水泥粉煤灰碎石桩（简称CFG桩）复合地基是近几年发展起来的一种地基处理工艺，它是散体碎石桩的延伸、扩展，即在碎石桩基础上按一定配合比，加进适量的石屑、粉煤灰和少量水泥，加水拌和制成的一种具有一定粘结强度的桩；它解决了散体碎石桩承载力主要依靠桩顶以下有限长度范围内桩周土侧向约束力的缺陷，承载力有了较大幅度的提高。而夯扩桩是一种采用锤击方式将桩端现浇混凝土夯扩成大头形的灌注桩，具有技术可靠、工艺科学、无泥浆污染和工程造价低等优点。

 

　　2工程概况及场地工程地质条件

 

　　中国工商银行某分行拟在其生活区大院内新建14#、17#、18#住宅楼，楼高七层，基础采用条形基础，设计要求复合地基承载力不小于180kpa。大院内已建好的13#楼采用人工挖孔桩基础，为利于比较，本文重点叙述13#楼旁的14#楼CFG桩地基处理应用情况。

 

　　根据岩土工程勘察报告，拟建场地原为旧河床或河漫滩，现已回填平整，场地内自上而下土层分布为填土、粉质粘土、圆砾、灰岩，属于岩溶区，灰岩浅部岩石破碎、溶蚀裂隙、溶洞较发育，场地的岩土工程条件给地基处理设计、施工带来一定的困难。

 

　　各土层的物理力学参数表表1

 

　　土层编号 土层名称 平均厚度

 

　　（m） fak

 

　　（kPa） Es

 

　　（kPa） qs

 

　　（kPa） 土层描述

 

　　① 填土 5.7 — — — 呈黄色，褐黄色，稍湿，松散，以粘土及粉土为主，夹有10~20%的灰岩块石煤砂、建筑垃圾等。

 

　　② 粉质粘土 2.5 140 5.70 18 褐灰色，灰色，饱和，可塑状，粘性较强，干强度中等、韧性中等，无摇震反应，分布较均匀，属中等压缩性土。

 

　　③ 圆砾 3.9 130 7.80 21 呈灰色、褐黄色，饱和；松散，局部稍密，成份为硅质岩、灰岩，动探击数一般为3~5击，最低2击。

 

　　④ 灰岩 — 4000 — — 深灰色，隐晶质结构，块状构造，质硬，基岩面起伏较大，破碎，溶蚀裂隙、溶洞发育。

 

　　3方案选择

 

　　本工程为职工全额集资建房，建设单位要求在方案安全可靠的前提下，尽可能的做到低造价，短工期，以便在基础施工时避开春天雨季。根据勘察结果及当地已有的施工手段，可选用砂垫层换土法、深层水泥搅拌桩、CFG桩、人工挖孔桩等基础方案；但是人工挖孔桩、砂垫层换土法等造价较高或工期较长，而深层水泥搅拌桩由于填土层为杂填土，且厚度较大，施工难度大，造价也偏高（桩长较长），三种方案既不适合建设单位提出的要求，也存在技术及经济上的不合理性。

 

　　为了达到既满足设计要求，又经济可行的目的，比较适合的方案是CFG桩；就CFG桩本身而言，单桩允许承载力较高，造价较低，施工速度也快，可满足建设单位提出的要求；但是，由于拟建场地上覆土层较差，且无明显的桩端持力层，而岩溶区基岩面起伏较大，如果以灰岩④作桩端持力层，存在桩端失稳、承载力反而降低的现象，且由于桩长过长，造价还会偏高。为此，我们考虑了一种新的地基处理形式——夯扩桩施工技术与CFG桩综合处理工艺来解决上述问题；以圆砾③作桩端持力层，在持力层上夯扩形成扩大头，它具有以下明显的特点：a、与单纯的CFG桩相比，桩数少，与前述所有方案相比较为经济，且可缩短工期；b、单桩允许承载力较高，质量容易保证，沉降量小；c、减小桩土置换率m，缩短桩长，降低造价。

 

　　4地基处理设计计算

 

　　由于填土较厚，而粉质粘土②又较薄，为此，取③层圆砾作持力层，且要求进入③不少于1.0m，设CFG桩桩体强度不小于C7.5，桩直径d=400mm，扩大头直径D=600mm，qp取值550kPa。

 

　　4.1单桩承载力计算：

 

　　Ra≤fcuAp/3①

 

　　Ra=upΣqsili+qpAp②

 

　　Ra——单桩竖向承载力特征值(kPa)；

 

　　fcu——桩体混合料试块(边长150mm立方体)标准养护28d立方体抗压强度平均值(kPa)；

 

　　Ap——桩的截面积(m2)；

 

　　qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa)；

 

　　li——桩周第i层土的厚度(m)；

 

　　qp——桩端端阻力特征值(kPa)；

 

　　A——扩大头面积(m2)。

 

　　单桩承载力计算结果如下：

 

　　Ral≤1/3×7.5×103×0.22×π=314kN；

 

　　Ra2=0.4π×18×2.5+0.4π×21×1.0+0.32×π×550=238.33kN；

 

　　综合考虑各种因素，取Ra=230kN。

 

　　4.2复合地基参数计算：

 

　　fspk=m·Ra/Ap+·（1－m）·fsk

 

　　fspk——复合地基承载力特征值；

 

　　m——面积置换率；

 

　　——桩间土承载力折减系数；

 

　　fsk——处理后桩间土承载力特征值。

 

　　由上式计算得：m=9.83%。

 

　　根据面积置换率m及建筑物上部结构设计基础面积，14#楼布桩277根，布桩形式为梅花形和长方形布置两种。

 

　　4.3复合地基沉降计算：

 

　　复合地基总沉降量S由加固区沉降量S1和下卧层沉降量S2组成，即S=S1+S2，其中复合压缩模量按Ecsi=［1+m（n－1）］×Esi，n为桩土应力比，取30，则每层土复合压缩模量为：

 

　　①层杂填土：Ecs1=［1+0.0983×（30－1）］×3.0=11.55MPa；

 

　　②层粉质粘土：Ecs2=［1+0.0983×（30－1）］×5.7=21.95MPa；

 

　　③层圆砾：Ecs3=［1+0.0983×（30－1）］×7.8=30.03MPa；

 

　　下卧层为圆砾③层：Es3=7.80MPa。

 

　　按分层总和法计算式得S=28.096mm，满足规范要求。

 

　　4.4施工参数计算

 

　　主要是夯扩施工参数及贯入度的确定，设施工时采用一次夯扩工艺，φ377外管，φ273内管，总管长12.0m，管厚12mm，落锤反弹高度1.0m，锤重3.0t，锤座1.8t。

 

　　4.4.1夯扩施工参数计算

 

　　D1=a1·d0·［（H1＋h1－C1）/h1］1/2

 

　　D1——扩大头计算直径；

 

　　a1——扩大头直径修正系数，取0.92；

 

　　d0——外管内径；

 

　　H1——一次夯扩时外管中浇注砼高度，一般为2.5~4.0m；

 

　　h1——一次夯扩时外管上拔高度，一般为0.25~0.4H1；

 

　　C1——一次夯扩时外管下沉底端至设计桩底标高之间的距离，一般取0.2。

 

　　按以往经验及上式计算得：H1=2.5mh1=0.95mC1=0.2m。

 

　　4.4.2贯入度计算

 

　　下面是夯扩桩单桩允许承载力与每击贯入度关系的经验计算式：

 

　　C=gHQl/SE

 

　　Δl=（（e＇2＋4·c）1/2－e＇）/2

 

　　e=e＇＋Δl=（（e＇2＋4·c）1/2＋e＇）/2

 

　　F=gHQ/e

 

　　Δt=2（2·e）1/2/（G·h）1/2

 

　　A=2·q2

 

　　B=3·q·F－2q2·Δl/Δt2

 

　　当B≥2F·A1/2时，有：

 

　　Ra=α·q·（B/2A－（1/4·（B/A）2－F2/A）1/2）

 

　　当B＜2F·A1/2时，有：

 

　　A、B、C——系数；

 

　　g——重力加速度，9.8kg/s2；

 

　　H——高度，m；

 

　　Q——质量，kg；

 

　　l——长度，m；

 

　　S——截面积，m2；

 

　　e＇——贯入量，m；

 

　　Δl——弹性变形量，m；

 

　　F——平均作用力，N；

 

　　Δt——有效时间，秒；

 

　　e——总位移，m；

 

　　q——总重，kg；

 

　　E——弹性模量；

 

　　α——扩大头修正系数。

 

　　按上式计算得：e＇=3cm，则每阵十击的贯入度为30cm。

 

　　5施工及质量检测

 

　　现场采用1台3.0t柴油锤夯扩桩机进行施工，因工期较紧且桩间距都大于3倍桩径，采用连续施工方案，施工工期仅用15天。对施工过程中的终孔条件严格控制：以标高为辅，贯入度控制为主。但有局部区域的桩在沉管时贯入度无法满足设计要求，按地质资料分析，可能是溶沟、溶槽所形成，现场施工时采用加大投料高度H或改为二次夯扩办法解决，最终要求夯扩时的沉管贯入度仍满足设计要求。

 

　　施工结束后，分别进行了3个单桩复合地基及3个单桩承载力静载荷试验，最大沉降量为10.34mm，最小沉降量为4.70mm，回弹较好，残余沉降值较小，完全满足设计要求。目前建筑物已使用10年，使用质量良好；可见，夯扩桩施工技术与CFG桩复合地基处理工艺在本工程中的应用是成功的。

 

　　6结语

 

　　夯扩桩技术与CFG桩复合理论在本工程的综合应用，给业主大大节约了造价，缩短了工期；从经济方面分析，14#楼建筑面积约为2700m2，CFG桩地基处理总造价17.3万元，工期15天，而原13#楼总建筑面积约4000m2，采用人工挖孔桩方案，总造价为120万元，工期180天。可见，夯扩——CFG组合桩型的复合地基处理方案从经济上、社会效益上是很明显的。

 

　　主要参考文献

 

　　[1]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）中国建筑工业出版社2012年；

 

　　[2]《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中国建筑工业出版社2011年；

 

　　[3]《岩土工程手册》中国建筑工业出版社1994年；

 

　　[4]《地基处理与托换技术》（第二版）中国建筑工业出版社1994年；

 

　　[5]《武汉市夯扩桩设计施工技术规定》中国建筑工业出版社1997年；

 

　　[6]《CFG桩复合地基技术及工程实践》中国水利水电出版社2001年。