黄土地区CFG桩复合地基承载性能试验研究

2021-10-22李勇伟何飞宋红民马志强杜荣波

安徽建筑 2021年10期

李勇伟，何飞，宋红民，马志强，杜荣波

（中电建路桥集团西北基础设施建设有限公司，陕西西安 710000）

1 引言

CFG桩是指由水泥、粉煤灰、碎石和石屑等搅拌而成的高粘结性桩，其桩体内部不设置钢筋，桩体与桩间土、褥垫层三者协同形成CFG桩复合地基。该复合地基不但施工工艺简单方便、造价较低，且广泛适用于各类软弱地基提高承载力、控制地基变形和消除黄土湿陷性等，其工作原理如图1所示。

图1 CFG桩复合地基工作原理

本文针对西安市西咸新区某工程实例，根据现场试验探究黄土地区下CFG桩复合地基的承载性能，研究结果可为类似工程地质下的工程应用提供参考。

2 工程概况

2.1 项目概况

拟建工程为西安市西咸新区某高层住宅小区，该项目由12栋高层住宅楼（29～32层）、1栋商务办公楼（21层）和3栋配套公共建筑（3层）组成，其结构体系为框架-剪力墙结构，并采用筏板基础。为提高地基承载力，项目采用CFG桩复合地基进行地基处理。

地层划分及岩性特征

2.2 工程地质条件

场地天然地基条件下，地基持力层为黄土状土③、中砂③-1，其承载力特征值分别为150kPa、180kPa，经修正后的承载力特征值不能满足建筑物荷载要求，必须进行地基处理。

3 CFG桩复合地基参数设计

3.1 桩长

根据地质勘察结果，原有地基土层厚度分布不均，CFG桩的桩体长度对于荷载分布有重要作用。若桩长过长，可能会造成材料浪费，若桩长不足，则可能会使桩端未达到理想的持力层，降低桩基的实际承载力。

场地中分布的中砂⑥及其以下地层物理力学性质较好，埋藏较深，厚度较大，分布连续，其地基土的承载力特征值为210kPa，是较为良好的桩端持力层。综合考虑各楼栋的荷载情况，该项目中CFG桩最短为16.0m，最长为24.0m。

3.2 桩间距、桩径

桩距和桩径大小是影响CFG桩复合地基面积置换率的重要因素，反映了复合地基的置换效果，即CFG桩复合地基的施工效果。

考虑桩体受力特征以及桩间土与桩的协调效果，同时根据褥垫层的厚度，设计CFG桩的桩径为0.4m。桩间距极大影响单桩所分担的荷载以及桩体数量，从而影响复合地基的承载性能和沉降大小，结合工程经验与本工程实际地质特征，设计桩间距为1.3m，在平面上呈正三角形或正方形布置。

3.3 面积置换率

除桩间距与桩径外，桩的布置方式是复合地基面置换率的影响因素之一。面积置换率的改变会使复合地基的复合模量与复合泊松比的数值，提高面积置换率是提高CFG桩复合地基承载力的最有效途径。

对其中一种类型的桩进行计算其面积置换率，该类型CFG桩复合地基设计桩径为0.4m，有效桩长为21.5m，桩距为1.3m，正方形布置，桩身为C35素混凝土。故面积置换率：

CFG桩的截面面积为0.1256m，面积置换率m=0.0744。

4 现场试验及分析

在大规模的桩基施工前，为检验CFG桩单桩及复合地基的极限抗压承载力，并将其作为承载路设计的依据之一并验证CFG桩复合地基在荷载作用下的可行性，选取样本桩进行单桩承载力试验和复合地基承载力试验，如图2所示。

图2 CFG桩基检测

4.1 单桩竖向抗压承载力试验

4.1.1 试验方法

CFG桩复合地基的单桩竖向抗压承载力采用堆载法检测，加载系统由1台6300kN或3200kN液压千斤顶，通过高压油管、高压电动油泵加载。试验加载方法为慢速维持荷载法，按桩的设计荷载分为十级，每次施加两级荷载，逐级加载至预估的单桩极限承载力后，再增加两级荷载。

试验过程中，对桩顶的沉降进行实时观测并记录沉降数据，直至达到终止加荷的条件。

4.1.2 试验数据采集及分析

选取6根工程桩进行单桩竖向抗压承载力试验，并记录整理其荷载-沉降实时数据，得到6根桩的单桩静荷载的试验数据及Q-s曲线，如图3所示。

图3 单桩静荷载Q-s曲线

根据图3显示，6根试桩单桩竖向静载荷试验的Q-s关系曲线均比较光滑，曲线均属于缓变型，无明显的转折点，在最大加载至2200kN时，最终沉降量介于12.580mm～15.755mm之间，均未达到破坏状态，即三桩单桩竖向极限承载力值为2200kN。

按国家行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）的规定综合判定，桩径为0.4m，桩长约21.5m的桩单桩竖向承载力特征值为1100kN。

4.2 复合地基抗压承载力试验

4.2.1 试验方法

在复合结构中，其抗压承载力是以单桩地基为试验中心，整体分担相同荷载的一块等效的地基承压板上逐级依次施加复合荷载。试验前需对原地面进行地基处理，试验中反力由压重平台反力装置提供，承压板直径为1.365m。加载装置采用千斤顶，试验加载为慢速维持荷载法，试验的加载量为设计单桩复合地基承载力特征值的2倍，加载分级进行，每级加载量为最大加载量的1/8。

4.2.2 试验数据采集及分析

试验全过程对6根试桩的荷载-沉降变化进行记录，同时观察记录承压板的变形量，并得到6根桩的复合地基静荷载的p-s曲线及承压板的相对变形量曲线，如图4、图5所示。

图4 复合地基静荷载p-s曲线

图5 复合地基承压板相对变形量

图4、图5中静载荷试验的压力p（kPa）与对应沉降量s（mm）显示：当压力加载至1260kPa时，最终沉降量介于12.725mm～13.367mm之间，相对变形量s/d介于0.0093～0.0098，均未达到破坏状态。根据地基处理规范，复合地基承载力特征值为630kPa，相应的s/d值介于0.0031～0.0038，满足设计要求。

4.3 桩身完整性试验

4.3.1 试验方法

根据规范设计，需通过CFG桩低应变反射波法检测桩体完整性、单桩竖向抗压静荷载试验检验复合地基承载力特征值是否达到设计要求。在桩头布置接收点和激振点，用激振锤敲击桩顶，通过内部加速度传感器接收检测信号从而得到传播速度，以此判断桩体的完整性。

4.3.2 试验结果

桩基施工完毕后，对桩基总量的20%进行低应变动力检测，并对桩身完整性进行检测。为了使试验数据更为精确，在桩顶部不同位置分别激发采集数据，增大试验结果的可靠性。按《基桩低应变动力检测规程》（JGJ/T93-95）检测混凝土灌注桩桩身完整性，占全部CFG桩比例为22.16%，满足规程要求。其中低应变检测桩均属Ⅰ、Ⅱ类桩，桩身不足以影响承载力的质量问题，满足设计要求。低应变动力检测结果满足《基桩低应变动力检测规程》（JGJ/T93-95）。