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CFG桩复合地基在设计过程中的具体应用------周俊寅
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【摘要】CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和垫褥层在外力作用下相互协调,共同工作形成。其中,褥垫层技术是核心关键技术。

【关键词】CFG桩,复合地基,垫褥层,复合地基承载力,复合地基压缩模量

一. CFG桩复合地基的介绍
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它的桩体材料由碎石、粉煤灰、水泥和水按一定比例搅拌而成,其桩体刚度处于碎石桩和混凝土灌注桩之间。CFG桩属于刚性桩,刚度较大,不仅可以发挥桩的侧摩阻,若桩端落在较好的土层,还可以比较好的发挥桩的端阻。

经CFG桩处理过的地基,地基承载力大幅提高,幅度可调性好,复合地基压缩模量大,建筑物沉降量小;且施工桩体的质量和完整性也较好,适用范围广,在我国许多地方都能使用。

二. CFG桩复合地基的组成要素及受力原理。

CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和垫褥层在外力作用下相互协调,共同工作形成。其中,褥垫层技术是核心关键技术。

垫褥层具体受力过程中,基础下若不设褥垫层,基础直接与桩接触,荷载直接传递到桩体上,桩间土的承载力就不能充分发挥,若设置了褥垫层,桩向上刺入,桩承担了小部分基础传来的荷载,引起桩体的压缩变形,其余较大部分的基础荷载由褥垫层压在桩间土上,导致的压缩变形要大于桩体上的变形,二者的沉降变形差ΔS即为桩体向上的刺入量,此时桩顶的减少的荷载ΔP转移到桩间土上,二者沉降差变形协调的过程,也就是桩与桩间土共同受力协调的一个过程,最终桩与桩间土受力达到一个平衡值,从而实现了二者的共同受力。

在设计过程中,褥垫层作用及考虑因素往往被设计人员而忽略,只有了解了桩土共同受力的原理,在设计过程中,应根据桩间土的极限承载力,复合地基承载力,桩土应力比等因素来考虑褥垫层的材料和厚度,来保证桩土变形协调,以充分发挥桩间土的极限承载力。桩体刚度不够时,易压碎桩头,褥垫层厚度在10~30cm时,桩对基底应力明显减小,厚度大于30cm时,就可以把基础视为天然地基情况,此时可不考虑冲切作用。三. CFG桩复合地基在设计过程的具体运用

3.1.工程概况:焦作三维国贸工程位于河南焦作市高新区。其中5号公寓楼为地下1层,地上27层的框剪结构的高层塔楼。建筑总高为78.6米,1至3层为综合商业,4至27层为公寓标准层。

3.2.工程地质概况:

场地区域性构造位置处于太行山隆起与华北断陷平原的交接部位,场地覆盖层厚度大于50米,场地地势相对平坦,总体向东南缓倾, 场地土层如下:第②层粉质粘土:褐色褐黄色,可塑。地耐力特征值为130KPa,压缩模量Es1-2=6.72MPa。第③层粉土:褐黄,中密,干强度低。地耐力特征值为140KPa,压缩模量Es1-2=5.27MPa。第④层粉质粘土:褐色褐黄色,可塑。地耐力特征值为130KPa,压缩模量Es1-2=5.65MPa。第⑤层粉质粘土:黄褐色,可塑,干强度中等。地耐力特征值为150KPa,压缩模量Es1-2=6.82MPa。第⑥层粉土:褐黄色,湿,中密,干强度低。地耐力特征值为160KPa,压缩模量Es1-2=7.26MPa。

第⑦层粉质粘土:褐黄,棕黄色,可塑至硬塑。地耐力特征值为160KPa,压缩模量Es1-2=6.89MPa。

3.3.地基基础设计方案:

5#公寓楼基底平均荷载达440KN/m2,基础采用平板式筏板基础,正负零标高相当于绝对标高97.25米,基础底面标高-6.45米,筏板基础厚1.5米,基底标高为-7.95米,桩顶标高为-8.25米,相当于绝对标高89.00米;
桩基采用CFG桩直径400,正方形布置形式, 桩间距1.20米,设计桩长23米,桩顶标高为89.00米,混凝土强度等级为C25。

3.3.1单桩竖向承载力特征估算值计算:

 

根据业主提供的现场CFG试桩检测报告,报告结论显示:试桩桩顶标高92.5米,桩长25米,桩底标高为67.5米,单桩竖向承载力特征实测平均值Ra=785 KN, 扣除从现场自然面土层标高92.5m(试桩的桩顶标高)到设计桩顶标高89.0m之间3.5米范围内的侧摩阻力,及补充桩底1.5米的侧摩阻。可以推算出,从基底到桩底部分的单桩竖向承载力特征值为

Ra’=821-3.14x0.4x(2.5x25+1x26)+3.14 x0.4x 1.5x27 =725KN
综合理论计算偏大, Ra确定取值为690KN。
同时,根据《建筑地基处理技术规范》式7.1.6-1,桩体试块抗压强度为C25, fcu=25.0MPa,fcu≥ =4x0.9x690/0.1257=19760KPa=19.76MPa 桩身砼强度满足规范要求。

3.3.2面积置换率计算的计算

由《建筑地基处理技术规范》式7.1.5-1
d--桩身平均直径, d=0.40m
de-- 一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径:de=1.13 S1
s1 --桩X向间距、Y向间距, s1= 1.20米
m = d2de2 = 0.4021.362 =8.70
3.3.3复合地基承载力计算
由《建筑地基处理技术规范》式7.1.5-2
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
β--桩间土承载力折减系数, β=0.9
fsk--处理后桩间土承载力特征值(kPa)
fspk=λm Ra/Ap +β(1-m)fak
=0.9x0.087x690/0.1257+0.9x(1-0.087)x140=431+116=547 kPa
经CFG桩处理后的地基,地基承载力特征值一般不作修正, fa=fspk=547 kPa>440 kPa 远满足基底荷载要求。

3.3.4复合地基压缩模量计算
由《建筑地基处理技术规范》第7.1.7知,各复合土层压缩模量为原土层压缩模量的ζ倍,其中ζ= fspk/fak
则各土层压缩模量见下表:

 

 

按《建筑地基处理技术规范》第7.1.8条确定沉降计算经验系数,进行变形计算。桩端以下未处理土层的压缩模量按原压缩模量取值,处理后各土层的压缩模量按《建筑地基处理技术规范》,其结果见3.3.4压缩模量表。

根据《建筑地基基础设计规范》表 K.0.1-2可得到平均附加应力系数, 采用分层计算法, 5#楼计算最终沉降值为29.4mm ,主体自身差异沉降也较小,完全能满足规范设计要求。

3.4 CFG桩复合地基方案的确定与实施

以上从计算分析阐明了CFG桩复合地基处理在本工程运用的可行性,计算结果满足设计所需的地基承载力及变形的相应要求,绘制如下CFG桩位施工图,总桩数456根。基础下的褥垫层采用级配砂石,最大粒径不大于30mm,设计厚度为250mm。褥垫层的施工采用静力压实法,夯实度不大于0.9,以保证基础及桩间土与褥垫层的承接作用为良好。

 四. 结论

通过在焦作项目的实际工程中的应用,水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基技术得到了建设单位及有关技术部门的认可与支持,现场也取得了满意的效果。说明此项技术确实为值得推广运用的一项新技术,具有良好的前景,在我国地基处理技术领域中是一个很大的提升。

 

参考文献:

 [1]《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)

 [2]《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)

[3]《焦作市三维国贸中心工程场地岩土工程勘察报告》(详勘)

(河南省焦作地质勘察设计有限公司(二O一二年七月))

 

 

 

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