CFG桩复合地基参数变化对软土地基处理的影响分析

莫艳合，梁冰心

（中冀建勘集团有限公司，河北石家庄 050000）

1 工程概况

拟建新区规划路位于某沿海城市高新技术产业开发区，从上至下的地层构成分别是①层杂填土～②层粘土～③层淤泥～④层细砂～⑤层淤泥～⑥层中砂～⑦层花岗岩，由于项目对工后沉降要求较高，经过对多种软基处理措施进行综合比选后，确定采用CFG 桩复合地基进行软基处理。CFG桩复合地基设计桩身强度为C15，基桩呈矩形布置，碎石直径在20～30mm范围内，石屑直径在2～10mm范围内且杂质含量需控制在5%以内。水泥选用无结块未变质的普通硅酸盐水泥，混合料的搅拌时间不低于2min，为了有效改善混合料的和易性，项目部在混合料内适当的增加了水泥和细砂用量，相应减少了粉煤灰用量。控制混合料的坍落度在3～5cm内，控制混合料密度不低于22t/m3。CFG桩复合地基设计直径为400mm；CFG桩有效桩长为16.5m，矩形布桩，桩间距为1.5m，褥垫层厚度为50cm。针对设计方案的最不利处进行了理论验算，验算结果满足要求，进一步验证了设计的合理性。

为了研究CFG桩复合地承载能力和沉降量受CFG桩桩长、桩间距、桩身直径以及褥垫层厚度参数的影响情况，以规划路C1+052.8～C1+082.8 路段为研究背景，从通过改变其中一个变量来分析CFG桩复合地承载能力和沉降量变化情况。

2 CFG桩单一参数变化对复合地基的影响分析

2.1 改变桩长

通过单一改变桩长长度，将桩长长度作为变量来分析CFG 桩复合地基承载能力和沉降量的变化情况。由于项目所在地常用CFG桩灌注设备能达到的最大长度为18m，所以在桩长变量方面可达到的最长长度为17.5m。桩间距、垫层厚度以及桩身直径不变的情况下，单一改变桩长的设计方案见表1。

表1 桩长作为单一变量的设计方案表

通过理论计算确定了改变桩长前和改变桩长后几种情况的承载力数值和沉降量数值，详见表2。

表2 不同CFG桩复合地基桩长所对应的承载力和最终沉降量

根据表1、表2 中的数据，分别绘制出桩长变化对CFG桩复合地基承载力影响曲线和桩长变化对CFG桩复合地基沉降量影响曲线，如图1 和图2 所示。从图1可知，当桩的长度增加时，CFG桩复合地基的承载力是逐渐增加的，但是增加的幅度有限。这主要是因为桩的长度较短时，桩身影响范围只限于其周围土体，继而限制了其加固深度；当桩的长度增加时，桩体周围土体的挤密程度增加，继而增加了桩体的加固深度，增加了复合地基的承载能力。换言之，桩长的长度增加可以使桩土共同分担上部结构传递的荷载，行之有效地增加地基承载能力[1]。从图1曲线曲率的变化可知，当有效桩长增加到17m 后，复合地基的承载力变化开始减缓，也就是说当桩长增加到一定长度后，桩长对复合地基的承载能力的影响减弱，基于此，在设计CFG桩复合地基桩长时，要合理选取桩长设计值，避免工程成本浪费现象发生。从图2可知，CFG桩复合地基沉降量随着桩长的增加不断降低，当桩长长度从16m变化到16.5m时，复合地基的沉降量变化幅度最大，当有效桩长超过16.5m时，复合地基的沉降量变化趋势大幅度减小。基于此，在设计CFG桩复合地基桩长时，要合理选取桩长设计值，避免工程成本浪费现象发生。

图1 桩长变化对CFG桩复合地基承载力影响曲线

图2 桩长变化对CFG桩复合地基沉降量影响曲线

2.2 改变桩身直径

CFG 桩直径规范范围为350～600mm 之间，项目部通过区域施工机械设备特点等因素综合考虑确定了桩身直径设计值为400mm。以桩身直径为单一变量，桩长、桩间距以及褥垫层厚度为不变量来分析复合地基的承载能力和最终沉降量的变化情况，设计方案见表3。

表3 桩身直径作为单一变量的设计方案表

通过理论计算确定了改变桩身直径前和改变桩身直径后几种情况的承载力数值和沉降量数值，详见表4。

表4 不同CFG桩复合地基桩身直径所对应的承载力和最终沉降量

根据表3、表4 中的数据，分别绘制出桩身直径变化对CFG桩复合地基承载力影响曲线和桩身直径变化对CFG 桩复合地基沉降量影响曲线，如图3 和图4 所示。从图3可知，当桩身直径增加时，复合地基承载力增加，当桩身直径从350mm 增加到400mm 时，地基承载力增加趋势明显，当继续增加桩身直径后，地基承载力增加趋势变缓。这主要是因为增加桩身直径可增加桩土接触面积，上部荷载可以较好地传递到持力层，既增加了复合地基的承载能力，又降低了复合地基的沉降量[2]。但是并不是一味地增加桩身直径就是对的，从图中曲线变化可知，当桩身直径增加到400mm后，再增加桩身直径时，复合地基的承载能力和复合地基的沉降数值变化幅度越来越小。所以在CFG桩复合地基设计过程中要合理选取桩身直径，避免工程成本浪费现象发生。从图4可知，在上部荷载相同时，随着桩身直径的不断增加，复合地基的沉降量不断减小，特别到当桩径从350mm到400mm变化的过程中，复合地基沉降量变化最为明显，当继续增加桩身直径后，复合地基沉降量变化趋势逐渐降低。

图3 桩身直径变化对CFG桩复合地基承载力影响曲线

2.3 改变褥垫层厚度

通过严密的理论计算确定了该案例项目褥垫层最佳厚度范围为25～57cm 之间，项目部根据综合因素通盘考虑确定了褥垫层厚度为50cm。将褥垫层厚度作为单一变量，桩长、桩身直径以及桩间距作为不变量，来分析研究褥垫层厚度变化对复合地基承载能力和沉降量的影响。单一改变褥垫层厚度的设计方案见表5。

表5 褥垫层厚度作为单一变量的设计方案表

通过理论计算确定了改变褥垫层厚度前和改变褥垫层厚度后几种情况的承载力数值和沉降量数值，详见表6。

表6 不同CFG桩复合地基褥垫层厚度所对应的承载力和最终沉降量

根据表6中的数据可知，褥垫层厚度变化没有对复合地基承载能力有任何影响，只对复合地基的沉降量产生了影响，根据表6 数据绘制出褥垫层厚度变化对CFG桩复合地基沉降量影响曲线，如图5所示。从图5可知，复合地基褥垫层厚度增加其地基沉降量也随之增加。之所以褥垫层厚度不会对复合地基承载能力产生影响，是因为褥垫层的作用就是传递基桩和桩间土之间的荷载。当褥垫层厚度增加时，荷载作用在褥垫层时就获得了比较大的压缩空间，导致上部荷载通过桩传递给桩间土的部分变小，而通过桩身直接传递给桩端部分的荷载增加，导致复合地基的沉降增加。

图5 褥垫层厚度变化对CFG桩复合地基沉降量影响曲线

图6 桩间距变化对CFG桩复合地基承载力影响曲线

2.4 改变桩间距

地基处理规范要求，CFG 桩桩间距的距离应为桩身直径的3～4倍，即案例项目的桩间距距离在1.2～1.6m范围内均复合规范要求。通过单一改变桩间距距离，来分析判断桩间距变化对复合地基承载力和沉降量的影响。但是桩间距改变势必要引起桩数的改变，根据有限元模型分析，桩间距改变后的方案设计情况及桩数变化情况，如表7所示。

表7 桩间距作为单一变量的设计方案表

通过理论计算确定了改变桩间距前和改变桩间距后几种情况的承载力数值和沉降量数值，详见表8。

表8 不同CFG桩复合地基桩间距所对应的承载力和最终沉降量

根据表7、表8 中的数据，分别绘制出桩间距变化对CFG桩复合地基承载力影响曲线和桩长变化对CFG桩复合地基沉降量影响曲线，如图7和图8所示。在基桩数量合理条件下，桩间间距越小，其复合地基承载能力越高，这主要是桩间间距越小，其桩间土的挤密程度越高，桩周土体约束基桩变形的能力增加。即当道路的沉降量和承载能力要求不高时，尽量避免使用较小的桩间距的设计方案，可以有效地减少基桩数量，继而在满足设计规范要求的前提下，大幅度合理削减工程开支。

图7 桩间距变化对CFG桩复合地基沉降量影响曲线

3 结语

针对上述几种单一变量替换方案进行复合地基承载力检测和复合地基沉降量检测，检测结果均符合设计和规范要求。再次对几种方案的造价情况进行验算，某沿海城市高新技术产业开发区规划路C1+052.8～C1+082.8 软基路段采用原方案的造价为44158元，当有效桩长改为16m、桩身直径400mm 保持不变、桩间距改为1.6m、复合地基乳垫陈厚度改为30cm 后，C1+052.8～C1+082.8 软基路段的施工造价为40117 元。所以，案例项目C1+052.8～C1+082.8软基路段CFG桩复合地基最优处理参数为：有效桩长16m；桩身直径400mm；桩间距1.6m；褥垫层厚度30cm。