向承载力的作用。第五，承载力。对CFG桩复合地基承载力特征值fspk按下式计算：

其中Ra为单桩竖向承载力特征值，它由两类承载力控制：其一是由（2）式表达的桩周土对桩体产生的桩侧摩阻力及桩端土对桩体提供的桩端阻力之和；其二是由（3）式表达的桩体材料强度。Ra对承载力影响较大，采用较好的持力层可以增大参数qp值，采用较高的材料强度可增大fcu值，均对提高承载力有帮助。复合地基基础宽度地基承载力修正系数取0，基础埋深承载力修正系数取1。第六，变形。复合地基变形计算深度应大于复合土层，复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，ζ为复合地基承载力特征值与基础底面下天然地基承载力特征值之比。通常ζ>1，因此复合土层内的土体压缩模量增加，该区段恰好处于附加应力面积较大区，因此对地基变形起主导作用；而复合土层以下土层虽然压缩模量未增加，但处于附加应力面积较小区，其对地基变形起次要作用[1]。综上所述，基底地基层次中，位于上部的复合土层因压缩模量的增大而使得地基变形量减小。

3 CFG桩施工工艺与检验

3.1 施工工艺

施工工艺可分两大类：对桩间土产生扰动或挤密的施工工艺，如振动沉管打桩机成孔制桩；对桩间土不产生扰动或挤密的施工工艺，如长螺旋钻灌注成桩。

3.2 检验

检验分施工质量检验、竣工验收检验、承载力检验以及桩身完整性检验等。

4 CFG桩在工程上的应用

4.1 工程概况

某二级公路位于西双版纳，全长38km，设计速度60km/h，路基宽12m，公路为Ⅱ级，沿江而建，抗震设防烈度为8°；道路中间规划一水电站，正常蓄水位会导致电站上游路段的部分挡墙基底、墙身淹没。挡土墙共由5种形式，分别如下：非浸水地区：俯斜式路肩、衡重式路肩、俯斜式路堤挡土墙；浸水地区：俯斜式路堤、衡重式路肩挡土墙。

4.2 设计思路

第一，梳理。地基设计时，根据路线规划图、路线纵断面地质填图、地勘报告、路基横断面图、挡墙布置表、挡墙标准图、并考虑浸水对地基承载力和土压力计算的影响，将路线、挡墙、地勘进行一一对应，对全线挡墙进行梳理，将地基承载力不满足段的桩号理出，优先采用换填法处理。当采用换填措施后，地基承载力仍不能满足设计承载力要求时，则采用复合地基方法。根据地勘报告及规范，本工程挡墙地基土以黏性土为主，结合对当地处理经验的调查，能采用CFG桩复合地基处理。第二，统计。对需要进行CFG桩处理的挡墙段，列表统计相关资料：运营期是否浸水、挡墙形式、基底宽度、挡墙所需承载力、地基土质、地下水位、地基土承载力、桩侧摩阻力、桩端阻力、基底至承载力相对较高土层的距离等，将设计所需资料进行统计，为详细设计做好准备。第三，设计计算。根据统计资料及规范，对由CFG桩处理的挡墙段进行设计计算。采用置换率高的正三角形布桩法，通过试算确定合理桩径、桩间距。桩长方面，考虑挡墙对地基承载力的要求随墙高、形式的不同而不同，以及实际地质情况与勘查地质填图的可能差异等多种因素，因而设计时给出标准图形式，采用参数化设计方法，以桩长为变量，通过调整桩长获得不同的承载力，满足各段需要处理的挡墙的承载力需求。

承载力设计的同时，对挡墙所处场地的稳定性、复合地基变形等也需验算。同时在设计文件应提出对施工、检验的相应要求。

需要注意的是：①挡墙基底采用凸榫结构时，凸榫及其放坡线范围的CFG桩桩顶高程应根据凸榫高度降低；当挡墙基底为斜坡时，采用变厚度褥垫层，并沿基底倾斜方向，CFG桩桩顶高程也相应倾斜；②CFG桩设计时按地勘资料选择承载力和模量相对较高的土层作为桩端持力层。若施工时，发现在本设计所列桩长范围内，桩底土层承载力仍未提高，应加长桩长[2]。

4.3 设计成果

设计成果为：桩直径0.5m，平面上按正三角形布置，桩间距1.5m，桩长有6～8m、11m、12m；褥垫层采用0.2m厚度的级配碎石，碎石粒径为8～20mm，夯填度不大于0.9，每边宽出基底0.5m，CFG桩桩顶嵌入褥垫层不低于10cm；对CFG桩桩体的要求：桩体混合料试块（边长为150mm立方体）标准养护28d立方体抗压强度平均值不低于12MPa；复合地基的地基承载力是原状土的1.3～2倍，提高效果明显，复合土层的压缩模量亦相应提高，沉降满足要求。