二元复合桩在高层建筑地基处理中的应用研究

文得贵

(成都铁路工程总承包有限责任公司，四川成都 610031)

在房屋、交通等工程建设中，常遇到地质条件较差的软弱地基或不良地基问题。地基处理是否恰当，地基处理方案设计是否合理，不仅影响建筑物的使用安全，而且对建设速度、工程造价也有影响，因此建筑物地基处理有时候成为工程建设中的关键问题。常用的地基处理方法很多，根据加固机理可以分为密实法、置换法、复合地基法、加筋法及灌浆等。各种地基处理方法都有自己的加固原理及适用范围。

本文针对某小区高层住宅楼地质情况，选择“水泥土搅拌桩+CFG 桩”二元复合桩作为其地基处理的方式，阐述了二元复合桩的加固原理及施工工艺等，并对处理后的地基进行了检测以检验其方案的合理性。

1 二元复合桩地基概述

1.1 二元复合桩

在多元复合地基中，可将桩身强度较高的桩称为主桩，将强度较低的桩称为次桩。多元复合地基通常可分为两类:在第一类多元复合地基中，主桩的作用是复合地基的主要部分，次桩起辅助作用。在第二类多元复合地基中，复合地基承载力的提高主要依靠次桩的作用，主桩仅布置在节点及重要位置，达到减小沉降的目的，特别适用于深厚软土上的建筑物地基处理。

“水泥土搅拌桩+CFG 桩”二元复合桩即为经过水泥搅拌桩处理的场地土，经过一定时间的固结，其物理力学性能将得到很大改善，在此基础上增加CFG 桩而形成第一类二元复合地基。

1.2 加固原理

水泥土搅拌法是适用于加固饱和黏性土和粉土等地基的一种方法。它是利用水泥(或石灰)等材料作为固化剂通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量。

CFG 桩复合地基实际是在碎石(卵石、砾石)、石屑(细砂、中砂)、粉煤灰中掺入适量的水泥和水，用各种成桩机具制成的具有可变粘结强度、可变桩径的复合地基。

CFG 桩复合地基主要是通过以下作用机理提高地基承载力的:

(1)置换作用。CFG 桩的桩体是具有一定强度的混合料柱体，在荷载的作用下，桩体压缩性明显小于桩周土，因此基础传到复合地基的附加应力随着地基的变形逐渐集中在桩体上，出现应力集中现象，桩承受的荷载通过桩周的摩阻力传到更深的地基土中。

(2)挤密作用。①对松散砂类土体，在振动荷载作用下，可使颗粒间孔隙较大、位置不稳定的疏松的单粒结构，产生较大的变形、挤密，变成密实的稳定结构，土体的干密度和摩擦角有所增大，土体物理力学性能得到改善，从而提高地基承载力。②对黏性土体，由于振动和冲击挤压作用使桩间土得到一定程度的挤密，加固后的地基土含水量、孔隙比、压缩系数均有所减少和降低，而土体的重度、压缩模量均有所增加。

(3)CFG 桩复合地基中褥垫层作用机理。褥垫层技术是复合地基的重要组成部分，CFG 桩只有通过褥垫层才能构成桩土复合地基。主要表现在:①保证CFG 桩共同承担荷载;②调整CFG 桩荷载分担比;③缓解基础底面的应力集中;④调整CFG 桩水平荷载的分配。

2 实际工程应用

2.1 工程简介及地质条件

场地地下水为赋存于第四系冲洪积砂卵石层中的孔隙潜水，受大气降水及地下径流补给，并通过地下径流、蒸发等方式排泄。勘察期间正值平水期末期，测得场地地下水水位埋深4.90～7.30 m，相应标高为512.476～513.136 m。根据区域水文地质资料，地下水丰、枯水期年变化幅度为1.00～2.50 m。基坑降水设计静止水位标高按513.486 m 考虑;地下水抗浮设计标高按515.486 m 考虑。

综合钻探、原位测试和室内试验资料，结合地区经验，现提供设计使用的各土层物理力学指标建议值，如表1。

表1 地基土物理力学性质指标建议值表

2.2 二元复合桩地基桩设计

2.2.1 持力层及桩径

根据目前的设备情况复合地基以稍密及以上密实度卵石层作为桩端持力层，CFG 桩桩径350 mm，搅拌桩桩径600 mm。

2.2.2 不利勘察孔分析

根据不利勘察孔的分析，选择一个勘察孔进行估算搅拌桩竖向承载力特征值，见表2、表3。

表2 估算搅拌桩竖向承载力特征值

2.2.3 桩体质量要求

(1)CFG 桩:桩体试块抗压强度平均值fcu应大于等于3Ra/Ap，即:3×350/(3.14×0.22)= 8.35MPa，桩体混凝土可按C15 进行配制。

桩体材料设计:以卵石为主，卵石粒径2～5 cm，掺和一定量的砂、水泥等;坍落度控制在3 cm 左右，土层含水量较高时坍落度偏低;采用普通硅酸盐水泥P.O 32.5;施工配合比宜通过试验室进行试配确定。

表3 估算CFG 桩竖向承载力特征值

(2)水泥土搅拌桩:水泥土搅拌桩采用普通硅酸盐水泥P.O 32.5 作为桩体材料，水泥用量为50 kg/m，水泥土立方体强度为2.0 MPa。

2.2.4 地基表面处理

地基加固施工时，地表面因冲击作用会隆起抬高，待地基施工、检测完毕后，土建施工部门可进行清理，整平至基底标高以下20 cm，褥垫层材料可采用为天然级配为2～5 cm 的连砂石或采用级配中粗砂加70%左右碎石，碎石粒径不宜大于3 cm，虚铺厚度24 cm，压实，夯填度取0.9。

2.2.5 加固材料及桩位

普通硅酸盐水泥P.O 32.5，骨料成分砂(中砂)、石(20～50 mm)。CFG 桩桩体强度配合比按试配报告进行、桩体材料试块作抗压试验，报告达到C15 强度等级。

CFG 桩成桩直径大于或等于350 mm，搅拌桩成桩直径大于或等于600 mm。桩长、桩位允许误差为:桩长±100 mm，桩位＜100 mm。

2.2.6 设计成果

(1)CFG 桩设计参数。CFG 桩有效桩径350 mm;CFG桩桩体立方体强度C15;采用矩形布置;CFG 桩桩尖以稍密卵石层作为持力层。

(2)搅拌桩设计参数。桩径600 mm;桩体材料普通硅酸盐水泥P.O 32.5;采用矩形布置。

2.3 施工组织及工艺流程

2.3.1 设备配置

(1)CFG 桩施工。成孔机具采用螺旋钻(CFG15)总计1套，其电机功率37×2 kW，取土钻头直径350 mm，冲击填料重锤800～1000 kg;搅拌机1 台或采用商品混凝土;电焊机1台;斗车10个。

(2)水泥搅拌碎石桩施工。水泥土搅拌桩机(SJB－1)1套;灰浆拌和机(200 L)2 台;灰浆泵(HB6－3)1 台。

2.3.2 工艺流程

测量放点→开挖基槽至基础垫层高程以下20cm→施工机械就位→水泥土搅拌桩施工→成孔至持力层→填料→水泥土搅拌成桩至基础垫层高程以上→螺旋钻CFG 桩机成孔至持力层深度→单次填料并夯实→循环单次填料、夯实直至CFG 桩成桩至基础垫层高程以上→人工捡土并裁桩(褥垫层高度范围内)→复合地基检测→铺设并压实褥垫层→基础施工。

2.4 质量控制

(1)测量放点。清理平整场地，要求场地标高为基底标高以上不低于0.3 m;按轴线范围依据《复合地基桩平面布置图》布桩位，放点误差要求在2～4 cm 之内。

(2)CFG 桩成孔至地基处理深度后，投入3～5个人头石，冲密，形成扩大头，再向孔中填料，每次填料高度宜小于0.5 m，捣实，并根据锤击数控制CFG 桩桩体的密实度，冲击锤击数5～8 击，落距2.0～3.0 m。

(3)施工现场全部加固后，平整基坑，进行表面处理。

(4)施工过程中，为防止断桩产生，填料施工中如产生地基土垮坍，应重新成孔，保证施工中不产生断桩。

2.5 地基处理检测

2.5.1 水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值

本工程水泥土搅拌桩复合地基共选取3 点单桩复合地基载荷试验，为总桩数(共计498 根)的0.6%，符合规范中抽检总桩数0.5%～1%的要求，各检测点位均由建设、监理、检测及设计等相关单位共同认可选定。各试验点单桩复合地基载荷试验承载力实测值详见表4。

单桩复合地基载荷试验检测结果表明:本工程水泥土搅拌桩复合地基按规范选取3 点单桩复合地基载荷试验，其复合地基承载力特征值大于设计要求的210 kPa，符合设计要求。

表4 各试验点单桩复合地基载荷试验承载力实测值汇总表

表5 各试验点单桩复合地基载荷试验承载力实测值汇总表

2.5.2 CFG 桩复合地基承载力特征值

本工程CFG 桩复合地基共选取3 点单桩复合地基载荷试验，为总桩数(共计359 根)的0.8%，符合规范中抽检总桩数0.5%～1%的要求，各检测点位均由建设、监理、检测及设计等相关单位共同认可选定。各试验点单桩复合地基载荷试验承载力实测值详见表5。

单桩复合地基载荷试验检测结果表明:本工程CFG 桩复合地基按规范选取3 点单桩复合地基载荷试验，其复合地基承载力特征值大于设计要求的350kPa，符合设计要求。

3 结束语

本文针对某小区高层住宅楼地质情况，选择“水泥土搅拌桩+CFG 桩”二元复合桩作为其地基处理的方式，阐述了二元复合桩的加固原理及施工工艺等，并对处理后的地基进行了检测，检测结果表明水泥土搅拌桩及CFG 桩复合地基承载力特征值均大于设计值，符合规范要求。

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