CFG桩在岩溶地区地基处理中的应用

摘要：以粤兴大厦为例，介绍了CFG桩复合地基的设计原则，地基承载力计算、变形计算方法，施工过程中的注意事项，工程实践表明，CFG桩具有推广应用价值。

关键词：CFG桩；岩溶地区；地基处理；单桩承载力

中图分类号：P642.253文献标识码：Ａ

CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）是由水泥、粉煤灰、碎石石屑或砂加水拌和形成的高黏强度桩，为刚性桩，桩、桩间土和褥垫层一起构成复合地基【1】；本工程采用CFG桩复合地基进行地基处理，其优势得以明显体现出来。

1 工程概况

粤兴大厦拟建1栋12层办公楼，地下室1层，框架结构。根据地质勘察资料，场地中发现两处土洞，半充填，充填物为松散的粉砂和细砂，洞高6.50~20.10m，同时又发现两处薄顶板溶洞（溶洞顶板50~70cm），充填物均为少量粘性土，另外岩石面起伏大，浅处只有12.30m，深处达42.40m，局部近陡峭。各层的主要物理力学指标见表1。

表1各层主要物理力学指标

2 基础方案选择

在岩溶地区常用的地基处理方法有钻（冲）孔灌注、人工挖孔桩、水泥搅拌桩等。对于钻（冲）孔灌注，本场地溶洞、溶沟、溶槽发育会给施工带来难度，且造成造价高；对于人工挖孔桩，本场地桩深度大、软弱土和土洞以及桩端以下溶洞发育、地下水丰富，施工困难，施工人员危险且工期长，因此不适宜；而对于水泥搅拌桩未能利用桩端灰岩的特点，处理后的复合地基承载力和变形不能满足上部设计要求；CFG桩能很好的利用桩与桩间同作用的特性，桩端可以落到岩石面，利用了灰岩承载力高的特点，土层上部的可塑土也能利用，而且工艺简单、工期短、造价低，因此本工程采用CFG桩复合地基进行地基处理为最优选择。

3CFG桩复合地基设计

3.1 CFG桩复合地基加固原理

CFG桩复合地基由桩、桩间土及褥垫层三部分组成，其加固机理为褥垫层受上部基础荷载作用产生变形后以一定的比例将荷载分摊给桩及桩间土，使二者共同受力。同时土体受到桩的挤密而提高承载力，而桩又由于周围土的侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。

3.2 CFG桩复合地基设计计算过程

粤兴大厦，设计办公楼高12层，地下室1层，地基为长螺旋钻CFG桩复合地基，以4-1中风化灰岩或4-2微风化灰岩作为桩端持力层，要求桩芯混凝土强度为C15，桩径为Φ500mm，桩距1550mm×1550mm。CFG桩施工完毕后，凿除桩顶0.5m浮浆，在基底范围内铺设一层厚30cm的砂石褥垫层。砂石选中粗砂，碎石粒径不应大于10mm，砂石比例为7:3，灌水振实，密实度不小于95%，褥垫层超出基础边缘20cm。CFG桩桩顶入砂石褥垫层50mm。其复合地基承载力特征值fsp・k=289kPa。

①单桩承载力

根据本场地岩土工程勘察资料，可推算，有效桩长通常为11.0~15.0m，但是岩面局部起伏很大，浅处只有12.30m，深处达42.40m。并考虑长螺旋桩的极限桩长一般为25m。故单桩竖向承载力特征值Ra按《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）【2】7.1.5-3估算：

Ra= upqsilpi +αpqpAP

式中：up――桩的周长(取1.57m)；

qsi――桩周第i层土的侧阻力特征值(侧阻力根据勘察资料及压力灌浆后的加固效果检测，将其取一综合值18kPa)；

lpi――桩长范围内第i层土的厚度(这里按桩长计算)；

αp――桩端端阻力发挥系数(本场地取1.0)；

qp――桩端端阻力特征值(若桩端落到岩面，根据岩石抗压试验报告，以及考虑岩石面局部坡度大，桩端会沿岩石面下滑等因素，岩石面端阻力取1000kPa；若未落到岩面的(桩长为25.0m)，根据勘察报告，桩端端阻力特征值取450 kPa)；

AP――桩的截面积(取0.196m2)。

由式中，桩径为500mm，桩长为25.0m，桩端落在土层的单桩竖向承载力特征值Ra500土=794.7 kPa；桩径为500mm，桩长为12.30m，桩端落到岩层面Ra500岩=543.60 kPa。

由以上两个计算结果取最小值Ra500岩=543.60 kPa作为设计的单桩承载力特征值。

②复合地基承载力特征值

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）7.1.5-2式计算：

fspk=λmRa/Ap+β（1-m）fsk

式中：fspk――复合地基承载力特征值（kPa）；

λ――单桩承载力发挥系数(取0.9)；

m――面积置换率(经计算得m=0.094，按等边三角形布桩)；

Ra――单桩竖向承载力特征值（kN）；

Ap――桩的截面积（m2）；

β――桩间土承载力折减系数(取1.0)；

fsk――处理后桩间土承载力特征值（kPa）。

由以上公式计算得出fspk=289kPa。

③ 桩体强度确定

fcu=3Ra/Ap=3×543.60/0.196=8320 kPa≈8 MPa，砼抗压强度达到8 MPa时，即满足桩体砼强度要求。施工时取CFG桩桩体砼强度等级为C15。

④ 地基变形计算

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）【3】规定，最终变形量S按下式计算：

=ψs=ψs

式中：

――地基最终沉降量（mm）；

――按分层总和法计算出的地基沉降量（mm）；

ψs――沉降计算经验系数(取经验值1.0)；

――地基变形计算深度范围内所划分的土层数；

P0――对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力（kPa）。

――基础底面下第i层土的压缩模量（MPa）；

、――基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；

、――基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

（1）地基沉降计算深度

根据岩土工程勘察报告,CFG桩桩深为11.00~25.00m，平均为18.00m，取18.0m以内土体为压缩层计算，划分1个土层；为18.00m，按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）表k.0.1-2取值；=0.1188。

（2）复合地基压缩模量

模量提高系数为：ζ=fspk/fsk=289/60=4.8

Esi=4.0×4.8=19.2MPa

（3）基底处附加应力：P0=P－γ0d=250－18.0×1.50=223.0 kPa

式中：P――设计上部结构荷载值，P为250kPa；

γ0――杂填土容重，取γ0=18.0kN/m3；

d――基础埋深，暂按1.50m取值。

（4）计算沉降量

=223÷19.20×（18×0.1188）=25.00mm

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）表5.3.5沉降计算经验系数结合场地实际地质情况(ψs取1.0)计算最终沉降量：

最终沉降量为：=ψs=1.0×25.00=25.00mm

计算结果满足设计要求。

4 施工

（1）施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验，施工时按配合比配制混合料。

（2）桩机进入现场，根据业主提供的施工测量控制网，在不受施工振动影响和土体变形影响的方位设置轴线控制点，然后按桩位平面图进行桩位放样和地面标高测定，打入桩位标记【4】。在桩位标记处埋设预制桩尖，确认桩尖位置对准桩位中心，严禁移位。进行桩机就位，调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于1%。

（3）长螺旋钻进：在钻至设计深度后，应准确掌握提拔钻杆时间，混合料泵送量应与拔管速度相配合，遇到淤泥质土时，拔管速度应适当放慢。

（4）为保证成桩后达到设计要求桩长，施工桩顶标高高出设计桩顶标高不少于0.5m。

（5）新打桩钻进时长螺旋叶片对已打桩周边土剪切扰动，使土结构强度破坏，桩周土侧向约束力降低，处于流动状态的桩体侧向溢出、桩顶下沉，亦即发生所谓窜孔现象。施工时须对已打桩桩顶标高进行监控，发现已打桩桩顶下沉时，正在施工的桩提钻至窜孔部位停止提钻继续压料，待已打桩混合料上升至桩顶时，在施桩继续泵料提钻至设计标高。为防止窜孔发生，可采用隔桩跳打措施。

（6）长螺旋钻施工中存在钻孔弃土。对弃土和保护土层采用机械、人工联合清运时，应避免机械设备超挖，并应预留至少200mm用人工清除，防止造成桩头断裂和扰动桩间土层。

5 检测

施工结束后桩体强度满足试验荷载条件后，按国家有关规定进行复合地基检测。经复合地基静载试验，所检测桩的总沉降是8.58~18.49mm，沉降小，s―lgt曲线呈平行排列，Q―S曲线平缓，复合地基承载力特征值满足设计要求。

6 结语

岩溶地区易形成土洞、溶洞、软弱下卧层甚至塌陷等危及建筑物稳定的地质情况，同时也给地基处理带来一定的难度。本工程的地基加固处理以CFG桩成功地加固了复杂岩溶地区的地基。通过复合地基的静压结果数据看，本工程所采用的复合地基方案最大限度地发挥了场地的特点，使复合地基的承载力得到大幅度的提高，地基变形得到合理的控制。

CFG桩属于工艺简单效果明显的地基处理加固方法，在处理岩溶地区地基时不管是从技术角度、从经济角度还是环保角度其优势都明显地体现出来，因此CFG桩值得更广泛的推广和进一步拓宽其使用领域、挖掘其使用潜能。

参考文献：

[1]常士骠，张苏民主编.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007,931

[2]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）[S].北京：中国建筑工业出版社，2012，43

[3]《建筑地基基础设计规范》(GB50007―2011) [S].北京：中国建筑工业出版社，2011，28

[4] 姚柏华，李毅.CFG桩与压力灌浆联合处理地基的设计与应用.山西建筑，2008,34（29）