浅谈水泥粉煤灰碎石桩复合地基的设计

张桂艳

（沈阳鼎信结构设计事务所有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 前言

随着社会的进步和发展，我国的基本建设和可用建设的土地日益减少，需要地基处理的工程不断增加。地基处理的设计和施工应做到安全适用，经济合理，保证其质量前提下保护好环境。水泥粉煤灰碎石桩复合地基是地基处理方法中的一种，其可适合处理粉土、黏性土、砂土和正常固结的素填土等地基适用于条形基础、独立基础、箱基及筏基等基础。根据现场实际情况及施工工艺，在节约资源和保护环境的条件下，合理地选择好桩型，以便于保证设计对地基承载力和变形的设计要求。

1 工程案例

1.1 工程概况

某一多层住宅采用筏板基础，基础埋深3.3m，基底尺寸为12m×42m，地下水位在地面下3.9m，基础底面处相应于荷载的标准组合的竖向压力包括基础自重为=151200kN，准永久组合的竖向压力=90720kN（包括基础自重）筏板下采用CFG桩复合地基，桩径=0.4m，桩长16m，桩端的持力层为⑤粉质黏土层。工程地质剖面如图1所示。

图1 工程地质剖面图

1.2 基础设计

由上述工程概况，单桩竖向承载力特征值R及实际修正后的复合地基承载力特征值f的确定如下，暂定复合地基承载力特征值为f=300 kPa。

解答如下。根据土的性质质及桩长范围处理的时粉质黏土，复合地基CFG 桩的施工采用长螺旋钻孔压灌桩成桩工艺，已知：桩径=0.4m，桩长16m，桩端的持力层为⑤粉质黏土层，暂定CFG桩采用C20混凝土。CFG水泥粉煤灰碎石桩的单桩竖向承载力特征值R的确定如下。

式中：-桩长范围内所划分的土层数；q-第层土的侧阻力特征值（kPa）；L-第层土的厚度（桩长范围内）；a-桩端阻力发挥系数，按地区经验确定a=1.0；A-桩的截面面积；q-桩周第层土的桩端阻力特征值（kPa），可按地区经验确定。当采用单桩载荷试验时，R=Q/2；Q-单桩竖向极限承载力。

已知=0.4m，A=3.14×（0.4/2）2=0.126m，桩长为16m，桩端持力层为④粉质黏土层。单桩竖向承载力特征值R由公式（1）计算。

深度修正后复合地基承载力特征值确定如下。

求取桩距：已知筏板板厚=800mm，基础底面处相应于荷载的标准组合的竖向压力包括基础自重为

=151200kN ，暂定f=300kPa，基底的平均反力如下。

根据公式（2）～公式（4）反算桩距及修正后的复合地基承载力特征值f。

式中：f-复合地基承载力特征值（kPa）；-CFG的单桩承载力发挥系数，一般=0.8～0.9按地区经验取；R-CFG的单桩竖向承载力特征值；-CFG的面积置换率；为桩身平均值（m）；d为一根桩分担的处理等效圆直径；-CFG的桩间土承载力发挥系数，无经验时可取=0.9～1.0，有经验可按地区取值；A-桩的截面面积；f-桩间土承载力特征值（kPa）（处理后的），有经验可按当地取值，无经验可取天然地基承载力特征值。

已知：=0.85，R=631kN，=0.95，f=130kPa，A=0.1256m，由公式（2）计算。

计算出置换率大概为=3.6%，由公式（3）算出=1.87m 按正方形布桩，由公式（4）算出=1.65 m，该工程实际取=1.6 m＜1.65 m，则满足设计要求。

深度修正后复合地基承载力特征值f计算如下。

=1.6m，根据公式（4）=1.808m；由公式（3）计算，=0.42/1.8082= 0.049×100%=4.9% 则通过公式（2）反算求出实际复合地基承载力特征值f=320kPa，满足承载力的要求。

实际经深度修正后地基承载力特征值按式（5）计算。

式中：η-深度修正系数；-深度（m）；γ-基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度（kN/m）。

已知γ=18kN/m，=3.3m，因地基处理则η=1.0，由公式（5）计算。

f=320+1.0×18×（3.3-0.5）=370kPa≥P=300kPa，满足设计要求。

当复合地基承载力进行深度修正时，桩身强度应满足下式。

式中：f-（边长150mm 立方体）桩体试块标准养护28天的立方体抗压强度平均值（kPa）。

已知γ=18（kN/m），=3.3m，=0.85，R=631kN，f=370kPa，A=0.1256m，由公式（6）计算。

CFG桩采用C20满足设计要求。

1.3 复合地基基础局部构造

构造如图2所示。1）褥垫层。在桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层采用级配砂石，碎石最大粒径不应大于30mm，褥垫层厚度300mm，不应采用卵石，褥垫铺设采用静力压实法，垫层压实系数不小于0.94。2）桩布置。桩根据结构竖向构件的布置及受力大小，桩距布置为小于等于1.6m，桩长不小于16m，桩端持力层为⑤粉质黏土层，共需要254根。桩长范围内是粉质黏土层，桩径为0.4m，根据当地经验选用长螺旋钻孔压灌桩。当桩施工时，桩顶应预留高出设计桩顶标高0.5m的保护桩长。

图2 复合地基基础局部局部构造详

1.4 质量检测设计要求

水泥粉煤灰碎石桩竣工时，复合地基承载力验收应采用静载荷试验并且还得进行单桩竖向承载力的静载荷试验。桩身强度满足试验的条件下，在施工结束28天后需要进行承载力检测；每个单体工程的复合地基静载荷试验数量不应少于3点，且复合地基静载荷试验和单桩静载荷试验的数量不应少于总桩数的1%。桩身完整性检测，应抽取不少于总桩数的10%，进行低应变动力试验。复合地基尚应进行竖向增强体及周边土的质量检验。

1.5 筏板基础中心点O 的最终沉降量

计算如下。已知=124990kN，=12m×42m，基础埋深=3.3m，γ=18kN/m根据公式（7）。

已知f=320 kPa，f=130kPa，值可按下式确定。

已知=12m沉降计算深度Z：Z=（2.5-0.4ln）=12×（2.5-0.4ln12）≈18m。

表1 地基沉降计算表

根据：Δ/ ∑=2.37/95.86=0.0247＜0.025， 满足设计要求。

综上所述，筏板基础中心点的最终沉降量为37 mm。

2 设计要求

2.1 设计对CFG桩的要求

桩可布置在基础范围内，桩端应选择承载力和压缩模量相对较高的土层作为桩端持力层，以便发挥桩端阻力，避免建筑物沉降不均匀。桩径：一般取 300mm～600mm 桩径与选用施工工艺有关。桩径 350mm～600mm 适用于长螺旋钻中心压灌、干成孔和振动沉管成桩；桩径 600mm～800mm 适用于泥浆护壁钻孔灌注素混凝土成桩；桩径 300mm～600mm 适用于钢筋混凝土预制桩条件相同的情况，桩径越小，桩的比面积越大，单方混合料提供的承载力越高。桩距：桩距根据建筑物控制沉降量、设计要求的复合地基承载力、土性、施工工艺等综合考虑确定的，一般取 3～5倍的桩径。

2.2 设计对施工的要求

设计对施工的要求如下：1）CFG桩的施工，应根据现场场地条件，设计要求及施工工艺而确定。2）在成桩过程中，抽样做混合料试块时每台机械每台班不应少于1组。3）为了防止桩间土扰动及桩身断裂，在截桩和清土时，应采用人工剔除或者小型机械等措施。4）在冬季施工时，桩头及桩间土应采取保暖措施，混合料入孔温度不小于 5℃。5）褥垫层的夯填度不应大于0.9。宜采用静力压实法。当基底桩间土含水量较低时，也可采用动力夯实法。CFG桩施工工艺的选用表见表2。

表2 CFG桩施工工艺的选用表

2.3 褥垫层的设计要求

褥垫层位于桩顶和基础之间，最大粒径不宜大于30mm，材料宜采用中砂、粗砂、 级配砂石和碎石等，厚度宜为桩径的 40%～60%。褥垫层的作为复合基础的组成部分，不容忽视。其作用如下：减少基础底面的应力集中。是保证桩、土共同作用，形成复合地基的前提条件。褥垫层厚度的变化，可以调整桩竖向荷载分担比例，桩承担的竖向荷载占荷载的的百分比越低则褥垫层越厚，反之则越高；也可以调整桩的水平荷载分担比例，褥垫层越薄，桩分担水平荷载分比大，土则分担的水平荷载越小。综上所述，较厚的褥垫层比较适用于地震设防区。

2.4 CFG桩复合地基承载力特征值

根据静载荷试验结果及周边土的性质，按照规范确定。

2.5 CFG桩复合地基的质量验收

根据规范CFG桩应进行强度及桩身完整性检验，同时应进行单桩竖向承载力和复合地基承载力的静载荷试验。

3 结论

综上所述，对CFG桩法设计的复合地基建议如下：1）CFG桩复合地基属于地基处理加固范畴，具有承载力提高幅度大、地基变形小、适用范围广的特点。复合地基的设计应由具有相应资质的注册岩土程师完成，施工应由有资质的施工队伍进行施工。2）在选择桩端持力层时，尽量选择相对较好的土层上，避免建筑物的不均匀沉降。同时CFG桩的设计最好是通过桩距及桩长来调整桩数，以满足不同承载力、不同沉降对CFG桩的布置要求。3）CFG应进行强度及桩身完整性检验，复合地基承载力和单桩承载力应采用静载荷试验确定。4）CFG桩施工完成后，应通过试验对复合地基做出评价，并作为基础设计及后面施工的依据。5）应重视褥垫层在复合地基的作用，它不但可使桩间土承载力充分发挥，而且其厚度的多少决定CFG桩和桩间土二者的所承受荷载的占比。6）根据现场实际情况，桩距较小时，可采取跳打措施，桩顶应预留高出设计桩顶标高0.5米的保护桩长。合理的CFG桩复合地基设计，不但可以提高工程经济，还可以节约工程造价。