CFG 桩在高挡土墙地基加固中的应用

刘 毅，蔡佳愿

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引 言

挡土墙是边坡支护的一种主要形式，在土建工程中应用很广。随着我国建设的快速发展，挡土墙工程建设规模不断扩大。随着挡土墙高度的增加，其对地基承载力的要求也越来越高。一般的土质地基通常难以满足地基承载力的要求。如何有效、安全、经济地提高挡土墙下地基承载力，是一个非常有意义的课题。

当天然地基不满足上部结构要求时，则需要进行地基处理，CFG 桩即是一种有效的地基处理方法。CFG 桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG 桩可适用于坚硬、密实的土质地基，有效提高土质地基的承载力，与桩基相比，其可以掺入粉煤灰且无需配筋，还能充分发挥桩间土的承载能力，具有显著的经济和社会效益。

CFG 桩复合地基在工程中得到了广泛的应用，促使了国内外专家对其的深入研究。阎明礼等［1－3］对 CFG 桩的作用机理、设计方法进行了全面的阐述和系统的研究，探讨了 CFG 桩复合地基在水平荷载作用下的承载性状。董必昌等［4］分析了 CFG 桩复合地基的变形模式，推导出全新的桩土应力比公式。邓跃光等［5］探讨了桩复合地基工程设计的问题，指出了 CFG 桩在设计过程中需要注意的事项。杨丽君等［6］对 CFG 桩复合地基中的褥垫层的主要作用进行了研究，并探讨了垫层材料和厚度对加固作用的影响。

本文针对 CFG 桩复合地基在挡土墙地基加固的应用，以某挡土墙工程为应用实例，结合有限元模型，分析了其作为挡土墙地基的可行性和注意事项。

1 CFG 桩加固机理

CFG 桩复合地基的加固机理主要可概括为桩体的置换作用和褥垫层的调整均化作用。

由于 CFG 桩的压缩性比桩间土小，因此基础传递给地基的附加应力，随着地层变形逐渐集中到桩体上，大部分荷载将由桩体承受，桩间土受力相应减小，以此提高地基承载力。CFG 桩身具有黏结强度，在荷载作用下不会出现压胀变形，桩承受的荷载可通过桩周摩擦阻力和桩端阻力传至深层地基中。

经张尚东等［7］进行的现场测试发现，CFG 桩复合地基的桩土应力比较大，为 37～55。为了充分地发挥桩间土的承载能力，宜采用疏桩设计。同时在设计中，应在桩顶与基础之间设置褥垫层，不仅可以提供桩顶刺入的条件，也可以减少基础底面的应力集中现象。随着桩顶向上刺入褥垫层，垫层材料不断调整补充至桩间土上，保证了桩和桩间土始终一起参与工作，这是 CFG 桩与桩基最明显的差异。

与普通复合地基设计不同，在挡土墙工程中，墙后土体产生的主动土压力将通过挡土墙身传递给地基，造成较大的偏心荷载和水平荷载，对地基设计有非常大的影响。当基础受水平荷载时，桩、土将共同分担水平荷载，分担比例与褥垫层厚度有关。水平荷载传递如式（1）、（2）所示［8］。

式中：Q 为总水平荷载，kN；Qp为传到桩上的水平力，kN；Qs为传到桩间土上的水平力，kN；ps为桩间土分担的荷载，kN；μ 为基础和土之间的摩擦系数，通常为 0.25～0.45。

当褥垫层厚度为 0 时，上部荷载主要由桩承担，因此 ps较小，Qs也很小，此时水平荷载主要由桩来分担，桩承受较大的水平荷载。

当褥垫层厚度增大，褥垫层、桩体和桩间土可以整体作为土体来承受水平荷载。基础底部水平荷载通过褥垫层向下传递时，作用在桩顶和桩间土上的切应力相差不大，单根 CFG 桩顶受的剪力如式（3）所示。

式中：m 为 CFG 桩复合地基置换率，%；A 为单根 CFG 桩所对应地基处理面积，m2；τp为基础传到复合地基顶部的切应力，kPa。

由此可见，桩体所受水平荷载的比例大体与面积置换率 m 相当，且随着褥垫层厚度增大，该比例越接近于置换率 m 。此时桩受的水平荷载很小，水平荷载主要由桩间土承担。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

某挡土墙工程墙高 13.3 m，基础宽度 5.07 m，埋深 1.5 m，采用毛石混凝土挡土墙进行支护，边坡安全等级为一级。由于挡土墙高度较高，按规范计算每延米挡土墙基底所受总竖向力为 1 850 kN，总水平力为 517 kN，作用于基底的合力偏心距为 0.19 m。经验算持力层地基承载力要求不应小于 396 kPa，天然地基难以满足，因此采用 CFG 桩复合地基进行处理。

2.2 工程地质条件

根据钻探揭示，地基土自上而下依次如下所示。

①素填土：主要以粉质黏土为主，含少量建筑垃圾、碎砖块等，稍密状，层厚 0.9～4.5 m。

⑤-2硬塑状黏性土：主要为粉质黏土质，黏性较好，为砂岩、泥质砂岩、泥岩风化残积土，层厚2.4～6.3 m。

⑥全风化砂岩、砂质泥岩，为紫红色，泥质胶结，厚 0.5～6.7 m，差别大。

⑦-1 强风化砂质泥岩：粉砂质、泥质结构，中厚层状构造，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

2.3 地基处理方案

对地质较不利钻孔进行分析，挡土墙基础持力层为 ⑤-2 层硬塑状黏性土，地基承载力特征值 250 kPa，无法满足挡土墙对地基承载力的要求。通过对桩基和 CFG 桩复合地基进行比选，考虑其经济性，采用了 CFG 桩进行地基加固。CFG 桩复合地基处理后桩间土的承载力特征值可取天然地基承载力特征值，因此可以有效地发挥原有地基土的天然承载力，在此基础上发挥桩体的荷载传递效果，可以有效地提升地基承载力。

根据勘察报告，桩间土承载力特征值为 250 kPa。根据桩周土摩阻力和端承力计算单桩承载力特征值 为 682 kN。复合地基承载力计算公式如式（4）所示。

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；Ra为桩截面积，m2；λ 为单桩承载力发挥系数，可取 0.8；β 为桩间土承载力发挥系数，可取 0.9；fsk为桩间土承载力，kN。反算置换率 m 不应小于 0.07。

综上所述，本工程地基处理设计方案为 CFG 桩复合地基，桩径 500 mm，间距 1.7 m，置换率 7.8 %，单桩长度 9 m，桩端进入全风化泥岩或者强风化泥岩，正三角形布置，位于挡土墙下方，共布置 4 排。褥垫层材料采用级配碎石，厚度 300 mm。

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用有限元软件 Plaxis 3D 建立的相关模型，结合软件特点，进行以下假设。

1）在模拟计算中，采用摩尔-库伦理想弹塑性本构关系，屈服准则为摩尔-库伦强度准则。

2）边界条件采用标准设置，即模型四周水平方向固定，底部水平和竖直方向均固定。

3）引入接触单元，模拟桩与土层、褥垫层与土之间的接触问题。

有限元建模过程中，墙后填土和褥垫层均采用土单元模拟，CFG 单桩的模拟采取软件里“Embedded pile”单元，此单元需要赋予桩体侧摩阻力及端承阻力，使得其模拟出来的情况最大化接近实际工程。建立计算模型时各土层采用的材料性质参数如表1 和表2 所示。

表2 “Embedded pile”单元参数表

3.2 计算过程

1）模拟地基初始应力状态。此步产生的位移在下步计算时初始化为零。

2）施工 CFG 桩和铺设 30 cm 厚碎石垫层。

3）浇筑挡土墙墙身，回填墙前覆土和部分墙后填土。

4）回填全部墙后填土，并激活挡土墙顶部使用期荷载。

3.3 计算结果

有限元计算模型网格划分如图1 所示。

图1 计算模型有限元网格划分

表1 土层和模拟材料参数表

采用天然地基和 CFG 桩复合地基，挡土墙施工完成至使用期的总位移等值云图分别如图2～3 所示。

图2 天然地基挡土墙总位移云图

图3 CFG 桩复合地基挡土墙总位移云图

由图2 和图3 可见，CFG 桩复合地基能有效地减少挡土墙墙身的位移，但对墙后填土的作用很小。主要原因是 CFG 桩位于挡土墙墙身下方，能有效地提高地基刚度，减小挡土墙的竖向位移。墙后填土的变形主要由挡土墙的水平位移引起，CFG 桩复合地基对此影响较小。

此外，上述两种工况对应的整体稳定系数分别为 1.255 和 1.380，可见 CFG 桩复合地基对提升边坡挡土墙的整体稳定性具有一定的作用，但效果并不明显。然而根据崔哲［9］等对某发生了严重滑塌事故挡土墙的分析，当采用 CFG 桩进行基底处理设计时，应确认是否存在潜在的滑动面穿过 CFG 桩桩身，如存在，则应慎重考虑 CFG 桩的抗剪能力，当桩基基础需要考虑抗剪设计时，不建议采用 CFG 桩。因此，出于安全保守考虑，挡土墙进行整体稳定性考虑的时候，可不考虑 CFG 桩的作用。如有必要，应通过试验以取得复合地基的黏聚力和内摩擦角。

每跨计算单元分布有 4 根 CFG 桩，由墙趾向墙踵方向依次编号。其单桩受力情况如表3 所示，不同位置单桩受力情况略有差异，靠墙趾一侧单桩竖向荷载最大 411.5 kN，墙踵位置荷载最小。每跨计算单元内 CFG 桩承受竖向总荷载 1 582.1 kN，上部基础传递的总荷载为 1 850×1.7=3 145 kN，桩体受力占总荷载的 50.3 %，大大减小了桩间土承受的竖向荷载，因此能有效地提高地基承载力。

表3 CFG 桩顶荷载计算结果

挡土墙下 CFG 桩剪力的分布形式如图4 所示，最大剪力发生于桩顶，其值即为桩顶的水平荷载。为研究褥垫层厚度对桩顶水平荷载的影响，在有限元分析中，采用了不同碎石垫层厚度对其进行了模拟，结果如图5 所示。

图4 CFG 桩桩身剪力模拟分布图

图5 桩顶水平荷载与碎石垫层厚度关系图

由图5 可见，褥垫层厚度对桩顶所受的水平荷载有较大的影响。当褥垫层厚度较小时，桩顶水平荷载与褥垫层厚度近似呈反比线性关系，随着褥垫层厚度增大而减小。这一点与阎明礼等的研究相符。而在褥垫层厚度为 0 时，数值计算得出的作用于桩顶水平荷载之和还是明显小于总水平荷载，即在不设置褥垫层的条件下，桩土依然共同承受水平荷载，比例接近于 1∶1，并非完全由桩体承担。当褥垫层厚度超过 30 cm 以后，其厚度对桩顶水平荷载影响逐渐减小，此时单桩顶水平荷载为 35.3 kN，占总水平荷载的 16.1 %，其值大于 CFG 桩复合地基置换率，经验算水平承载力满足安全要求。

4 结 论

通过对工程实例的分析介绍，运用有限元 Plaxis 3D 软件对挡土墙下 CFG 桩复合地基进行数值模拟，分析了 CFG 桩对挡土墙地基加固的作用与桩体受力情况，得出如下结论。

1）CFG 桩复合地基能有效地提高地基承载力，可满足高挡土墙对地基承载力的要求，与此同时还能有效地减少挡土墙墙身的竖向沉降，但对水平位移作用不大。

2）CFG 桩复合地基能提高挡土墙边坡的整体稳定性，但效果有限，在进行挡土墙支护设计中，不建议考虑 CFG 桩的作用。如需考虑，应通过试验以取得复合地基的黏聚力和内摩擦角。

3）对于挡土墙下的 CFG 桩复合地基，褥垫层厚度对其所受水平荷载有至关重要的影响。随着褥垫层厚度的增大，桩体所受水平荷载迅速减小，为防止 CFG 桩被剪坏，褥垫层厚度不宜小于 20 cm。