孔内强夯碎石桩+CFG桩在软土地基处理中的应用研究

时间：2024-12-27

张小莉，伍翔飞，王迎丰，曾华健

（江苏省岩土工程公司，南京 210008）

0 引言

随着建筑业的不断发展，面临的复杂地质条件越来越多，采用传统单一桩型加固已较难满足特定地层条件下的地基处理要求。为此，多桩型加固方法的研究与应用应运而生。多桩型加固方法在保留原单一桩型加固特征的基础上，进一步结合另一种桩型，两种桩型优势互补，对天然地基具有较好的处理效果，可有效解决传统单一桩型在处理特殊地层地基时的缺陷与不足，改善原天然地基的承载性状［1-3］。

目前，增强体地基加固方法包括碎石桩、砂土桩、灰土桩、水泥搅拌桩、CFG桩、预制桩及灌注桩等多种，其中碎石桩与CFG桩分别作为散体材料桩与粘结材料桩中的一种，以其处理效果较好、工程造价较低、环保等优势而被广泛应用。尤其在涉及大型物流仓库、工业厂房及路基等大面积软土地基处理中具有较为明显的优势［4，5］。

当前针对碎石桩、CFG桩等单一桩型工法或碎石桩联合CFG桩等多桩型工法在地基处理中的研究也有较多。涉及多桩型工程应用［6-8］，碎石桩桩土应力比及置换率对承载性能影响［9］，碎石桩联合CFG桩的多桩型复合地基承载力、减沉特性等［10，11］。但对于强夯碎石桩联合CFG桩工法在复杂软土地层条件下的应用研究较少。因此，以昆明某物流仓储地基处理工程为例，利用多种方法进行复合地基设计计算，并结合现场实测结果，探究强夯碎石桩联合CFG桩对复杂软土地基的处治效果，相关结论可供类似工程参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

昆明市某物流仓库场地总占地面积118900m2。项目分两期建设，一期工程包含1#库房、2#库房、设备房、维修房、综合楼及门卫，用地面积63697m2；二期工程包含3#库房、4#库房及门卫，用地面积55203m2。其中场地1#库区采用孔内强夯碎石桩联合CFG桩处理以提高地基承载能力及减小工后沉降。

1.2 地质条件

场地钻孔揭露深度范围内土层自上而下：①素填土，层厚1.5～6.8m，多为新近填土；③黏土，层厚0.7～8.9m，具中压缩性，局部偏高压缩性；③-2有机质黏土，层厚0.8～2.8m，具高压缩性，局部中压缩性；④黏土，层厚0.8～11.8m，以中压缩性为主，局部夹高压缩性；④-1泥炭质土，层厚0.6～7.8m，以中压缩性为主，局部夹高压缩性；⑤黏土，层厚1.0～8.3m，具中压缩性，干强度高，场地局部分布。

2 加固机理

孔内强夯碎石桩联合CFG桩复合地基处理时，通过碎石桩对地表杂填土、软黏土等进行处理，解决采用单一CFG桩处理时地基表层软土承载力不足问题。通过CFG桩打穿下部软弱夹层进入密实土，以解决单一采用碎石桩处理时地基工后沉降较大问题，使得处理后复合地基承载力及沉降变形均能满足设计要求。

3 复合地基设计及计算

3.1 复合地基设计

根据场地各库区地层条件差异性及设计要求，分别采用不同地基处理方法，以场地1#库区为例，该库区采用孔内强夯碎石桩联合CFG桩对地基进行加固，地基处理设计参数及典型剖面如图1所示。

图1 孔内强夯碎石桩+CFG桩地基处理典型剖面（单位：mm）

3.2 设计计算工况

为评价强夯碎石桩联合CFG桩在含软弱夹层软土地基处理中的应用效果，在现有地层条件及施工设计参数基础上设计：①地基不处理；②仅采用强夯碎石桩处理；③仅采用CFG桩处理；④采用强夯碎石桩联合CFG桩处理4种工况，采用规范复合模量法及数值群桩典型单元法分别计算4种工况条件下复合地基承载力及沉降变化，作为对设计计算方法及处理效果的评价标准［12，13］。

3.3 典型单元法

为分析碎石桩与CFG桩复合地基加固效果，并与规范复合模量法进行对比，采用有限差分软件Flac3d进行数值分析，为简化分析模型，建立群桩典型单元模型，模型尺寸水平方向考虑为4倍桩间距，深度方向根据地勘资料结果对各土层进行简化，并考虑桩顶垫层及结构层厚度后取为30.6m，即16×16×30.6m，建立碎石桩联合CFG桩数值分析模型如图2所示。

图2 强夯碎石桩联合CFG桩数值分析模型

模型中碎石桩直径1.4m，桩长6m，按4m×4m正方形布置，CFG桩直径0.4m，桩长22m，在碎石桩间按等间距内插。在单元类型选取上，除CFG桩采用Pile结构单元模拟外，其余均采用实体单元模拟，在本构关系描述上，除结构层、CFG桩采用线弹性模型外，其余均采用M-C模型，计算模型各材料参数见表1。

表1 模型材料参数

模型边界条件为设置四周及底部法向约束，顶部自由，同时为反映桩土相互作用关系，设置桩土接触面参数，参数取值依据文献［14］。模拟顺序为先进行地应力平衡得到初始应力状态，随后依施工顺序分别激活碎石桩单元、CFG桩单元、垫层单元及结构层单元，最后于模型顶面施加竖向附加荷载，并求解至平衡后提取计算结果。

4 复合地基计算分析

4.1 复合地基承载力分析

依据相关参数采用规范方法及数值方法计算复合地基承载力，其中数值法模拟条件与载荷试验一致，即压板面积1m2，载荷由40kPa按每级20kPa逐级加载至200kPa，加载过程中记录每级加载收敛后的沉降值，将模拟结果与实测结果对比如图3所示。

图3 静载Q-S曲线对比

从模拟值与试验检测值的对比结果来看，两者在变化趋势上基本一致，吻合较好，在加载初期，相同荷载作用下，模拟值较试验值大，当加载超过140kPa后，模拟值较试验值偏小，但总体误差均小于10%，表明以所建数值模型分析此复合地基具有较高的可靠性。而从Q-S曲线的变化特征来看，复合地基静载试验Q-S曲线整体呈平缓的光滑曲线，未有明显比例界限及极限荷载。依据规范，按s/b=0.01，可知复合地基承载力特征值约为140kPa，而采用复合模量法计算结果为132kPa。即载荷试验、数值模拟及规范方法计算结果均显示复合地基承载力大于120kPa，与原天然地基承载力特征值80kPa相比，可提高70%左右，表明强夯碎石桩联合CFG桩对该类地基具有较好加固效果。

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4.2 复合地基沉降分析

（1）分层沉降分析。为深入研究强夯碎石桩联合CFG桩复合地基沉降变形特征，探究4种不同处理工况对软土地基的加固效果，采用数值典型单元法开展附加荷载作用下复合地基沉降计算，得到埋深范围内不同处理工况条件下各土层沉降关系如图4所示。

图4 不同工况条件下地基分层沉降随埋深关系

由图4可知，埋深范围内的沉降大致可分为4层，这与模型以4层土体划分相一致，其中地表填土层及第3层下卧泥炭质软土层沉降最大。附加应力作用下，天然地基各土层沉降总体表现最大，经碎石桩对表层填土进行处理后，沉降减小，但仅限于碎石桩处理深度（0～6m）范围内。具体表现为该层总沉降量由23.3mm减小至14.2mm，减小幅度达39%，而处理深度范围以下土层沉降值与天然地基基本一致，可知强夯碎石桩通过置换挤密作用可对地基软土层进行有效加固，提高其压缩模量，减小沉降变形，但受制于处理深度，仅能发挥对表层填土的沉降控制作用。而当采用CFG桩处理后，其处理深度范围内各层土沉降量均有所减小，其中以第二层黏土及第三层泥炭质土降幅最大。与天然地基或碎石桩复合地基相比分别达到28.3%及35.8%，处理效果较好。但该CFG桩对于表层填土层则减沉效果不明显，与天然地基相比，仅减沉2%左右。

当采用强夯碎石桩联合CFG桩加固后，可知附加荷载作用下表层填土及其下卧层沉降量均有较大降幅，减沉效果非常明显。表明通过碎石桩对表层填土加固，有效弥补了仅采用CFG桩加固时地基表层填土承载力不足及减沉效果不明显的弊端，进一步采用CFG桩有效弥补了仅采用碎石桩处理时，下卧软土层地基沉降过大的缺陷。实现强夯碎石桩与CFG桩在含软弱夹层软土地基处理中的优势互补作用。

（2）总沉降分析。为研究4种工况条件下，强夯碎石桩联合CFG桩工法的加固效果，分别采用数值典型单元法和规范复合模量法计算附加荷载作用下复合地基的总沉降规律对比如图5所示。

由图5可知，附加荷载作用下，工况1总沉降量最大。当采用碎石桩加固后，工况2总沉降有所减小，相较于工况1，降幅在10%～15%。当采用CFG桩加固后，沉降降幅有所增加，相较于工况1，降幅在37%左右，相较于工况2降幅为24%～32%。当采用强夯碎石桩联合CFG桩处理后，沉降降幅进一步增加，相较于工况1，降幅在58%左右，相较于工况2降幅50%～58%，相较于工况3，减小约36%。综上可知，对于含软弱夹层软土地基，采用CFG桩可有效发挥减沉作用。此外，从图中还可以看出，采用数值典型单元法计算结果总体较复合模量法偏小，但两者误差在10%以下。故在进行复合地基设计时，可采用两种方法进行设计计算，但相较于数值典型单元法，规范复合模量法更偏安全。

图5 不同工况条件下地坪总沉降对比

（3）差异沉降分析。为研究强夯碎石桩联合CFG桩工法对地坪差异沉降的处治效果。进一步扩展前述典型单元模型范围，并考虑库外天然地基影响，同时考虑对称性建立1/4复合地基数值模型，设计库内地坪堆载30kPa，分别计算附加荷载作用下4种处理工况条件下的地坪沉降分布，绘制地坪沉降等值线如图6所示。

由图6可知，附加荷载作用下，地坪沉降总体表现为中间大，四周小的扩散型分布，这与附加应力的扩散叠加效应相一致。当地基未经任何加固处理时，最大沉降值位于地坪中部，达130mm左右，其中最大差异沉降约96mm；当仅采用强夯碎石桩加固后，地坪最大沉降减小至120mm左右，最大差异沉降降至80mm左右；当仅采用CFG桩加固后，地坪最大沉降值进一步减小至80mm左右，最大差异沉降减小至20mm左右，而当采用强夯碎石桩联合CFG桩加固处理后，地坪最大沉降相比仅采用CFG桩加固时进一步减小至约70mm，而最大差异沉降则减小约40mm。

图6 不同工况条件下地坪结构层沉降分布

依据规范对框架结构地基变形允许值的规定，对于高压缩性土，相邻柱基沉降差应不超过下式规定：

式中，l为相邻计算点的中心距离。

由此可知，对于含软弱下卧层软土地基，当地基未处理或仅采用强夯碎石桩处理时，附加荷载作用下总体沉降均较大，且差异沉降亦不能满足地坪结构层平整度要求。进一步采用CFG疏桩加固后，可有效减小地坪总沉降及差异沉降，使地坪差异变形满足规范要求。

4.3 桩土应力比分析

桩土应力比对复合地基能否有效发挥其承载力具有重要影响，若桩土应力比过大易导致桩身内力过大而破坏，桩土应力比过小则不利于桩身正常发挥其承载力，且由于桩间土受荷过大而产生较大沉降，故桩土应力比应保持在一个合理范围内较为适宜［15］。

为探究不同地基处理方法下复合地基桩土应力及桩土应力比随荷载加载过程中的变化情况，利用Flac3d内置fish语言遍历提取模型垫层与桩顶交界面处加固桩及桩间土应力，并求取平均值，绘制桩及桩间土应力随荷载变化关系如图7所示。

图7 加固桩及桩间土应力随荷载变化关系

由图7可知，加固桩及桩间土均随附加荷载的增加呈线性递增关系，相较于碎石桩及桩间土，CFG桩应力随荷载增加递增速率最快，原因在于CFG桩体模量较大，其所承担的外荷载权重也较大，而碎石桩及桩间土最小。CFG桩应力随荷载变化关系中，工况4较工况3变化速率快，即增加碎石桩后，随附加荷载的增加，CFG桩将承担更大的外荷载作用，同时由于碎石桩的置换挤密作用，将分担一部分应力以减小填土层的受力变形。进一步得出各工况条件下桩土应力比随荷载变化关系如图8所示。

图8 桩土应力比随荷载变化关系

由图8可知，CFG桩土应力比随附加荷载增加而减小，其中工况4（GK4）幅值整体大于工况3（GK3），且两者均在荷载20kPa之前降幅最大，之后降幅逐渐减小。碎石桩土应力比则随附加荷载的增加呈先增大后减小的变化趋势，其中工况4（GK4）桩土应力比在荷载50kPa之前递增趋势较工况2（GK2）更明显，随后逐渐减小。而工况2（GK2）碎石桩土应力比在荷载40kPa之前递增趋势不明显，但之后呈明显递减趋势。上述结果表明相较于单一桩型，强夯碎石桩联合CFG桩的多桩型地基处理工法可充分发挥两种桩型的优势，提高碎石桩及CFG桩的应力承载比，减小桩间土沉降。

5 地基处理效果分析

5.1 复合地基检测分析

对场地强夯碎石桩联合CFG桩复合地基进行现场平板载荷试验，根据规范要求，随机选取5处进行静载试验，试验压板面积为1m2，载荷由40kPa按每级20kPa逐级加载至200kPa，随后卸载至0kPa，检测过程中，实时记录各级荷载下的压板沉降量，统计各点数据后示于图9所示。

由图9可知，平板载荷试验沉降曲线平稳，表明未出现地层剪切破坏或桩的大尺寸滑动。根据相关规范要求，对碎石桩等散体材料桩，当地基以黏性土、粉土为主时，可取S/D=0.01时对应的荷载为复合地基承载力特征值，且其值应小于等于最大加载值的一半。试验取D值为1m，则总沉降S为10mm。从图9中可以看出，复合地基承载力特征值均大于120kPa，沉降变形亦较小，复合地基承载力满足设计要求。

图9 平板静载试验Q-S曲线

5.2 复合地基沉降监测分析

（1）实测结果分析。在项目场地Ⅳ区（1#库）经强夯碎石桩联合CFG桩处理完成且垫层施工完毕后开始沉降监测，结果如图10所示。

图10 库区地坪沉降曲线

由图10可知，地基处理施工完成近4年，一期工程已投入使用3年，监测数据显示，地坪沉降量较小，平均下沉9mm。其中主体结构施工期间，地坪沉降量在7～9mm，投入使用两年期间，地坪沉降量在6～8mm，随后沉降趋势进一步减小。投入使用至今，库区观测结果显示地坪与基础差异沉降较小，一期工程地坪、柱角等均未出现明显裂缝。可知强夯碎石桩联合CFG桩对该类型软土地基具有较好的加固效果。

（2）实测与计算结果对比分析。结合前述分析结果，将规范复合模量法、数值典型单元法及现场监测库区地坪总沉降进行对比如图11所示。

图11 沉降结果对比分析

由图11可知，库区地坪沉降量现场监测结果在15mm左右，小于数值模拟与规范理论计算结果，其中规范复合模量法及数值典型单元法计算结果偏大，原因在于场地施工期间，地基已产生一部分固结沉降，而现场监测结果为工后运营期地坪沉降，同时地勘土层参数取值亦尚偏保守，通过实际监测结果可知强夯碎石桩联合CFG桩工法在软土地基中具有良好的处理效果，能满足地基处理设计要求。