高挡墙基础下复合地基设计

吴 英 家

(大同煤矿集团设计研究有限责任公司，山西 大同 037003)



高挡墙基础下复合地基设计

吴 英 家

(大同煤矿集团设计研究有限责任公司，山西 大同 037003)

结合大同市某通风机房工程的实际情况，确定了换填垫层联合CFG桩复合地基方案，并根据相关规范，阐述了复合地基的设计方法，总结了CFG桩复合地基设计与施工的注意事项，经实践证明，该地基处理方法满足了高大挡土墙对地基承载力的要求。

软弱地基，挡土墙，CFG桩，换填垫层

1 工程基本概况

本工程位于大同，为同煤集团塔山矿井四老沟区南羊路新建通风机房工程的地基工程。因地形高低不平，需要回填素土压实作为工程场地，填土一侧边界为9 m高混凝土扶壁式挡墙,共126 m。工程先建造混凝土挡墙，然后在挡墙与山坡之间回填素土压实，作为通风机房的地基。挡墙的安全直接决定整个通风机房的安全。

依据《同煤集团塔山矿井四老沟区风井工业场地岩土工程勘察报告》，挡墙所处位置原为矿上工业用水排水沟,第①层土土质为淤泥质土，含水量大,层厚3 m～5 m，地基承载力特征值为70 kPa。第②层为粉质粘土，但其厚度为5 m，地基承载力特征值为110 kPa。而第③层为泥岩，地基承载力特征值为250 kPa。挡墙总高9 m，埋深2 m，挡土7 m。由于地基层存在淤泥质土，必须做地基处理。

2 地基处理的确定

由于挡土高度较大，挡墙设计基础宽度按6 m设计，依据勘察单位提供的压实填土物理参数，对挡墙进行计算，挡墙墙趾处产生的最大压力为357 kPa。设计最初是想使用换填垫层法，将淤泥质土全部挖除，并回填碎石或矿渣，依据JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范，处理后的地基承载力特征值最理想的情况接近300 kPa。考虑到下卧层的验算，仍需要将一定厚度的粉质粘土置换为碎石或者矿渣。因本地的施工水平未必能将换填垫层的承载力做到300 kPa，再加上换填深度超出规范允许的一般范围，所以仅用换填垫层法不适合本工程，需进一步做地基处理。考虑做复合地基。由于表层土5 m深度范围内为淤泥质土，承载力低，仍需要挖除。由于压实填土地基不存在湿陷性，也不存在欠固结状态，在压实填土地基上采用复合地基方案是可行的，由于要求的复合地基的地基承载力提高较大，首选刚性复合桩基。本工程选用CFG桩复合地基。

3 地基设计

3.1 设计依据

GB 50007—2011建筑地基设计规范；JGJ 79—2010建筑地基处理技术规范；GB/T 50783—2012复合地基技术规范。

3.2 换填垫层的设计

CFG桩复合地基适用于处理粘性土、粉土和自重固结已完成的素填土地基。而对淤泥质土,由于无当地经验，所以应完全挖除淤泥质土。由于场地附近粉质粘土较多,基于就地取材原则,换填材料选为粉质粘土,且要求施工单位清除土料中的有机质及粒径大于50 mm颗粒。换填垫层总厚度为3 m，要求压实系数大于0.97，考虑到当地施工水平,要求垫层承载力特征值不小于150 kPa即可。

李：第14届国际数学教育大会（ICME-14）2020年即将在上海市举办，作为本届大会的国际程序委员会（IPC）主席，您能谈一下国际数学教育大会（ICME）的基本情况吗？

3.3 CFG复合地基设计

基底产生的最大压力为357 kPa,平均压力为300 kPa。初步选定桩径0.4 m，桩间距1.7 m，正方形布置，桩身混凝土强度等级为C20，桩长11.5 m，进入桩端持力层③层(泥岩层)不小于1 m。褥垫层厚度0.2 m，褥垫层材料为粗砂。根据地质勘察报告及换填垫层处理检测报告提供的土层桩极限侧阻力标准值，通过下列公式初步估算单桩承载力特征值。依据建筑地基处理技术规范,CFG桩单桩竖向承载力特征值按下式计算：

其中，up为桩的周长，本工程为1.256 m；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，换填土层为32 kPa,粉土层为22 kPa，泥岩层为60 kPa；lpi为第i层土的厚度，换填层为3 m,粉土层5 m,泥岩层3.5 m；αp为桩端端阻力发挥系数，取1；qp为桩端端阻力特征值，600 kPa；Ap为桩截面面积，0.125 6 m2。

经计算，Ra=598 kN。

依据规范，复合地基承载力特征值计算公式如下：

其中，fspk为复合地基承载力特征值，本工程要求为300 kPa；m为面积置换率,本工程为0.043 5；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为单桩的截面面积,m2；λ为单桩承载力发挥系数，取0.8；β为桩间土承载力折减系数,取0.95；fsk为处理后桩间土承载力特征值，本工程为150 kPa。

经计算fspk=302 kPa，满足要求。

验收时，检测单位检测的三处复合地基的承载力特征分别为fspk1=294 kPa，fspk1=276 kPa，fspk1=306 kPa，平均值fspk=292 kPa基本接近估算值。考虑到施工水平的限制，检测结果基本满足要求，若考虑复合地基承载力特征的深度修正时，复合地基的最终承载力特征为fspa=319 kPa，完全满足基础反力的要求。

桩体强度按下式计算：

经计算CFG桩桩身强度取C20。

4 CFG桩复合地基设计应注意的问题

4.1 褥垫层的厚度

CFG桩复合地基中的桩体与基础之间通过褥垫层过渡，桩顶与基础不连接，由粗砂等散体材料组成褥垫。褥垫层保证桩土共同承担荷载，减少基础底面的应力集中，调整桩、土荷载分担比，避免引起桩体的应力集中，有效保证桩体的正常工作。当桩、土都能达到各自的承载力时是最理想的。规范规定褥垫层的厚度宜为0.4～0.6桩径，当桩间土承载力较高，可取大值；当桩间土承载力较低，可取小值，以保证发挥桩土各自的优势，考虑到当地施工水平，本工程换填垫层的承载力特征值定为不小于150 kPa,承载力相对较低，褥垫层厚度200 mm，为0.5倍桩径。

4.2 桩径的大小

在材料方量相同、桩长相同、桩径不同、桩数不同条件下，对各桩径在单方材料下提供的承载力进行对比，见表1。

表1 不同桩径单方材料提供的承载力

以上计算所需参数取本工程的泥岩的侧阻特征值为60 kPa，桩的端阻特征值为600 kPa。对刚性桩而言，桩长一定时，桩径越大桩侧面积越大，桩侧阻力越大，单桩承载力也就越高。对于处理面积相同的场地，相同的材料总量，采用小直径桩，桩的数量就越多，桩间距就越小，对桩间土的挤密作用就越强，这就增强了桩间土的承载力特征值，也增加了桩土的摩擦力，使得最终复合地基承载力的特征值变大，对地基沉降的阻止能力也增强。不过，桩径越小，施工也不好控制，设计应结合实际情况确定。本工程设计前咨询当地的施工单位，400 mm桩径效率较高，所以设计最终选400 mm桩径。

4.3 桩身强度

桩体强度设计主要是保证建筑物使用荷载条件下，桩体不发生破坏。若桩体强度远大于规范的计算值，便造成浪费。由于建筑地基处理技术规范要求复合地基检测最大加载量不应小于设计要求压力的2倍，达到最大加载量时，桩和土不一定同时达到各自的极限承载力，若桩体材料强度不足，有可能先于桩间土破坏，所以桩体材料强度也不能太小，应满足规范要求，特别是进行了复合地基承载力特征值深度修正的CFG桩。本工程地基检测的承载力特征值略小于设计估算值，检测点的数量也有限，所以最后考虑深度修正，以策安全，而反算得到的材料强度则达到C20。

5 CFG桩复合地基施工应注意的问题

1)CFG桩的施工，应根据具体的地质情况，选用合理的机具，防止桩端产生虚土，桩无端阻。

2)桩在设计标高以上需截断，截断应满足相关要求，防止桩身断裂，同时注意桩间土的保护。

3)褥垫层材料多为粗砂、中砂或级配碎石，碎石粒径宜为8 mm～20 mm，不宜选用卵石，卵石咬合力较弱，施工容易使褥垫层厚度不均匀。

6 结语

目前该通风机房已正常运行使用，在复杂的地形及地质条件下，换填垫层处理联合CFG桩复合地基的联合使用，满足了高大挡土墙对地基承载力的要求。大同地区CFG桩复合地基的使用较少，该工程为当地的CFG桩复合地基的使用积累了一定的经验。特别是换填垫层的使用，在普通CFG复合地基基础上又加强了桩间土的承载力特征值。垫层材料的合理选用，使得复合地基承载力可比不做换填垫层的CFG桩复合地基承载力再高出100 kPa～200 kPa。从安全、经济、适用角度来看，该地基处理方法，可以应用到更多工程当中，特别是对地基承载力要求较高或对沉降有一定要求的工程提供参考价值。

[1] 闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京:中国水利水电出版社，2006.

[2] 朱丙寅,娄 宇,杨 琦.建筑地基基础设计方法及实例分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3] GB 50007—2011,建筑地基基础设计规范[S].

[4] JGJ 79—2012,建筑地基处理技术规范[S].

[5] GB/T 50783—2012,复合地基技术规范[S].

On composite foundation design under high retaining wall basement

Wu Yingjia

(Datong Mining Group Design and Research Institute Co., Ltd, Datong 037003, China)

Combining with the fact of the some ventilation machine room in Datong City, the identifies the replacement cushion integrated CFG pile composite foundation scheme, illustrates the design methods of the composite foundation according to the related regulations, and sums up precautions for the composite foundation design and construction of the CFG pile, and proves by the practice that the foundation treatment method meets the demands of the high retaining wall for the foundation’s loading capacity.

weak foundation, retaining wall, CFG pile, replacement cushion

1009-6825(2017)08-0054-02

2017-01-05

吴英家(1984- )，男，硕士，工程师

TU473

A