CFG桩复合地基在黄河三角洲地区的应用

陈钦元

(安徽广播电视大学，合肥 230022)

一、引言

CFG桩(Cement Fly-ash Gravel Pile)是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤灰及碎石加水拌和形成的高黏结强度桩，其和桩间土、褥垫层一起形成的复合地基。近年来，相关专家学者关于CFG桩应用于砂土、粉土等软土复合地基方面的研究取得了一定的成果。阎明礼对CFG桩复合地基的作用机理、设计方法进行了全面研究，对CFG桩复合地基在竖直荷载和水平荷载条件作用下承载力性能做了全面阐述[1]；董必昌等研究了CFG桩在工程实践中的变形特性[2]；李广信等对CFG桩加固后基坑的变形进行了详细分析[3-5]。研究发现，CFG桩复合地基中的桩—土受力状况与其他地基中的桩—土受力状况大不相同。CFG桩体本身具有很强的黏聚力来传递荷载至持力层[6]；桩体本身具有刚性桩的性能，全部桩长都发挥桩的侧摩阻力，桩端在持力层中有较高的端阻力。其具有承载力提高幅度大，可调节性强、适应范围广、刚性桩形状明显、变形小等独特的优点[7]；并且其工艺简单、取材方便、经济适用，成了处理软土地基的优选方法。

马祥东把CFG桩复合地基应用在石灰岩溶地区建筑工程软土地基的处理上，分析该工程沉降观测数据结果表明，工程变形量在正常可控范围内，变形速率稳定，沉降没有出现异常的变化现象，符合一般工业与民用建筑工程变形量的规定要求[8]。CFG桩成熟的研究成果应用到工程实践上，较好地解决了不良地质条件下满足地基承载力要求的难题；在消除地基液化现象方面通过工程实践证明其效果明显，为天然地基不能满足建设工程地基承载力的设计和推广应用提供了参考依据。

黄河三角洲是黄河在今山东滨州市、东营市以下以及向下冲积而成的三角洲平原。该平原地下水位高，土壤盐渍化严重，其地层的工程地质条件和水文地质条件成因复杂，具有级配差、压缩性大、承载力小的特点。本地区地基处理问题极为突出，在潟湖相、溺谷相淤积一带尤其严重。该地区的东营世纪城项目软土地基采用了CFG桩复合地基进行了加固。

二、工程案例

东营世纪城项目位于东营市顺安路以东，一期工程地上拟建17栋住宅楼，建筑面积424 566 m2。本文所要研究的1号住宅楼工程的复合地基应用，位于场地西南角，建筑面积20 986 m2，建筑高度51 m，地上十四层，地下二层，平面尺寸102.0×14.0 m，剪力墙结构。地基加固形式采用CFG桩复合地基，桩径400 mm，桩长15 m，共586根。基础底面标高在6.20 m，降水方案采用16米深井降水，基坑放坡1∶0.75，边坡锚杆喷浆混凝土支护。

(一)工程地质条件

本工程建设场地位于东营市开发区，在地貌单元上属黄河下游冲积平原，微地貌形态为低平场地形状，场地内地形平坦、起伏不大。该场区范围所处大地构造位于华北平原拗陷区之济阳拗陷以东地区，在地下隆起区及拗陷区曾经有小地震情形发生。建设场区内没有岩石特性，大地表层主要是被第四纪河流冲积带来的沉降物所全部覆盖。本地区的地下各层土质以黏性土层、淤泥层夹杂粉土层为主，粉细砂分布不均匀，粉土层中局部分布有软土地层。场地地下水主要为第四系孔隙潜水，勘探的本地区地面下水位埋深在4.5～4.9 m。此水位仅为勘察期间的实测水位，不是历史最高水位，季节性水位变化幅度1.0～2.0 m[9]。

东营世纪城1号楼建设场地在黄河冲洪积地层上，场地上层是填土，下面土层由冲洪积而形成。工程勘察委托书要求深(60.0 m)范围勘察，地层构成自上而下依次为：表层素填土(Q4 ml)、全新世(Q4al)粉土层、细微砂及粉黏土，晚更新世(Q3al)细砂、粉土及中粗砂层；按照土层特性其组成成分和土体力学性质划分，在受委托勘察的60 m范围内共分为10大土层。根据固结试验及综合场地岩土层的物理力学性质，各岩土层力学性能指标见表1。

表1 土层的力学性质指标

(二)地基承载力计算

取1号住宅楼的地基进行计算。

1.根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)5.2.4条进行计算

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)，

(1)

式中：fa——修正后的地基承载力特征值(kPa)；

fak——地基承载力特征值(kPa)；

ηb、ηd——基础宽度和埋置深度的地基承载力修正系数；

γ——基础底面以下土的重度(kN/m3)；

b——基础底面宽度(m)；

γm——基础底面以下土的加权平均重度(kN/m3)；

d——基础埋置深度(m)。

每层荷载按17 kN估算，基底的平均压力值为272 kN；基础底面标高6.2 m，即基础埋深6.5 m，以第3层粉质黏土作为天然地基持力层，筏形基础，其承载力特征值按fak=130 kPa采用，由《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011) 中表5.2.4得ηb=0.3、ηd=1.6；γ=19.6 kN/m3；γm=17.0 kN/m3；b>6 m，取6 m；场区为整体地下车库，折算土层厚度为2.5 m，d取2.5 m；由公式(1)计算得经深度、宽度修正后的天然地基持力层承载力特征值fa为：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)=

130+0.3×19.6×(6-3)+1.6×17.0×(2.5-0.5)≈

183 kPa

2.根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)5.2.5条进行计算

fa=Mbγb+Mdγmd+McCk，

(2)

式中：fa——修正后的地基承载力特征值(kPa)；

Mb、Md、Mc——承载力系数；

ηb、ηd——基础宽度和埋置深度的地基承载力修正系数；

γ——基础底面以下土的重度(kN/m3)；

b——基础底面宽度(m)；

γm——基础底面以下土的加权平均重度(kN/m3)；

d——基础埋置深度(m)；

Ck——基底下一倍短边宽度的深度范围内土的黏聚力标准值(kPa)。

根据土的抗剪强度指标，取:φuu=10.5°，γ=19.6，γm=17.0，C=32 ，Mb=0.19，Md=1.80，Mc=4.23。由公式(2)确定地基承载力特征值fa为：

fa=Mbγb+Mdγmd+McCk=0.19×19.6×6+1.80×17.0×2.5+4.23×32≈222 kPa

由计算看出，1号楼基础底部平均压力值均大于经深度、宽度修正和根据抗剪强度指标确定的地基承载力特征值，采用天然地基，筏板基础不能满足上部荷载要求，故需要进行复合地基处理或采用桩基。

(三)地基处理方案选择的分析

1.地基处理方案的比选

该过程可选择的地基处理方案有：预应力管桩、混凝土灌注桩、CFG桩复合地基。

(1)预应力管桩。桩身强度很高，可以直接打入地层，同时桩间土可以承担少部分荷载，单体承载力高，且施工工期短，质量易于控制。但是施工造价与其他施工方案相比要高；同时施工时噪音大，会对周边的环境造成不利的影响，不适合在城区施工；如果遇到不均匀的地层，需要复杂的现场接桩、截桩施工。

(2)混凝土灌注桩。在相同的条件下(地层、处理深度、置换率)，较预应力管桩施工造价稍高，但是施工质量控制难度大，容易产生颈缩或者直接断裂的现象。

(3)CFG桩复合地基。桩体本身的挤密加固与置换作用使得CFG桩复合地基具有较高强度特性，能满足设计要求；同时复合地基模量大、建筑物沉降量小。采用的排土成桩工艺有施工快、无振动、低噪音的特点，且质量易控制。施工时可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋，经济环保，造价低。

根据上述地基处理方案中桩的数量，同时参照消耗量定额，计算三种施工方案的施工总价并进行比对。三种处理方案的施工总价见表2。

表2 三桩型施工总价对比表

综上所述，综合考虑经济、社会效益，施工难易程度，承载力和沉降因素，选择CFG桩复合地基处理方案。

2.CFG桩复合地基的设计

设计桩长15 m，桩端持力层在第5层粉质黏土层，中压缩性土层，地基承载力特征值为180 kPa。根据常用的施工机械可施工的桩径情况，选择桩径为400 mm，桩体混凝土设计强度为C20，褥垫材料为中砂，厚度取200 mm。

水泥粉煤灰碎石桩承载力通过现场荷载实验确定，单桩承载力特征值Ra=511 kN。选择正方形布桩，取桩间距为1.5 m，需布置586根桩。

(1)复合地基承载力计算

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)7.1.5条进行复合地基承载力计算：

fspk=λmRa/AP+β(1-m)fsk

(3)

式中：fspa——复合地基承载力特征值(kPa)；

λ——单桩承载力发挥系数；

m——面积置换率；

Ra——单桩竖向承载力特征值(kN)；

AP——桩的截面积(m2)；

β——桩间土承载力发挥系数；

fsk——处理后桩间土承载力特征值(kPa)。

按正方形布桩，桩间距取1.5 m，面积置换率m=0.056为桩间土强度发挥系数，取β=0.9代入公式(3)计算为：

fspk=λmRa/AP+β(1-m)fsk=0.056×511÷0.1256+0.8×(1-0.056)×110=310.9 kPa

经修正后复合地基承载力特征值fa= 329.1 kPa，满足要求。

(2)CFG桩复合地基沉降计算

CFG桩复合地基的沉降量计算按照经验公式法计算，为加固区变形量s1、下卧层变形量s2之和，按分层总和法计算沉降。确定沉降计算深度15.3 m，深度范围内的计算沉降量为44.39 mm，相对应的Vz=3.7 m土层沉降量为1.45 mm，满足△Sn≤0.025∑VzSi，故计算的沉降深度满足规范。

根据沉降计算经验系数ψs=0.4，可得总沉降量为：

S=ψs∑Si=17.76 mm

(四)CFG桩复合地基的施工与检测

1.施工

本着合理有序、方便施工的原则，设计网格式正方形布桩方式，采用由正中间南北方向开始，由中间向两边依次平行推进，以避免桩间土被扰动，必要时采用间隔跳打的施工方法。

(1)桩孔放线确定位置：按照施工顺序，施工桩机器就位后，先把桩机器调整好水平度。如果施工的场地有坑洼时，就先把桩机架体的支腿、基础座调整好，施工时保证是水平的机座，钻杆要垂直旋转。桩中心位置偏中小于等于20 mm，钻杆垂直偏差1.5%以内。

(2)启动钻孔程序：桩机开启后，看桩机的水平指示要在水平位置，操作提升机平稳放下钻杆及钻头至地面桩孔位置，检查钻杆垂直及钻杆尖心对准桩位点，操作开始钻孔，平稳地旋转下沉钻杆至桩底标高位置。

(3)灌料桩体材料及提升：钻机旋转施工至设计的持力层后，观察土质情况，若持力层有起伏，及时调整，确保桩端在设计的持力层中以后，启动灌注材料混凝土泵送设备。混凝土布管减少弯道，泵车与钻机在50米内，应先泵入混凝土并停顿10～15秒，把钻杆芯管充满后，操控卷扬机平稳缓慢升高钻杆，提钻杆的速度应根据土层情况确定，泵送量要保证管内有一定高度的混凝土。

(4)灌料完成、移机：压力灌注桩充盈系数1.0～1.2为宜，施工后桩顶的混凝土要高出设计桩顶标高0.5 m左右，成桩后，先人工清除钻杆及泵管内的混凝土，再用清水把钻杆、泵管清洗干净。做好灌注材料的计划控制、节约使用和现场的安全文明施工管理工作。

(5)清除桩间土、凿桩头：为保护好成桩质量，桩间土清理用小型设备配合人工清理进行，桩头用人工凿平，清理桩头表面浮动的碎渣、泥土。

2.检测

在CFG桩施工完成28天后，按照施工规范的规定，对桩身强度进行检测。 桩身强度检测数量一个单位工程不少于3根，并不少于设计总桩数量的0.5%～1%。现场选取40号、197号、310号三根试验桩，实验复合地基承载力特征值分别为600 kPa、597 kPa、622 kPa，能满足最大极限差距规定的平均值30%的条件和单桩设计590 kPa要求，且检测数据显示桩身完整无缺陷，从p～s曲线图(图1、图2、图3)的分析看出，在各级加载下复合地基沉降均能稳定，曲线未出现陡降段，呈缓变抛物线型。试验结果表明，本工程的桩身完整性好，CFG复合地基承载力特征值满足设计要求。

按照规范要求，应抽取不少于总桩数10%的桩进行低应变动力试验，检测桩身完整性。本工程共检测60根工程桩，均无明显缺陷，桩身完整。

图1 40号试验点单桩复合地基载荷试验曲线

图2 197号试验点单桩复合地基载荷试验曲线

根据规范及工程需要，共设置6个沉降监测点。沉降监测从各监测点稳定之后开始监测，首次监测采用三次监测取平均值法作为各监测点的初始值。监测开始以后，楼房每上升2层监测一次。全程共分14个观测周期。通过对监测数据进行变形分析，建筑物沉降随时间增加而增大，但累计最大沉降量为21.80 mm(1/4)，累计平均沉降量为14.86 mm(1/2)，与前文分层总和法所计算得到了17.76 mm的沉降值相吻合，与设计值(30 mm)相比变形较小，在控制范围内。

图3 310号试验点单桩复合地基载荷试验曲线

三、结语

东营世纪城1号楼工程所处大地构造内主要存在较厚的冲洪积形成的粉质黏土，力学性质较差，压缩性大，地下水位埋深浅，且有季节性变化大的特点，是黄河三角洲地区土层工程地质的典型代表。本文通过对该工程地基加固的分析与设计，得到以下几点结论：

1.通过方案对比，选择CFG桩复合地基加固该工程的地基，不仅复合地基的承载力大，地基沉降小，而且性价比高。

2.该工程CFG桩复合地基的施工难度小，无振动，噪音小、工期短，获得了较好的社会效益。

3.地基沉降观测结果在控制范围内，而且大大降低了建筑物的沉降值。

4.该工程建设的实践证明，CFG桩复合地基解决黄河三角洲地区地基处理问题合理可行。