王林華

（安徽省水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

CFG樁復(fù)合地基的探討

王林華

（安徽省水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

對(duì)CFG樁材料、施工方法、CFG樁承載特征、褥墊層設(shè)置等進(jìn)行介紹，并了解其適用條件及設(shè)計(jì)控制等方面內(nèi)容。

CFG樁 復(fù)合地基

1 前言

CFG樁復(fù)合地基是一種地基處理技術(shù)，屬剛性樁復(fù)合地基。與一般的柔性樁復(fù)合地基相比，用CFG樁處理地基，具有可使地基承載力提高幅度大并具有很大可調(diào)性的優(yōu)點(diǎn)，故特別是在天然地基承載力較低而設(shè)計(jì)要求的承載力較高，用柔性樁復(fù)合地基一般難以滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，CFG樁復(fù)合地基則有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 CFG樁材料組成

CFG樁是用少量的水泥加粉煤灰、石屑或砂及碎石，加水?dāng)嚢瑁闷胀ㄕ駝?dòng)式沉管樁機(jī)施工的具有高粘結(jié)強(qiáng)度的樁，CFG樁與樁間土和樁頂與基底間的褥墊層共同組成復(fù)合地基，就CFG樁樁體材料組成來(lái)看，實(shí)際上是粉煤灰混凝土。CFG樁樁徑、樁長(zhǎng)一般較小，單樁承載力不高，故對(duì)樁身混凝土強(qiáng)度要求較低。從性能和經(jīng)濟(jì)的角度而言，在混凝土中摻入適量的粉煤灰，從而形成所謂的“CFG樁”。

2.1 粉煤灰的特點(diǎn)

粉煤灰是一種工業(yè)廢料，它是以二氧化硅、三氧化二鋁為主要成分的火山灰質(zhì)材料，含有大量的玻璃微珠。粉煤灰本身并不具有水硬性，當(dāng)其與水泥加水拌合之后，首先是水泥熟料中的礦物成分硅酸三鈣、硅酸三鈣和鐵鋁酸四鈣與水作用生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和氫氧化鈣等水化物。其中的氫氧化鈣再與粉煤灰中含有的大量具有活性的二氧化硅和三氧化二鋁相互作用，再生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化物，即產(chǎn)生“二次反應(yīng)”，也就是它們?cè)趬A性激發(fā)劑的作用下，粉煤灰能產(chǎn)生強(qiáng)度，相當(dāng)于低標(biāo)號(hào)水泥。由于粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，在混凝土攪拌、震搗的過(guò)程中能起潤(rùn)滑作用，可增加其和易性，減少用水量，使之具有良好的工作性能。

2.2 粉煤灰的等級(jí)

粉煤灰品質(zhì)對(duì)混凝土質(zhì)量具有重要影響。以0.080mm方孔篩余量、需水量比和燒失量等指標(biāo)加以劃分，可把粉煤灰分為三個(gè)級(jí)別。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，CFG樁一般選用Ⅲ級(jí)粉煤灰。使用前應(yīng)先到擬取灰地段取樣化驗(yàn)，以確定粉煤灰質(zhì)量是否符合要求及其級(jí)別。

3 施工方法

3.1 人工成樁法

人工成樁法就是利用人工成孔，在孔內(nèi)直接灌注混凝土，采用插入式振搗器分層密實(shí)，施工時(shí)應(yīng)逐孔測(cè)出樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高并作出標(biāo)記，保證混凝土灌注時(shí)一次到位，以避免將來(lái)“剃”樁頭或接樁。該方法適用于成樁范圍內(nèi)無(wú)地下水或水量較小的粘性土、粉土地層，也可用于素填土。若地下水位較淺時(shí)，也可結(jié)合降水使用。

3.2 鉆機(jī)成樁法

鉆機(jī)成樁法就是使用鉆機(jī)成孔，在孔內(nèi)下入注漿管，并投入碎石，再用注漿泵通過(guò)注漿管注入水泥砂漿。當(dāng)孔口溢出水泥砂漿，即可停止注漿。由于水泥砂漿收縮性較大，施工時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)漿以保證樁頂質(zhì)量。該方法適用于地下水位較淺的地區(qū)。若無(wú)地下水，也可以孔內(nèi)直接灌注混凝土。

由于這種鉆機(jī)功率有限，故一般成樁直徑較?。?50～300mm），屬小直徑樁，也有人稱之為“樹(shù)根樁”。

以上兩種施工方法均不需大型設(shè)備，適應(yīng)性強(qiáng)，效率高，較經(jīng)濟(jì)。

4 CFG樁復(fù)合地基承載特征

圖1是實(shí)施到的CFG樁樁土應(yīng)力比n、地基土分擔(dān)荷載比ηs隨荷載變化的關(guān)系曲線，該曲線反映了剛性樁復(fù)合地基的承載過(guò)程。荷載初期，由于褥墊層的作用，樁土共同承受荷載，n值較小、ηs值較大。隨著荷載進(jìn)一步增加，樁頂逐漸向墊層刺入，樁的作用逐漸顯示出來(lái)，荷載向樁上集中，n值逐漸增大、ηs值逐漸減小。當(dāng)荷載繼續(xù)增加到一定值時(shí)（p/pu=0.5～0.6），n值與ηs值分別出現(xiàn)峰值及低谷，說(shuō)明此時(shí)樁的應(yīng)力集中現(xiàn)象最顯著，與單樁極限承載力相比，此時(shí)樁已發(fā)揮極限承載力的70%左右，它標(biāo)志著樁對(duì)墊層的刺入量已基本穩(wěn)定。隨著荷載的進(jìn)一步增加，樁的刺入量增加很少，n值有所降低，ηs值有所增加，說(shuō)明此時(shí)樁土變形已趨一致，樁間土分擔(dān)的荷載增量比樁分擔(dān)的荷載增量大，并直至樁的承載力發(fā)揮至極限。若再進(jìn)一步增加荷載，由于復(fù)合地基中樁的荷載-沉降（p-s）曲線呈硬化型，故其仍可繼續(xù)承載，但其樁頂荷載增加量很小，荷載增量絕大部分均由樁間土分擔(dān)，直至達(dá)到樁間土的極限承載力，這時(shí)復(fù)合地基才靠破壞。同時(shí)n值又出現(xiàn)最小值，ηs值出現(xiàn)最大值。因此，若不考慮樁與土的相互作用及群樁效應(yīng)，復(fù)合地基極限承載力應(yīng)為樁與樁間土極限承載力之和。

P——復(fù)合地基荷載

Pu——復(fù)合地基極限荷載n——粘土應(yīng)力比

ηs——地基土分擔(dān)荷載比

5 CFG樁褥墊層的設(shè)置

粒狀材料組成的散體墊層在CFG樁復(fù)合地基處理中是十分重要的，復(fù)合地基的許多特性都與褥墊層有關(guān)。

5.1 無(wú)墊層時(shí)CFG樁復(fù)合地基承載特征

當(dāng)樁頂直接與基礎(chǔ)接觸時(shí)，根據(jù)變形條件，樁與樁間土的變形相同。由于樁的變形模量遠(yuǎn)大于土的變形模量，當(dāng)荷載小于樁的允許承載力時(shí)，其主要由樁承擔(dān)，樁間土承擔(dān)的荷載很少。隨著荷載的增加，當(dāng)樁頂荷載超過(guò)其允許承載力時(shí)，樁的荷載-沉降（p-s）曲線由直線段進(jìn)入曲線段，樁端土也由彈性變形進(jìn)入塑性變形階段，沉降明顯加大，此時(shí)樁間土開(kāi)始承擔(dān)荷載。隨著荷載的增加，樁的承載力發(fā)揮至極限，樁的沉降可能已達(dá)40～60mm，由于沉降量較大，樁間土亦承擔(dān)了相當(dāng)?shù)暮奢d增量，若再進(jìn)一步增加荷載，由于復(fù)合地基中樁的荷載-沉降（p-s）曲線呈硬化型，故其仍可繼續(xù)承載，但其樁頂荷載增加量很小，荷載增量絕大部分均由樁間土分擔(dān)，直至達(dá)到其極限承載力，這時(shí)復(fù)合地基方告破壞，同時(shí)樁間土承擔(dān)的荷載達(dá)到最大。若不考慮樁與樁間土的相互作用及群樁效應(yīng)，復(fù)合地基的極限承載力應(yīng)為樁與樁間土極限承載力之和。

5.2 設(shè)置褥墊層的必要性

CFG樁復(fù)合地基有無(wú)褥墊層，其區(qū)別主要是樁間土的承載力發(fā)揮的過(guò)程不同。當(dāng)設(shè)置褥墊層時(shí)，樁間土一開(kāi)始就承擔(dān)了較大比例的荷載，在正常使用狀態(tài)下，建筑物荷載主要由樁和樁間土共同承擔(dān)；而不設(shè)褥墊層時(shí)，荷載一開(kāi)始主要由樁來(lái)承擔(dān)，樁間土基本不承擔(dān)或承擔(dān)很少。在正常使用狀態(tài)下，建筑物荷載主要由樁來(lái)承擔(dān)。當(dāng)復(fù)合地基承載力達(dá)到極限時(shí)，無(wú)論是其承載力的大小以及樁、土的荷載分擔(dān)比都是相同的，故可取消褥墊層。

取消墊層，讓樁頂直接與基礎(chǔ)接觸，實(shí)際上就是在正常使用狀態(tài)下充分發(fā)揮樁的承載力，而讓樁間土強(qiáng)度為作安全儲(chǔ)備，這樣雖然樁的安全系數(shù)K小于2（一般1.1左右），但地基土的安全系數(shù)卻較高，復(fù)合地基總的安全度并沒(méi)有降低，就象樁基礎(chǔ)在正常使用狀態(tài)下，其摩阻力和端承力發(fā)揮程度不一樣、其各自的安全系數(shù)也不一樣，類似于復(fù)合樁基。

與設(shè)置褥墊層的CFG樁復(fù)合地基相比，不設(shè)墊層時(shí)有以下優(yōu)點(diǎn)：

①可以減少地基沉降量，這是顯而易見(jiàn)的。

②如有單樁（p-s）曲線及天然地基荷載試驗(yàn)資料，依據(jù)變形協(xié)調(diào)原則，可較為準(zhǔn)確地確定出在正常使用狀態(tài)下，樁、土荷載分擔(dān)比及復(fù)合地基沉降量。

③可減少施工工序，降低地基處理造價(jià)。

設(shè)置褥墊層是考慮到CFG樁的特性和施工工藝兩方面原因。一是CFG樁樁徑、樁長(zhǎng)一般較小，單樁承載力不高，在設(shè)計(jì)荷載為樁土共同承擔(dān)荷載時(shí)，必須設(shè)置褥墊層。二是施工工藝如采用擠土樁，施工時(shí)使地面嚴(yán)重隆起而后樁間土發(fā)生再固結(jié)，容易使基礎(chǔ)與樁間土脫開(kāi)，則必須設(shè)置褥墊層，此外如樁端落在堅(jiān)硬土層或巖石上，達(dá)到極限承載力時(shí)其沉降很?。ㄆ浜奢d-沉降曲線（p-s）不屬加工硬化型），也必須設(shè)置褥墊層。

6 CFG樁適用條件

根據(jù)CFG樁復(fù)合地基的特點(diǎn)，它既可用于多層建筑，也可用于高層建筑。就土性而言，CFG樁復(fù)合地基可用于填土、飽和及非飽和粘性土、松散砂土等。既可用于擠密效果好的土，又可用于擠密效果差的土。主要是根據(jù)場(chǎng)地和土層條件，選擇適宜的施工方法。

當(dāng)CFG樁用于飽和軟粘土?xí)r應(yīng)特別慎重，一是因?yàn)镃FG樁成樁時(shí)土的擠密分量為零，承載力的提高唯一取決于樁的置換率。由于樁間土承載力太小，土的荷載分擔(dān)比太低，不宜再做復(fù)合地基。其次是CFG樁易發(fā)生整體失穩(wěn)。由于樁間土強(qiáng)度很低，對(duì)CFG樁的側(cè)限作用很小，在豎向及水平荷載作用下，極易發(fā)生整體失穩(wěn)，使建筑物破壞。

7 設(shè)計(jì)控制

CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)控制主要包括復(fù)合地基承載力、樁的布置、樁徑、樁長(zhǎng)、樁體強(qiáng)度、褥墊層等內(nèi)容。

復(fù)合地基承載力即處理后要求達(dá)到的承載力，一般由設(shè)計(jì)人員根據(jù)由勘測(cè)提出的土的特性及樁的強(qiáng)度、樁身側(cè)阻力、端阻力進(jìn)行分析計(jì)算確定，通常以提高一倍左右為宜，這樣設(shè)計(jì)上較為簡(jiǎn)單。

樁的布置主要根據(jù)基礎(chǔ)型式來(lái)定，如條形基礎(chǔ)（墻下或柱下條基），主要應(yīng)在基礎(chǔ)墻或梁的中心線下單排布樁，基礎(chǔ)墻交點(diǎn)及柱下均應(yīng)布樁，并通過(guò)調(diào)整樁徑、樁長(zhǎng)來(lái)滿足設(shè)計(jì)承載力的要求。

8 結(jié)語(yǔ)

CFG樁具有可使地基承載力提高幅度大并具有很大可調(diào)性的優(yōu)點(diǎn)，在房建、水利工程上大量采用，是一種靈活、經(jīng)濟(jì)、高效的地基處理技術(shù)