余術(shù)剛

鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司（450000）

CFG樁在某工程應(yīng)用的分析

余術(shù)剛

鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司（450000）

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的英文縮寫(xiě)，它是20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的一種地基處理技術(shù)，隨著我國(guó)工程建設(shè)的大量興起，CFG樁應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。CFG樁有著施工快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前，在多高層建筑以及工業(yè)廠(chǎng)房，高速公路路基處理，軟土地區(qū)控制沉降中都有著廣泛的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但在工程實(shí)際中也存在一些問(wèn)題，文章就洛陽(yáng)某工程CFG樁的適用性進(jìn)行分析，得出一定的結(jié)論。

CFG樁；工程實(shí)踐；褥墊層；沉降

1 地質(zhì)條件

擬建項(xiàng)目位于洛陽(yáng)市洛南新區(qū)，由3棟高層住宅樓和一個(gè)地庫(kù)組成。擬建場(chǎng)地地形較為平坦，各勘探點(diǎn)孔口標(biāo)高變化在155.05～158.77 m，最大高差為3.69 m。擬建場(chǎng)地地貌單元屬于洛河Ⅰ級(jí)階地前緣。

根據(jù)野外鉆探、室內(nèi)土工試驗(yàn)及原位測(cè)試成果進(jìn)行綜合分析，擬建場(chǎng)區(qū)地層分布上覆為第四紀(jì)沖洪積作用所形成的黃土狀粉土及粉質(zhì)黏土層，中間為砂及砂卵石層，下伏為上第三系黏土巖，地表為受人類(lèi)活動(dòng)影響所形成的填土層。根據(jù)本次勘察成果，參考區(qū)域地質(zhì)資料，可將本次勘探深度內(nèi)的地基土分為以下幾層，現(xiàn)自上而下分述。

1.1 素填土（Q4ml）

黃褐色，以粉質(zhì)黏土、粉土形成的素填土為主，含有草根、磚渣、灰渣等，表層分布。土質(zhì)松散，均勻性、結(jié)構(gòu)性差。層厚0.00～3.60 m。

1.2 黃土狀粉土夾粉黏質(zhì)土（Q42al+pl）

褐黃～黃褐色,粉質(zhì)黏土呈可塑～硬塑狀態(tài);粉土呈稍濕～飽和、稍密～中密狀態(tài)。具有針狀及大孔隙，含有白色鈣絲、青磚塊、紅磚屑及炭末等，局部夾細(xì)砂薄層，個(gè)別區(qū)域混卵礫石夾層。粉質(zhì)黏土無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等；粉土搖振反應(yīng)中等，無(wú)光澤，干強(qiáng)度低，韌性低。該層沉積時(shí)間相對(duì)較短,為新近堆積黃土。壓縮系數(shù)平均值= 0.26 MPa-1，屬中壓縮性土。層厚0.80～4.60 m,層頂標(biāo)高156.04～157.67 m。

細(xì)砂（Q42al+pl）：褐黃色，稍濕～飽和，稍密,礦物成份為長(zhǎng)石、石英、云母，以細(xì)砂為主，局部地段分布有粗砂，局部夾有卵礫石和粉土薄層。呈透鏡體狀分布。層厚0.50～2.20 m。層頂標(biāo)高153.31～155.27 m。

1.3 卵石（Q4al+pl）

雜色，濕～飽和，中密為主，局部密實(shí)，巖性成份主要為石英砂巖及火成巖，卵石含量約為70%，顆粒呈亞圓形,一般粒徑3～8 cm,最大粒徑超過(guò)15 cm。充填物多為圓礫、中粗砂及少量黏性土。卵石磨圓度較好，分選性一般，級(jí)配一般。層厚0.60～3.90 m，層頂標(biāo)高148.77～155.35 m。

1）卵石（Q4al+pl）：雜色，濕～飽和，稍密～中密。巖性成份主要為石英砂巖及火成巖，卵石含量約為60%，顆粒呈亞圓形，一般粒徑3～6 cm，最大粒徑超過(guò)15 cm。充填物多為圓礫、中粗砂及少量黏性土。卵石磨圓度較好，分選性一般，級(jí)配一般。呈透鏡體狀分布。層厚0.50～3.80 m，層頂標(biāo)高149.81～155.57 m。

2）圓礫（Q4 al+pl）：雜色，濕～飽和，松散～稍密，巖性成份以石英砂巖及火成巖為主。圓礫石含量約65%，顆粒呈亞圓形，一般粒徑1～3 cm，充填物以砂、黏性土為主，局部夾有黏性土薄層。磨圓度較好，分選性一般，級(jí)配一般。呈透鏡體狀分布。層厚0.50～2.70 m，層頂標(biāo)高149.89～155.24 m。

1.4 黏土巖（N）

黃褐～紅褐色，成巖作用較差，似硬黏土狀。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層構(gòu)造，可見(jiàn)傾角12～170的層理，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類(lèi)。以黏粒為主，部分段含砂粒和礫石，可見(jiàn)黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)及灰綠色高嶺土條紋，局部富含鈣質(zhì)及砂巖塊。該層強(qiáng)度不均勻，上部成巖作用差，呈硬黏土狀，下部成巖作用稍好，巖芯多呈柱狀，并且強(qiáng)度因鈣化膠結(jié)程度不同而差異較大，遇水易軟化，失水易崩解。層頂標(biāo)高148.42～150.89 m。該層未鉆穿，勘察最大揭露厚度34.50 m。根據(jù)區(qū)域工程地質(zhì)資料，該黏土巖層厚度大于50 m。

圖1 勘探點(diǎn)平面布置圖

圖21 -1剖面圖

圖33 -3剖面圖

根據(jù)野外鉆探，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，依據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)范，并結(jié)合地區(qū)建筑經(jīng)驗(yàn)，綜合確定各地基土層的承載力特征值及變形參數(shù)如表1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的“巖土工程勘察任務(wù)委托書(shū)”，主樓為剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，平均基底壓力分別為600 kPa，設(shè)有2～3層地下室，地下室基底標(biāo)高為-10.6 m。假定建筑物±0.00標(biāo)高為157.60 m,則高層建筑筏板基礎(chǔ)底標(biāo)高為147.00 m，根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，基礎(chǔ)持力層為（4）黏土巖層。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）的有關(guān)規(guī)定，（4）黏土巖承載力不作修正，由于（4）黏土巖承載力不能滿(mǎn)足高層荷重要求，故不宜采用天然地基方案。根據(jù)場(chǎng)地的巖土工程地質(zhì)條件，結(jié)合建筑物的荷載特點(diǎn)，本工程高層建筑也可采用剛性樁復(fù)合地基方案，基礎(chǔ)采用復(fù)合地基上的筏板基礎(chǔ)。

表1 各地基土承載力特征值及壓縮模量

剛性樁采用CFG樁，建議采用泥漿護(hù)壁沖擊成孔的施工工藝，以（4）黏土巖作為樁端持力層，由于（4）黏土巖層的性質(zhì)與土層比較接近，設(shè)計(jì)時(shí)不按嵌巖樁進(jìn)行單樁承載力估算。

2 CFG樁工作原理

CFG樁與樁基的主要區(qū)別在于褥墊層，上部荷載傳到基底，通過(guò)褥墊層的變形，將荷載分配給樁和樁間土，使二者共同受力，同時(shí)土體受到樁的擠密而提高承載力，而樁又由于周?chē)恋膫?cè)應(yīng)力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一個(gè)復(fù)合地基的受力整體，共同承擔(dān)上部基礎(chǔ)傳來(lái)的荷載。當(dāng)褥墊層厚度較小時(shí)，樁承擔(dān)的豎向荷載比例就較大，反之，當(dāng)褥墊層厚度較大時(shí)，樁間土承擔(dān)的豎向荷載比例就越大。樁和樁間土共同承擔(dān)荷載就需要適當(dāng)厚度的褥墊層。

如不設(shè)褥墊層，當(dāng)樁端位于堅(jiān)硬土層時(shí)，基礎(chǔ)承受荷載后樁頂沉降變形很小,絕大部分荷載由樁承擔(dān)，樁間土承載力很難發(fā)揮。當(dāng)樁端落在一般黏土層上時(shí)，基礎(chǔ)承受荷載后，開(kāi)始絕大部分荷載仍由樁承擔(dān)，隨著時(shí)間的增加，基礎(chǔ)和樁的沉降不斷增加，同時(shí)基礎(chǔ)下土分擔(dān)的荷載不斷增加，即存在一個(gè)樁所承擔(dān)的荷載逐漸向樁間土轉(zhuǎn)移的過(guò)程。基礎(chǔ)和樁之間設(shè)置了一定厚度的褥墊層后，在上部荷載作用下,樁間土的抗壓剛度遠(yuǎn)小于樁的抗壓剛度，樁頂出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)樁頂壓力超過(guò)褥墊層局部抗壓強(qiáng)度時(shí)，褥墊層局部（與樁接觸部分）會(huì)產(chǎn)生壓縮量，基礎(chǔ)和褥墊層整體也會(huì)產(chǎn)生向下位移壓縮樁間土，此時(shí)，樁間土承載力開(kāi)始發(fā)揮作用，并產(chǎn)生沉降直至應(yīng)力平衡。由此可見(jiàn)設(shè)置褥墊層后，可以保證基礎(chǔ)通過(guò)褥墊層的塑性調(diào)節(jié)作用將部分荷載傳到樁間土上，從而達(dá)到樁土共同承擔(dān)荷載的目的。

樁間土承擔(dān)荷載的比例，由褥墊層的厚度決定。當(dāng)不設(shè)褥墊層時(shí)，樁對(duì)基礎(chǔ)底板的應(yīng)力集中很顯著，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮樁對(duì)基礎(chǔ)底板的沖切破壞（類(lèi)似樁基），褥墊層厚度越大應(yīng)力集中現(xiàn)象越不明顯，當(dāng)達(dá)到一定厚度時(shí)，基底反力就等同于天然地基的反力。通過(guò)試驗(yàn)研究，當(dāng)褥墊層厚度為100 mm時(shí)，CFG樁對(duì)基底產(chǎn)生的應(yīng)力集中已明顯降低，當(dāng)厚度為300 mm時(shí)，應(yīng)力集中已很小，也就是說(shuō)，墊層超過(guò)一定厚度后，基礎(chǔ)底板設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮樁對(duì)基礎(chǔ)應(yīng)力集中的影響。建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ 79—2012)建議CFG樁褥墊層厚度為樁徑的40%～60%，這與上述原理相一致。

圖4 CFG樁復(fù)合地基示意

3 CFG樁實(shí)用性分析

本工程基礎(chǔ)持力層為第（4）黏土巖,強(qiáng)度較高，在上部荷載作用下，樁間土的抗壓強(qiáng)度與樁的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，樁頂應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，隨著褥墊層的壓縮，樁和樁間土壓縮量相當(dāng)，由于樁間土面積遠(yuǎn)大于與樁接觸面積，要保持應(yīng)力平衡，樁受力是主要的。褥墊層的調(diào)節(jié)作用失效，樁土共同承擔(dān)荷載的目的也未達(dá)到。設(shè)置CFG樁的效果不明顯。復(fù)合地基受力模式如圖5所示。

圖5 復(fù)合地基受力模式

[1]JGJ79—2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2]鄧躍光,黃榮.CFG樁復(fù)核地基的原理和設(shè)計(jì)[J]地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境保護(hù),2002(3)：9.

[3]李寧.復(fù)合地基中褥墊層作用機(jī)理研究[J].巖土力學(xué),2000, 21(1)：10-15.