CFG复合地基实际工程设计及褥垫层试验

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概述

水泥粉煤灰碎石桩简称为cfg桩，由水泥、粉煤灰、碎石或砂混合料加水拌合形成高粘结强度桩，并由桩、桩间土和褥垫层一起组合形成复合地基的地基处理形式。本文基于实际工程案例的设计与实验寻求褥垫层厚度对实际地基承载力及沉降量的影响。

中图分类号： TU47文献标识码：A 文章编号：

1.1工程概况

根据设计单位所提供的最新设计资料的部分，拟建住宅楼A，地上18层，地下两层，结构形式为框剪。

1.1.1工程地质条件

（1）地形地物条件

拟建场地自然地形基本平坦，在地貌单元上位于永定河冲洪积扇的中下部，地层岩性为粘性土、粉土、砂土、卵砾石层，地层土质在垂向分布上具有粗细颗粒土多旋回沉积的特征。

（2）地层条件

本文对A8楼的地基进行处理，施工平面图见图2-1。

图1-1 A楼基坑施工平面图

由勘察报告中可得A楼地层条件，见表1-1，1-2。

表1-1 地层条件

表1-2 地层力学性质

1.1.2水文地质条件

勘察院在岩土工程勘察期间对场地地下水进行了观测,在钻探深度内分布有4层地下水。现场实测的各层地下水情况及类型见表1-3。

表1-3 工程场地地下水情况

近3~5年内最高地下水位标高接近地表。根据附近已有资料，地下水对混凝土无腐蚀性，但在干湿交替作用条件下，对混凝土结构中的钢筋均具弱腐蚀性4。

1.2复合地基设计

本次设计的A楼槽底天然土质大部分为③1层，基底土承载力取140kPa。基础埋深9.0m左右，北侧连接车库，综合考虑将基础埋深折算为5.0m。因外形不太规则，因此将面积等效为41m×18m的矩形，来计算沉降，沉降量最大允许值为50mm。基础长41.00m，宽18.00m，要求基底压力平均值=380.0kPa，基底压力最大值=400.0kPa。

1.2.1复合地基设计参数

（1）桩长

CFG桩复合地基要求桩端落在好的地层上，这是CFG桩复合地基设计的一个重要原则。基础埋深为5.00，因此基底位于③1层粉土。由地层条件可知，较硬地层为⑦1层细砂和⑦层圆砾，但由于⑦1层细砂厚度仅0.60，故将桩端设置位于⑦层圆砾中，刺入0.54，则有效桩长为16.00，实际桩长为16.50（超挖0.5）。

（2）桩径

《建筑地基处理技术规范》中提到桩径宜取350-600。本工程采用的成桩设备为CFG25型长螺旋钻机，钻杆直径为400，可打出415的孔，因此取桩径为415。

（3）桩距

从施工角度考虑, 尽量选用较大的桩距, 以防止新打桩对已打桩的不良影响”,“对挤土成桩工艺和不可挤密土宜采用较大的桩距”。此工程采取满堂布桩，取桩间距=1.950≈4.6。

（4）桩体强度

成桩过程中，抽样做混合料试块，每台机械一天应做一组（3块）试块（边长为150的立方体），标准养护，测定其立方体抗压强度。试块抗压强度必须满足下式：

（1-1）

式中： -- 桩体混合料试块（边长150立方体）标准养护28立方体抗压强度平均值（kPa）

桩顶应力 （1-2）

本工程拟采取桩体混凝土强度等级为C25。

（5）褥垫层厚度的确定

《建筑地基处理技术规范》规定：褥垫层厚度宜取150～300。在设计中应根据复合地基的置换率及桩间土的性质进行确定。

当褥垫层厚度大于200mm，虚铺厚度，其中为夯填度，一般取0.87～0.9。本工程中取=0.9，因此虚铺厚度=250/0.9=278mm。桩体嵌入褥垫层50mm。

要合理设置褥垫层,在CFG桩复合地基设计中,承载力折减系数(0.75～0.95)可取高值,这样可减少桩数,达到降低工程造价的目的。本设计取=0.9。

本次工程中，为了检验褥垫层对CFG桩的影响，设置了几个试验点，褥垫层厚度在满足工程需要的前提下，分为200mm、250mm、300mm。分别在各个厚度下安装压力传感器，并且观测刺入量。

1.2.2CFG复合地基承载力的计算

结合软土地区CFG桩复合地基的工程实践，对于CFG刚性桩复合地基承载力特征值常采用如下经验公式估算:

(1-3)

式中:-- 复合地基承载力特征值（）

-- 面积置换率

-- 单桩的截面面积（）

-- 处理后桩间土承载力特征值（），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值

-- 桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值

-- 单桩竖向承载力特征值()。

单桩承载力计算

表1-5 单桩承载力计算

（1-4）

式中： -- 桩的周长（）

-- 桩长范围内所划分的土层数

、--第层土的桩周侧阻力、桩端端阻力特征值（kPa）

-- 第层土的厚度（）

-- 桩的截面积（）

计算过程见表1-5。

按公式（1-4）计算得出单桩承载力

=756.680

（2）确定置换率

复合地基的面积置换率是指桩的截面积与每根桩所承担的处理面积的比值。即：

（1-5）

式中：-- 每根桩所承担的处理面积（按正方形布桩）

计算可得=0.135/3.80=0.036

（3）复合地基承载力特征值

因天然地基承载力较大，取=0.9。处理后桩间土承载力特征值因无经验，故取天然地基承载力特征值200kPa，根据公式（5-3）计算地基承载力特征值。

=0.036×756.680/0.135＋0.9×(1-0.036)×200=374.520

（4）承载力修正及验算

经深度修正后CFG桩复合地基承载力修正值为：

（1-6）

式中： -- 基础底面以上土的加权平均重度

根据表1-2,，计算基础底面以上土的加权平均重度：

（1-7）

式中： --第层土的厚度（m）

按公式（1-7）计算可得=（18.5×3.7+18.0×1.3）/(3.7+1.3)=18.13kN/m3，取=1.000

根据公式（1-6）可计算出修正后的地基承载力特征值：

=374.520＋1.0×18.13×（5－0.5）=456.100kPa

下面对基础底面承载力及下卧土层的承载力进行验算。

1、基础底面承载力验算

地基承载力需要满足以下两式：

（1-8）

（1-9）

因此，基底平均压力=380.0kPa＜=456.100kPa，满足要求；

基底最大压力=400.0kPa＜1.2=547.32kPa，满足要求。

2、下卧层的承载力验算

下卧层承载力需要满足下式：

（1-10）

式中：-- 下卧层顶面处土的自重压力值（kPa）

-- 下卧层顶面处的附加压力值（kPa）

-- 下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值（kPa）

（1）下卧层顶面处自重应力值

（1-11）

式中： -- 深度范围内的土层总数

-- 第层土的厚度

-- 第层土的天然重度，对地下水位以下的土层取浮重度。

浮重度按照进行简化计算。因地下水埋深为5.00m，故③1层本层的下部0.13以及③1层下的所有层均采用浮重度进行计算。各土层的浮重度见表1-7。

表1-6 各土层的浮重度

按公式（1-11）计算可得：

基底（③1层顶面处）的自重应力值

=18.0×3.7+18.5×1.3=90.6kPa

下卧层顶面处的自重应力值：

=90.6+8.5×（0.13+0.5）+9.0×（2.73+6.38）+8.5×5.12+9.0×0.6+10.0×2.54

=252.2 kPa

(2）下卧层顶面处附加应力值

楼盘荷载可看成均布的矩形荷载，可按角点法进行附加应力计算。

（1-12）

（1-13）

式中： -- 均布矩形荷载角点下的竖向附加应力系数

-- 基底处的土中附加应力

按公式（1-13）计算基底处的土中附加应力=380-90.6=289.4kPa

表1-7 附加应力计算

(3)下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值

（1-14）

式中：=1.000

按公式（1-7）计算下卧层顶面以上天然土层的加权平均重度（其中地下水位下的重度取浮重度）：

=（18.0×3.7+18.5×1.3+8.5×（0.13+0.5）+9.0×（2.73+6.38）+8.5×5.12+9.0×0.6+10.0×2.54）/(3.7＋1.43+0.5+2.73+6.38+5.12+0.6+2.54)=10.96

按公式（1-14）计算=400+1.0×10.96×（23-0.5）=646.6kPa

可见，=252.2＋232.7=485.4kPa＜=646.6kPa，满足要求。

（5）桩体强度计算

按公式（5-2）计算桩顶应力为：

=756.68/0.135=5605.04kPa，则桩体强度应满足：3×5605.04=16.82MPa，但标号为C25的混凝土的抗压强度为16.7MPa，不满足要求。因此混凝土标号取C30，其强度标准值为20.1MPa＞16.82MPa，满足设计要求。

（6）沉降量计算

本设计的沉降量计算采取分层总和法规范修正公式来计算地基沉降量。

（a）基底平均压力为380kPa

（b）计算各层压缩模量

地基处理后的变形计算应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007）的有关规定执行。复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的倍，值可按下式确定：

（5-15）

式中：-- 基础底面下天然地基承载力特征值（kPa）

计算可得374.52/200=1.87，由此可得表5-9。

（c）计算（分层厚度与天然地层厚度相同）

。┑笔保虽不为零，但；

）依次计算各个深度范围内的值。对于不能直接查表可以的系数应采用内插法进行计算。比如，对于=2.3，=1.0，查表中有：

=2.0，=1.0，得=0.2340

=2.4，=1.0，得=0.2346

表1-8 各土层天然地基与复合地基压缩模量

当=2.3，=1.0时，内插得=0.2345

全部结果如表1-6。

（d）计算

详见表1-10

表1-9 计算结果

（e）确定

由表1-10得，=18m深度范围内的计算沉降量为180.8mm，相应于=17m至18m（按表5-11规定为向上去1m）土层的计算沉降量=2.54mm≤0.025×180.8mm，满足要求，故确定沉降计算深度为18m。

表1-10 计算厚度值

（f）确定

按下式计算深度范围内压缩模量的当量值：

则==35.4

由表1-11可知，=0.2。

表1-11 沉降计算经验系数

（g）计算地基最终沉降量

=0.2×180.8=36.16mm＜50mm，满足要求。

（h）确定桩数

桩数=197，最终确定桩数n=224，实际面积置换率=0.041

1.3现场试验

对三种不同厚度褥垫层进行试验，褥垫层材料采用了碎石。褥垫层厚度分为200mm，250mm，300mm。保持与数值软件参数相同。

本次试验由于工地施工条件及试验条件限制，只进行了单桩复合地基荷载试验。在垫层与天然土体之间埋设3个压力盒，荷载试验时，对不同的厚度褥垫层的单桩复合地基进行桩间土压力的测量，每加载一级荷载记录压力盒显示数值。试验结束后求出压力盒平均值，并得出桩间土平均应力，根据承压板的压力，计算出桩顶应力。

1.3.1试验结果分析

静载试验地基荷载结果如下：

图1-2 桩顶应力-荷载关系图（注：横坐标为加载荷载，竖坐标为桩顶应力）

从图中可以看出，桩顶应力无论褥垫层的厚度为多少，随着加载的进行都是呈现增长的趋势，但是200mm褥垫层的桩顶应力承受的比250mm、300mm褥垫层都要大，在加载过程中，变化幅度也比较大，桩顶应力从开始加载到后期加载结束变化的范围相对比较大。250mm褥垫层与300mm褥垫层相比变化规律相似，变化幅度也相对200mm来说较小。这说明在加载过程中，由于褥垫层厚度的不同，桩所承受的荷载也是不同的，褥垫层越小桩所承受的荷载就越大。

图1-3 桩间土应力-荷载关系图（注：横坐标为加载荷载，竖坐标为桩间土应力）

从图中可以看出桩间土应力的变化与桩顶应力的变化基本上都是相反，但是总体上来看仍然一直处于增加的状态。随着每级加载的进行，呈线性变化，说明加载过程中，桩间土逐渐承担外部荷载。

图1-4 桩土应力比-荷载关系图（注：横坐标为加载荷载，竖坐标为应力比）

从桩土应力比变化曲线，可以看出，桩土应力比基本上呈现下降趋势，在前期加载过程中，桩承受的荷载与桩间土承受的荷载在应力相比上来说，由于桩顶承受力的面积远远小于桩间土的面积，所以桩顶应力一直比桩间土应力要大，但是随着加载的进行，桩土应力比逐渐减小，基本上从加载中期就开始趋于稳定，说明记载过程中，桩和桩间土承受的应力状态基本上是稳定状态，但是从图中可以看出，随着褥垫层厚度的增加，桩土应力比相应的减小。

1.3.2结论

（1）从本次静载试验中，可以看出，桩长一定时，增加褥垫层的厚度能减小桩顶应力，桩间土应力，并且也能减小桩土应力比，通过调整褥垫层的厚度，可以控制桩土应力比，调整桩土荷载分担比例。为充分发挥桩的承载作用，提出合理的褥垫层厚度应为0.2～0.3m。

（2）褥垫层厚度对桩土应力比具有一定的调节作用，随着褥垫层厚度的增加，桩土应力比基本呈下降趋势。褥垫层厚度为0.2m时，桩土应力比较大，即桩承担的荷载较大，而桩间土承载能力不能充分发挥；褥垫层厚度为0.2～0.3m之间时，桩土应力比下降趋缓，桩土应力比值适中。这说明随着垫层厚度的增大，垫层对桩土应力的调整作用逐步减小。因此，褥垫层的厚度应有一个合理值，以便达到调整桩土应力比的作用，充分发挥复合地基中桩和桩间土的共同承载作用。

（3）在垫层厚度相同的情况下，随着荷载的增大，桩土应力比的变化规律是先减小后又逐步增大。当荷载为250kPa时，桩土应力比较大，因桩顶的褥垫层易被压缩，桩承担的荷载较大；当荷载在400kPa以内时，随着荷载的增加，桩身刺入褥垫层，此时桩间土逐渐开始发挥作用，桩土应力比急剧减小；随后当荷载超过400kPa以后，曲线基本呈递增关系，此时桩土应力比略有增大，桩承担的荷载有所增加。

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