南京市江宁区某别墅CFG桩地基处理与优化设计

2020-11-23赵云辉防灾科技学院河北廊坊065200

安徽建筑 2020年11期

赵云辉（防灾科技学院，河北廊坊 065200）

1 引言

我国是一个拥有九百六十多万平方公里国土面积的大国，地域辽阔、幅员广大，由于各个地区的地理环境不一样，从而导致各个地区的土质与土层情况也不尽相同，而地基条件也有很强的区域性；随着土木工程技术的发展和当前世界经济不断繁荣，现阶段修建的建筑物或构筑物的高度是越来越高，建筑物或者构筑物的高度不同，对地基的强度要求也就不一样[1]。当人们选择在地质不良的地区修建建筑物或者构筑物时，就要对天然地基进行人工改良或处理，从而使其满足工程需求。

CFG桩（全称水泥粉煤灰碎石桩）是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘结强度的桩，它和桩间土、褥垫层一起形成复合地基[2]。

桑松魁[3]等依托静荷载试验和场地勘察报告研究了影响CFG嵌岩短桩承载性状和沉降变形的主要因素，发现CFG桩复合地基的沉降变形主要来自桩身的压缩量；蔡杰龙[4]等以广东省内某大型水利枢纽工程中的混凝土纵向围堰为例，介绍了CFG桩复合地基设计要求、技术参数和施工工艺，并利用试验检测其应用效果。结果表明，CFG桩能满足设计要求，处理完成的地基沉降量均匀，地基承载效果良好。李松然[5]针对灰土挤密桩和CFG桩的施工要求，以及具体设计和相关效果进行讨论，并且提出了具体的运用策略和运用方法，可以为实际工程提供参考依据。曾华健[6]等利用PLAXIS 3D有限元研究了强夯碎石桩联合CFG桩复合地基进行地基处理的效果，分析了强夯碎石桩联合CFG桩复合地基的加固机理，对地基处理后不同荷载作用下差异沉降进行了计算。

通过总结以上研究成果，目前大部分学者对于CFG桩的研究内容包括CFG桩本身的性能以及加固效果，随着现代科技的进步，地基处理方法也在不断改善，地基处理技术也在进步[7]。如近年来兴起的振冲法、预浸水法、CFG桩、加筋法及井点降水法等地基处理技术先后被开发使用，并且效果良好。

为了掌握CFG桩的应用效果，并为国内外相关工程提供参考依据，本文对CFG桩复合地基在处理中的应用进行了研究。

2 CFG桩工程设计应用

2.1 工程概况及地质条件

工程为南京市江宁区某水库旁的一栋别墅，拟建场地原为山坡荒地，经人工推填整平，地形总体上西北高、东南低。别墅下设1层独立地下室、底板埋深3.6m。地基持力层承载力标准值为200kPa。要求地基承载力设计值达到360kPa。设计地坪标高 85.90m～88.30m。本场地按现整平标高考虑均为填方区，若先回填整平再开挖施工，不仅施工难度大且大幅增加建设成本。

地基土物理力学性质参数表表1

根据野外勘察揭露、现场测试及室内试验成果分析，拟建场地在勘探深度范围内，可划分4个工程地质大层6个亚层，地基土物理力学性质参数表详见表1。

2.2 CFG桩工程及优化设计

依据《建筑地基基础设计规范》[8]，计算过程如下：

首先确定面积置换率，按下式计算：

式中m为面积置换率；d0为桩的直径（mm)；ds为桩的间距（mm）；

然后计算增强体单桩竖向承载力特征值，按下式计算：

式中，up为桩的周长（m)；qsi为桩侧第i层土极限侧阻力特征值（kPa)，按当地经验取值；qp为桩的极限端阻力特征值（kPa)，按地区经验取值；αi为桩端阻力发挥系数，对CFG桩可取1.0；li为第i层土的厚度（m）。

按下式计算复合地基承载力特征值：

式中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；λ为单桩承载力发挥系数，宜按当地经验，无经验时，可取0.7～0.9，此处取0.8；β为桩间土承载力发挥系数，宜按当地经验，无经验时可取0.8～1.0，取0.9；AP为桩的截面积（m2）；Ra为单桩承载力特征值（kN）；fsk为处理后桩间土特征值，取130kPa。

由公式知当桩长、面积置换率一定时桩径越大复合地基承载力越小，反之当桩长、桩径确定时，为了保证复合地基承载力则面值置换率增加，所以当选择尺寸时优先选择桩径小的，为了便于施工此处选择400mm。

0.4m桩径的复合地基承载力统计表表2

经CFG桩处理后的地基，当考虑基础宽度和埋深对地基承载力进行修正时，宽度不做修正，即基础宽度的地基承载力修正系数为0，基础埋深的地基承载力修正系数为1。经深度修正后的复合地基承载力计算公式为

式中：γm为基础底面以下土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，取值17.76；d为基础埋置深度，对于地下室，如采用箱型基础或筏形基础时从室内地面标高算起，取8.0。由于工程需要fa=500kPa，因此 fspk=fa-γm（d-0.5）=366.8kPa。

由公式（1）知，面积置换率m与桩径d0、桩间距 ds有关，将 d0、ds公式（1）代入公式（2）、公式（3）得：

从复合地基承载力与桩长、桩径、桩距的关系知，提高承载力需要桩长越长越好，桩距越小越好，桩径越大越好。从经济角度看，在满足安全的前提下，桩长与桩径都越小越经济，桩距越大越经济。初步确定的桩长范围是15m～18m，桩径范围为350mm～600mm，桩距范围为1.5m～2.2m，初选方案为桩长16m，桩径400mm，间距1200mm。

桩长16m、桩径400mm的复合地基承载力计算结果见表2。

用分层总和法计算复合地基沉降量，计算公式为：

式中：S为地基最终沉降量（mm）；S'为按分层总和法计算地基沉降量；φs为沉降计算经验系数；n是地基沉降计算深度内所划分的土的层数；P0为对应于荷载标准值时的基础底面处的附加应力，取400kPa；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量，加固区按复合模量计算；Zi，Zi-1为基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；αi，αi-1——基础底面计算点至第i层、i-1层土底面范围内平均附加应力系数；

按分层总和法计算，分层厚度为1m。

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值可按下式确定：

式中：fak为基础底面下天然地基承载力特征值(kPa)。

分层总和法CFG桩沉降计算表3

分层总和法计算结果见表3。

桩长16m处理层深度在第6层，地基变形计算深度Zn应符合下式要求：

式中：ΔS'n为在计算深度范围内，第i层土的计算变形值；ΔS'n为在由计算深度向上取深度为Δz的土层计算变形值，基础宽度b=9m，取Δz=1.0m。当压缩层在第4层时，总沉降量s=87.67mm<200mm，符合要求。

复合地基的沉降计算经验系数φs可根据地区沉降观测资料统计值确定，无经验取值时，可采用表4的数值。

沉降计算经验系数φs 表4

Es为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，应按下式计算：

式中：Ai为加固土层第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值；Aj为加固土层下第j层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。经计算，地基总沉降为87.67mm，取经验系数0.20，最终沉降为17.54mm。

3 CFG桩工程量及费用计算

工程费用的多少主要取决于材料的用量，而CFG桩总用材主要是由桩数n、桩长L、桩截面积AP确定：

式中：A为场地建筑物的总面积，所以总用材只与桩长和面积置换率有关，且与桩长成正比，与面积置换率的平方成正比。因此设计时优先选择桩间距大、桩径小的桩。

根据规范[9]计算布桩数：

式中：A为基础底面面积m2；Ap为桩截面面积。理论布桩数为153根，实际布桩数要比理论的多，实际布桩数为167根。

当复合地基承载力进行基础埋深的深度修正时，增强体桩身强度应满足公式：

式中：fcu为桩体混合料试块（边长150mm立方体）标准养护28d抗压强度平均值（kPa），经计算为 17.5MPa。

根据现行规范[10]要求，同时考虑荷载、地层、桩长影响因素，设计需采用标号C20的商品混凝土方，施工时以试验室提供的配合比为准。经了解，南京地区CFG桩工程综合单价为380元/m3，工作内容包括工程桩的成孔、混凝土灌注、泵送、破桩头及配合桩淤泥与桩间土清运技术管理以及与当地村民的协调等内容，综合单价均包含直接工程费、措施费、管理费、人工费、利润、税金、设备进出场费、材料试验费、技术资料费及各种可能风险等所有费用。综合单价组成明细见表5。