CFG桩复合地基在湿陷性黄土地区的应用探讨

盛 超，石鹏程

（西北有色勘测工程有限责任公司,陕西 西安 710038）

CFG桩复合地基即为水泥粉煤灰碎石桩复合地基（composite foundation with cement-fly ash-gravel piles）,由水泥、粉煤灰、碎石等混合材料加水拌和在土中灌注成竖向增强体,由竖向增强体和桩间土共同承担上部荷载的复合地基[1]。

目前CFG桩复合地基的竖向增强体主要由混凝土灌注而成。可通过调整混凝土的强度等级使CFG桩复合地基的竖向增强体的强度发生变化。

CFG桩复合地基的主要工作机理为CFG桩竖向增强体和桩间土通过褥垫层的作用共同承担上部建筑荷载。CFG桩复合地基工程造价比钢筋混凝土桩略低。

1 CFG桩复合地基的工作机理

CFG桩复合地基的工作机理主要表现在置换、褥垫层、竖向增强体和桩间土互相约束[2]。

1.1 置换

目前CFG桩复合地基中竖向增强体主要由混凝土灌注而成。设计和施工中主要采用C20 及以上强度标号的混凝土。故CFG桩竖向增强体的强度和压缩模量是远大于桩间土的。在荷载作用下,竖向增强体桩顶沉降小于桩间土的沉降,基础底面应力在桩顶发生应力集中,竖向增强体桩顶应力比桩间土上部表面应力大。竖向增强体承担大部分上部荷载,而桩间土承担小部分荷载。这样,由于竖向增强体桩的作用使复合地基承载力提高,变形减小[3]。

1.2 褥垫层

褥垫层是CFG桩复合地基的重要组成部分。CFG桩复合地基中的褥垫层是在竖向增强体桩顶和建筑基础之间由粒状材料组成的散体材料垫层。褥垫层厚度一般为100 mm~300 mm,采用中砂、粗砂、级配良好的砂石或碎石、灰土等材料铺设,最大砂石粒径不宜大于30 cm。

褥垫层的主要作用是调整CFG桩复合地基整体承担上部荷载的状态。当CFG桩复合地基整体受荷载时,竖向增强体的沉降变形比桩间土的沉降变形小,竖向增强体可以向上刺入褥垫层中,垫层材料不断调整补充到桩间土上,也就能保证在任一荷载作用一下竖向增强体和桩间土始终共同承担上部荷载。

1.3 增强体和桩间土互相约束作用

在CFG桩复合地基中,增强体对桩间土具有阻止土体侧向变形的作用,桩间土向增强体提供桩体的侧摩阻力。增强体强度越大,桩间土侧向变形越小；桩间土强度越大,增强体的沉降变形越小。总体而言,CFG桩复合地基总体沉降变形是增强体和桩间土共同作用的结果。

2 CFG桩施工工艺和适用性

CFG桩复合地基常用施工工艺为长螺旋钻孔灌注成桩、长螺旋钻孔压灌成桩、振动沉管灌注成桩、泥浆护壁成孔灌注成桩等[2]。

CFG桩复合地基方案主要适用于地基土为粘性土、粉土、素填土、砂土、碎石土等地层,穿越卵石夹层时应通过试验确定实用性。

CFG桩复合地基的施工工艺往往根据工程场地内的地质条件、施工条件、设计要求、当地的施工技术配备条件等综合确定。在西安市内长螺旋钻孔压灌成桩较为常见。

3 在湿陷性黄土地区的使用

由于常采用长螺旋钻孔的施工工艺,CFG桩复合地基不具备消除地基土湿陷性的能力。为满足工程建设的需要,先进行预处理消除地基土的湿陷性,再采用CFG桩复合地基提高地基土的承载力[4]。

4 存在问题

根据规范《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB 50025-2018）要求,在湿陷性黄土场地,乙类、丙类建筑应采取地基处理措施消除地基的部分湿陷量[5]。

4.1 湿陷性土层预处理的深度

现于湿陷性黄土场地拟建1栋15 F公寓,设计基底荷载400 kPa,按《湿陷性黄土地区建筑标准》判定为乙类建筑,场地为自重湿陷场地,湿陷等级为级II中等,基底湿陷土层厚度约为10 m。为满足规范（GB 50025-2018）第6.1.4 条第二款的规定,当采用挤密桩预处理+CFG桩复合地基（采用长螺旋钻孔施工工艺）,应确定湿陷性土层预处理的深度。

有两种方案：①按规范要求处理湿陷性土层的2/3 厚度；②处理全部湿陷性土层。

①按规范要求处理湿陷性土层的2/3 厚度的理由：在采用挤密桩处理了全部湿陷性土层的上部2/3 后,已满足规范的要求。在上部建筑采取结构措施和检漏防水措施后,上部水不会渗入下部湿陷性土层,地基不会湿陷变形。CFG桩复合地基在初步设计时,下部未处理的湿陷性土层参数可采用土体饱和状态下的,从而折减复合地基强度,留有安全储备。

②处理全部湿陷性土层的理由：CFG桩复合地基不具备消除地基土湿陷性的能力且桩间土需要承担部分上部荷载。不处理的湿陷性土层是潜在的质量、安全隐患,应消除地基土的全部湿陷量。

本工程建设中采用方案②。方案①虽满足规范条文的要求,可仍然存在安全隐患,方案②更加稳妥,能确保建筑的安全稳定。

4.2 湿陷性土层预处理

现于湿陷性黄土场地拟建1栋15 F公寓,设计基底荷载400 kPa,按《湿陷性黄土地区建筑标准》判定为乙类建筑,场地为非自重湿陷场地,湿陷等级为级I轻微,基底湿陷土层厚度约为5 m。按规范（GB 50025-2018）第6.1.4 条规定,在非自重湿陷性黄土场地,地基处理厚度不应小于地基压缩层深度的2/3,且下部未处理湿陷性土层的湿陷起始压力值不应小于100 kPa。

为满足规范（GB 50025-2018）第6.1.4 条第一款的规定,当采用CFG桩复合地基（采用长螺旋钻孔施工工艺）,应确定湿陷性土层是否需要预处理。

仍有两种方案：①不预处理；②采用挤密桩预处理。

①不预处理的理由：拟建场地为非自重湿陷地,湿陷等级为级I轻微（地基湿陷量小于100 mm）,在上部建筑采取结构措施和检漏防水措施后,水不会渗入下部湿陷性土层,地基已不再具有湿陷性。CFG桩复合地基在初步设计时,未处理的湿陷性土层参数可采用土体饱和状态下的,从而折减复合地基强度,留有安全储备。地基处理方案更经济。

②采用挤密桩预处理的理由：CFG桩复合地基不具备消除地基土湿陷性的能力且桩间土需要承担部分上部荷载。不处理的湿陷性土层是潜在的质量、安全隐患,应按规范要求消除地基土的部分湿陷量,未处理的湿陷性土层参数采用土体饱和状态下的,从而折减复合地基强度,留有安全储备。

针对具体情况需要具体分析。当拟建场地地基浸水可能性较大时,应严格按照规范要求先处理地基土的湿陷性,而后再采用CFG桩方案。

4.3 方案比选。

西安市北郊某水利单位拟建1栋28 F公寓,三层地下室,框剪结构,筏板基础,基底荷载600 kPa,基础埋深16.0 m。场地为自重湿陷性场地,湿陷等级为II级（中等）,地层情况大致为：①层自重湿陷性黄土,厚11.0 m,②层无湿陷性黄土,厚9.0 m；③层中砂,厚15.0 m；④层粉质粘土,厚5.0 m；⑤层中砂,厚35.0 m。水位埋深15.0 m。该拟建建筑地基基础方案可从CFG桩复合地基和钻孔灌注桩中选取。

当CFG桩的桩体强度为C30,桩距1.5 m等边三角形布置,桩径400 mm时,按照规范（JGJ 79-2012）7.1.5条计算CFG桩复合地基承载力特征值fspk,CFG桩桩长22.0 m可满足设计要求。

当钻孔灌注桩桩径为0.8 m时,按规范（JG J94-2008）式5.3.5计算灌注桩单桩极限承载力标准值,桩长为30 m可满足设计要求。方案比选见表1。

综上所述,CFG桩复合地基方案相较桩基础有很多优点,但其仍存在一些问题：

①CFG桩复合地基方案沉降较大。从CFG桩复合地基的检测资料中发现,当荷载达到设计值时,沉降一般为20 mm~30 mm,同荷载的桩基础仅为10 mm~15 mm。对沉降变形极为敏感的建筑物应优先考虑桩基础,沉降大会导致建筑的变形等问题[4]。

②CFG桩成桩质量较难控制,易出现断桩和缩颈桩的情况,从而影响建筑质量。破桩头时,稍有不慎容易破坏CFG桩桩体,从而造成断桩事故。

③CFG桩的抗震性差。CFG桩桩身的主料为素混凝土等材料,桩身水平抗剪能力差。虽在桩顶设有褥垫层,让桩、土一起分担水平荷载,减少上部主体建筑受震荡影响,但下部桩体很可能会在水平荷载作用下发生剪切断裂,降低整个地基土的承载能力,从而使主体建筑产生较大沉降变形及倾斜。

5 结语

CFG桩复合地基在湿陷性场地设计使用时,应首先考虑消除地基土的湿陷性。自重场地应消除全部湿陷性,非自重场地应按规范要求消除部分湿陷性。高层建筑在采取CFG桩符合地基时,应多方面考虑,不可仅从其经济性着眼。