清北电排站地基处理设计中CFG桩复合地基的应用

吉同毅

（清远市水利水电勘测设计院有限公司，广东 清远 511500）

0 引言

在水利工程设计过程中，因天然地基无法满足建筑物基底应力要求，则需要进行地基加固处理，达到消除地基土的液化和提高承载力的目的。水工建筑物常用的桩基础复合地基处理方法有水泥土搅拌桩、钢筋砼灌注桩、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）、砼预制管桩等。由于CFG桩的材料加入了粉煤灰且无配筋，造价为一般桩基础处理方案的1/3～1/2，且施工简单，适用地质变化能力强，经济效益和社会效益非常显著，应用广泛[1]。

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌和形成的高粘结强度桩，与桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩桩身砼强度等级多在C15～C25之间。以广东省清远市清城区清北电排站应急扩容工程2#泵房地基处理作为典型论述。清北电排站位于清城区澜水河北江出口处往上游约300 m处、东城街道办事处澜水村，扩容新建电排站装机容量为900kW（3×300 kW)，设计电排流量11.3 m3/s。

1 岩土层主要物理力学指标及桩设计参数值

查阅《广东省清远市清城区清北电排站应急扩容工程地质勘察报告》，本次地基处理采用泵房基础的地质钻孔ZK3的岩土参数成果进行，勘察期间水位为8.44 m，岩土层主要物理力学指标及桩设计参数建议值，见表1。

表1 岩土层主要物理力学指标及桩设计参数建议值汇总表

2 泵房天然地基软弱下卧层承载力计算

根据《泵站设计规范》（GB 5026-2010）作用在泵房上的荷载有自重（包括泵房结构重量、填料重量及永久设备重量）、静水压力、扬压力、土压力，活荷载（包括人群荷载和设备活荷载）等，作用在泵房上的土压力根据泵房结构可能产生的变形条件，按主动土压力计算。荷载组合分为基本组合和特殊组合，基本组合按完建情况和运行情况两种情况计算，特殊组合按施工情况和检修情况两种情况计算。即按以下4种工况计算：①完建情况时，内水位低于基础高程，没有静水压力和扬压力；②正常情况时，内水位为设计运行内水位，外水位为设计运行外水位；③施工情况时，内水位低于基础高程，没有土压力静水压力、扬压力、土压力；④检修情况，内水位为设计运行内水位，外水位为设计运行外水位。通过对以上4种情况进行房基底应力计算分析，完建情况泵房的基底最大应力为91.59 kPa，最小应力为66.71 kPa；正常运行情况泵房的基底最大应力为80.85 kPa，最小应力为73.58 kPa；施工情况泵房的基底最大应力为81.57k Pa，最小应力为76.72 kPa；检修情况泵房的基底最大应力为109.47 kPa，最小应力为105.08 kPa。

本次基础应力按检修情况的基底最大应力109.47 kPa进行验算，基础底面至地面距离0.9 m。根据本工程地质钻孔ZK3的成果可知，泵房基础存在下卧层＜2-2＞淤泥质土。需要进行软弱下卧层承载力验算。计算岩土参数取值，见表1，泵房天然基础下的软弱下卧层＜2-2＞淤泥质土承载力计算验算按以下公式：

式中：Pz为相应于荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加压力值，kPa；Pcz为软弱下卧层顶面处土的自重压力值，kPa；faz为软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值，kPa。

垫层底面处的附加压力值Pz按下式计算。

式中：b为矩形或条形基础底面的宽度，13 m；l为矩形基础底面的宽度，21 m；pk为相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值，130 kPa；pc为基础底面处土的自重压力值，kPa；z为基础底面处垫层的厚度，1.24 m；θ为垫层的压力扩散角，3.09°，按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)规范表5.2.7取值。

＜2-2＞淤泥质土软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值faz按下式计算。

式中：fak为地基承载力特征值，为 60 kPa；ηb、ηd为基础宽度深度修正系数，ηb取0，ηd取1；γ为基础底面以下土的加权平均重度为，19.30 kN/m3；γm为基础底面以上土的加权平均重度17.30 kN/m3；b为基础底面宽度，为13 m；d为基础底面深度，为21 m。

按上述公式计算，基础底面处土的自重压力值Pc=17.37kPa，软弱下卧层顶面处的附加压力值Pz=90.93 kPa，软弱下卧层顶面处土的自重压力值Pcz=41.30 kPa，软弱下卧层修正后地基承载力特征值faz=91.65 kPa。Pz+Pcz=132.23≥faz=91.65 kPa，则淤泥质土无法满足上部水工建筑基础设计荷载的要求，则需要对需要泵房底部地基整体加固处理。

3 泵房地基处理

2#泵房基底高程为5.10 m，泵房计算最大地基应力为109.47 kPa，考虑到受振动荷载影响时，泵房地基承载力需要修正，修正系数取0.9，修正后泵房地基承载力应不小于109.47÷0.9=121.63 kPa，则泵房设计基地承载力取130 kPa。

3.1 基础处理桩型比选

根据《广东省清远市清城区清北电排站应急扩容工程地质勘察报告》的结论建议，基岩面上广泛揭露为3层地层构成，依次揭露为＜2-1＞粉质粘土、＜2-2＞淤泥质土、＜2-3＞粉质粘土，开孔表层普遍存在局部人工混凝土层。下部岩土层揭露为基岩层，按风化程度不同分为＜3-1＞强风化泥质粉砂岩和＜3-2＞弱风化泥质粉砂岩。对该泵房基础处理可采用水泥土搅拌桩、钢筋砼灌注桩、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）、砼预制管桩等。对各桩型进行经济技术比较，水泥土搅拌桩、CFG桩、砼预制管桩按直径400 mm比较，钢筋砼灌注桩按直径800 mm比较。具体比较见表2。

表2 基础处理桩型经济技术比较表

由表2可以看出，从单米造价方面比较，水泥土搅拌桩较为节省，CFG桩其次，砼预制管桩造价排第三，钢筋砼灌注桩最贵。从施工技术方面比较，水泥土搅拌桩、钢筋砼灌注桩、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）、砼预制管桩均适应该工程。从施工速度方面比较，由快到慢的是砼预制管桩、CFG桩、钢筋砼灌注桩、水泥土搅拌桩。从施工场地方面要求比较，预制管桩机械压桩场地要求最大，钢筋砼灌注桩场地要求其次，水泥粉煤灰碎石桩和水泥土搅拌桩场地要求差不多。

因本泵站工程为应急工程工期较紧，且周边以开发为商业用地难于征用。本次选择施工速度快、施工机械占用场地少、性价比高的桩型，即CFG桩。

CFG桩端设置于强风化泥岩中，桩长10 m。现选取地质钻孔ZK3进行计算，桩长为10 m，确定CFG桩地基加固处理方案如下：CFG桩按三角型布置，桩直径取0.4 m，桩身砼强度为C20，间距1.5 m×1.5 m，桩长10 m，桩顶设30 cm厚级配砂碎石褥垫层，桩端设置于强风化泥岩中。具体布置见图 1、图 2。

图1 泵房地基处理剖面图

图2 泵房地基处理平面图

3.2 泵房复合地基承载力计算

泵房基础下各层土厚度、力学参数及CFG桩设计参数见表1。单桩承载力按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）、《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）有关公式计算。可按下列两式计算，取其中小者：

式中：Ra为竖向单桩承载力特征值，kN，安全系数取2；λ为单桩力发挥系数，取1；Fcu为桩体28天立方体强度，kPa，采用C20砼取20 MPa；uP为桩的周长；qsi为第i层土的侧阻力特征值；Li为第i层土厚度；qp为桩端持力层端阻力特征值；Ap为桩截面积。

按公式计算单桩竖向承载力标准值，分别为Ra1= 628.32 kN，Ra2=387.70 kN。则取其中小者，且安全系数取2，则Ra=387.7/2=194 kN。

复合地基承载力特征值按《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）要求有关公式计算。可按下式计算。

式中：λ为单桩力发挥系数，取1；fspk为复合地基承载力标准值，kPa；m为面积置换率；fk为天然地基承载力标准值，＜2-1＞粉质粘土为150 kPa；Ap为桩的截面面积，m2；β为桩间土强度发挥度，取0.90。

经过计算，复合地基承载力特征值fspk=174.30 kPa，大于泵房设计基地应力130 kPa，则处理后地基承载力满足要求。

3.3 泵房地基处理后地基沉降计算

地基沉降计算按照《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）有关公式计算，参考表1岩土参数，计算深度为＜3-1＞泥质粉砂岩层顶面以上。

式中：S为桩基最终沉降量，mm；S'为按分层总和法计算出的地基沉降量；φ为沉降计算经验系数；φe为沉降等效沉降系数；m为角点法计算点对应的矩形荷载分块数；p0j为第j块基础底面附加应力，kPa；n为地基沉降计算深度范围内所划分的土层数；Esi为第 i层土压缩模量；zij、z（i-1）j为桩端平面第 j块荷载计算点至第i层土、第i-1层土底面的距离为平均附加应力系数。

将地基应力以及各层土有关数据代入上式得表3。

表3 泵房基础沉降计算表

沉降计算经验系数取0.40。总沉降量：0.4×174.23=69.69 mm，地基沉降量小于200 mm，查《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）可知，满足规范要求。

3.4 工程质量检测

本项目在CFG复合地基处理施工结束28d后，进行了单体桩及复合地基静载试验检测。泵房基础处理施工CFG桩121根。单桩共检测3根，检测值分别为630.13 kN、678.47 kN、651.95 kN。CFG复合地基共检测3处，检测值分别为454.47 kPa、478.59 kPa、426.38 kPa。2#泵房修正后的设计基地承载力为130 kPa，通过CFG桩复合地基处理后的地基承载力大于设计地基承载力，则地基处理满足建筑物承载要求。

4 结语

工程采用CFG桩复合地基处理取得了较好的效果。地基处理后有较高的承载力，承载力的提高幅度在200%～300%之间，对软土地基承载力提高显著。该桩型材料具有良好的流动性与和易性，灌筑方便及成桩质量好，易控制施工质量，且施工工期较短，可加快工程建设进度。该桩落在风化泥岩上，可较严格地控制地基沉降量，沉降量相对较小及变形稳定快。该桩型工艺性好而简单，利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大量节约了钢材和水泥，利用工业废料，大大降低了工程造价。