CFG桩复合地基在水利基础处理中的应用

2020-06-04侯永强

陕西水利 2020年3期

侯永强

（福建省水利水电建设有限公司,福建福州 350001）

0 引言

复合地基是一种人工地基，在一定的基础上设置一定比例的加固体，土体和加固体共同承担上部荷载，是软土地基处理的有效方法，已广泛应用于软土地区，尤其是水利建筑的基础处理[1]。CFG桩复合地基又称水泥粉煤灰碎石桩复合地基，它是由中国建筑科学研究院地基基础研究所成功开发的，一般由碎石、碎石和粉煤灰等组成，CFG桩、桩间土和垫层共同构成复合地基。大量工程实践表明，CFG桩复合地基工程具有造价低、材料易拔、工艺可靠等特点。广泛应用于粘性土、粉质土、砂土等软土地基的处理[2]。

1 工程应用

1.1 工程概况

福州地区大学新校区防洪排涝体系溪源泄洪洞工程位于福建省福州市闽候县上街镇、竹歧乡，泄洪洞工程由进水口、隧洞段、浅埋钢管段和出水建筑物等组成。其中工程设计出口浅埋钢管段地基采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）处理，具体布置见图1 。进水口位于溪源水库大坝左岸上游约300 m，出水建筑物位于竹歧苏洋村附近，溪源泄洪洞的工程任务是排洪。泄洪洞设计流量310 m3/s，最大静水头106.72 m；隧洞段水平长6572.6 m，断面为圆形，内径6.6 m；浅埋钢管段水平长510.5 m，断面为圆形，内径6.0 m；出口工作闸室段水平长28 m，泄洪洞总水平长7111.1 m。在进水口下游约100 m隧洞处布置事故检修闸门井，平板闸门孔口尺寸6 m×6 m；在出口工作闸室段布置工作弧形门，孔口尺寸4.2 m×5.35 m，接着是出口挑流泄槽，下游为消力池及与闽江连接的明渠段；在隧洞段出口附近布置4 m×4 m的检修井，检修井中布置抽水泵、控制阀及进人孔；在泄洪洞出口附近布置管理楼和连接道路等。

图1 CFG桩的桩布置图（尺寸单位：mm）

1.2 水文地质条件

地下水类型主要为孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水储藏于沿河的冲积层和坡残积层内；基岩裂隙水储藏于基岩裂隙内。地下水主要受大气降水补给，高处向低处渗流汇入冲沟和河流，地下水位变幅随季节而变化。

工程区气候温暖潮湿，雨量充沛。工程区西南部、中部地势陡峻，沟谷切割较甚，冲沟坡度较大，水流急，排水顺畅，岩石储水空间有限，大气降水多以地表迳流流失，导致岩石富水程度较弱，泉流量一般都小于0.3 L/s。工程区东北部为低矮山包、闽江冲积阶地，地下水补给闽江。

2 CFG桩设计计算

2.1 初步设计

桩后复合地基承载力特征值fspk≥270 kPa，Esp≥150 MPa，桩身强度大于或等于10 MPa，根据场地岩土工程地质条件。桩端持力层选用稍密卵石层，要求桩进入持力层不小于500 mm，桩身考虑设置300 mm的保护桩，截桩后净桩长不小于1.50 m。

2.2 复合地基承载力特征值评价

（1）CFG桩间土承载力特征值的确定

根据场地岩土工程勘察报告中的地层条件和土的物理力学参数见表1，我们还考虑了基底以下各层顶层按厚度加权的实际影响。由于桩间土为粉质粘土，压实后承载力特征值为160.0 kPa。

桩端阻力特征值 qp（kPa）籽粒灌浆 0 19.0 80 3.0 10粉质粘土 1.5 19.5 160 6.0 30松散砾石 0 20.5 180 20.0 40密实卵石 0.5 21.0 350 24.0 1200 60土壤厚度H（m）重度γ（kN/m3）承载力特征值 fsk（kPa）压缩模量Es（MPa）CFG桩桩侧阻力特征值 qsi（kPa）

（2）计算CFG桩的承载力Rα

以31 号勘探点为最不利计算点，切桩后实际桩长2.00 m，桩径0.35 m，按规范要求，单桩承载力特征值Rα为：

式中：Up为桩周长m；qsi为第i层土的侧阻力特征值，kPa；qp为第i层土的桩端阻力特征值，kPa；li为第i层土厚度m；Ap为桩截面面积m2。

经计算，Rα=197.82 kN，取190 kN。

（3）CFG桩最小面积置换率的计算

根据复合地基承载力特征值fspk公式：

取桩间土承载力发挥系数β为0.75 ，置换率m为：

式中：fsk为桩间土承载力特征值。

（4）CFG桩间距的确定

根据置换率公式m=d2/d2e，得到：

式中：d为桩身平均直径m；de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径m。

（5）CFG桩复合地基承载力的特征值估算

根据复合地基承载力特征值计算公式：

由计算结果可知，满足复合地基承载力设计要求。

2.3 CFG复合地基压缩模量的计算

根据规范中的压缩模量公式：

其中：

式中：Esp为复合地基土的压缩模量MPa；Esa为桩间地基土层的压缩模量加权值MPa，为9 MPa；ζ为模量增长系数。

2.4 CFG桩强度及配比的确定

（1）桩强度

当前抗压强度fcu应通过桩混合料试块（100 mm×100 mm×100 mm）养护28 d抗压强度的平均值来确定，因此，该值根据C10 确定。根据标准公式:

经计算，结果满足设计要求。

（2）配合比设计

桩材料以碎石为主（碎石粒径2 cm～5 cm，骨料小于材料的3%），具有一定的粗砂、水泥等机理，施工配合比参照《普通混凝土配合比设计规范》（JGJ 55 -2011），坍落度不大于3 cm，采用现场机械。通过配合比设计试验确定了C10 的配合比。

3 褥垫层

由于褥垫层，CFG桩可以保证外荷载由桩间土和桩共同承担，并且可以调整到竖向荷载比，以保证地基承载力和设计要求，因此，在桩施工完毕后，人工挖土到设计的底标高[3]。褥垫层，切桩，并将褥垫层置于基础区复合地基的顶部（基础边界线向外膨胀300 mm），以保证桩和土共同承受荷载。垫层采用级配中粗砂和约70%的碎石，碎石粒径不宜大于30 mm。褥垫层厚度合理，对CFG复合地基的承重和沉降影响较大，因此，设计的假地垫位于桩顶，在桩顶，桩顶施工，最大可达300 mm，使承压的压力增大。基地将减少，并将减少到0.87～0.90。

4 复合地基的质量保证

4.1 材料质量控制

桩体材料主要由卵（碎）石、粗砂、水泥和水组成。为此，CFG桩采用2 cm～5 cm卵（碎）石，含泥量小于3%，水泥采用P.C32.5 复合硅酸盐水泥，为保证加固效果，采用15 cm～20 cm重锤将桩尖夯入卵石层，当配合比满足要求时，坍落度控制在10 mm～30 mm。

4.2 CFG桩的质量控制

独立基础时，桩位偏差不应超过桩径的0.40 倍，即160 mm，竖向偏差不应超过1%，桩径允许偏差为20 mm，桩尖深入持力层不小于800 mm，入孔后，桩底剩余空土厚度孔不得大于10 cm。桩孔形成后，空桩应裸冲3～5 遍后进行填塞，用Φ15 cm～20 cm卵石击底，将孔底所有孔填塞，然后进行CFG填塞。为防止断桩的产生，如果施工中填料层坍塌，应重新钻孔，确保施工过程中不发生断桩，每台给料1 斗车（约0.08 m3）捣固5 次后，锤落距离为2.0 m～3.0 m。同时，本工程采用CK-15 A（B）桩机，取样器为改进型大直径取样器（管外径275 mm，刃口外径295 mm，钻孔后孔径可达325 mm），灌注C10 混凝土后，采用800 kg重锤自下而上夯实，桩径可超过350 mm。

4.3 复合地基的质量检测

为保证工程质量，CFG桩应采用单桩复合地基荷载试验，CFG桩施工完成后15 天应进行质量检测，桩身满足设计要求。检测点为总桩数的1%，每栋建筑物不少于3 个。检测点应具有代表性，桩位应在检测点的中心。检测方法及测点数量按有关规范执行。具体过程是清底至床垫底标高，切桩至床垫底标高，虚铺粗砂层5 cm～15 cm，然后对其进行静载试验。试验结果表明，复合地基承载力特征值满足设计要求[4]。