CFG桩复合地基承载力及施工检测
闫明礼1,申计春2,刘伟3，闫雪峰4
中国建筑科学研究院地基所,北京,100013；2.邢台钢铁公司，邢台，054027；3.北京科技大学基建处，北京，100083；4.冶金部建筑研究总院地基所,北京,100088)
提要
本文讨论了CFG桩复合地基承载力确定，以及复合地基检测应注意的几个问题。
关键词：CFG桩复合地基，承载力，施工检测，褥垫厚度
Abstract:Inthispaper,bearingcapacityofCFGpilecompositefoundationanditstestingafterconstructionarediscussed.
Keywords:compositefoundationofCFGpile;bearingcapacity;constructiontesting;thicknessofflexiblecusion
中图分类号：TU4文献标识码：A
作者简介：闫明礼（1942－），男，汉族，河北乐亭人，研究员，博士生导师，硕士学位。
一、引言
CFG桩复合地基技术已在全国广泛推广应用，国家行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)的颁布，为工程技术人员进行CFG桩复合地基设计、施工及检测提供了技术依据。但在复合地基承载力的确定及复合地基检测方面，在不同地区基于某些地区性经验，存在一些差异。本文将根据自己一些粗浅体会就上述问题做一些讨论。
二、复合地基承载力的确定
根据《建筑地基基础设计规范》(GBJ79-2002)(简称地基规范)和《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)(简称地基处理规范)，复合地基承载力确定可分为设计阶段和竣工验收阶段进行讨论。
1、设计阶段
在复合地基设计阶段，地基规范规定：复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，或采用增强体的载荷试验结果和其周边土的承载力特征值结合经验确定；地基处理规范规定：复合地基承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定。初步设计时，也可按下式估算：
fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk(1)
式中：fspk—复合地基承载力特征值(kpa)；
m—面积置换率；
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，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；
fsk—桩间土承载力特征值(kPa)，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。
实际工程中，有条件时先在拟建场地做现场载荷试验，可为设计提供可靠的设计参数。而很多情况是在无试验资料条件下按(1)式估算复合地基承载力，但要结合工程实践经验，合理确定Ra、fsk、β等参数的取值。希望公式计算值接近但不大于载荷试验结果，而大量试验结果表明，公式计算结果一般不大于载荷试验结果。
2、竣工验收阶段
由以上讨论可知，在复合地基设计阶段，确定复合地基设计参数时，用公式(1)估算复合地基承载力是符合规范要求的。在竣工验收阶段，能否只做单桩静载试验.用单桩承载力Ra和地质报告提供的天然地基承载力fak(或桩间土静载试验结果fsk)按公式(1)计算确定复合地基承载力特征值,是需要说明的一个重要问题。
首先，加固后桩间土承载力特征值fsk与然地基承载力特征值fak是不同的，通常fsk＝(fak。(为桩间土承载力提高系数，对挤密效果好的土采用振动挤土成桩工艺，由于土密度的增加和桩对土的侧向约束作用，fsk远大于fak，用单桩承载力Ra和天然地基承载力fak确定复合地基承载力与实测值相比会有较大误差。即使用单桩静载试验的Ra和桩间土静载试验结果fsk按公式(1)计算复合地基承载力，β的取值可能会因人而异，对于同一复合地基，得出不同的计算结果，这样就不能保证复合地基承载力的准确性和唯一性。因此，地基处理规范用强制性条文规定复合地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验确定。
三、CFG桩复合地基载荷试验应注意的问题
CFG桩复合地基载荷试验要点详见地基处理规范，此外试验时还应注意如下几个问题：1、褥垫铺设及荷载板安装
首先根据设计要求挖一试坑，坑的平面尺寸与荷载板相同，深度和褥垫厚度相同，如图1所示。按设计要求的夯填度铺设褥垫层，厚度为150mm。保证原状土对褥垫层的侧向约束。之后安装荷载板并使荷载板与褥垫层密切接触。
图1载荷试验褥垫层铺设及荷载板安装示意图
2、褥垫厚度
根据地基处理规范，静载试验褥垫厚度应取150mm。研究表明，褥垫厚度与桩、土荷载分担密切相关，褥垫越厚，土承担的荷载越多，桩承担的荷载越少，反之亦然。当褥垫太薄，会导致桩顶应力集中，桩间土承载能力不能充分发挥，应该由桩间土承担的荷载转移至桩上，容易发生桩头压碎或桩过早首先达到单桩极限承载力，复合地基承载力偏低。
曾经见过这样的报道，某工程为使复合地基竣工验收承载力得以通过，静载试验时人为选用很小的褥垫厚度，目的是减少给定压力下复合地基P—S曲线的变形。这样做首先是不规范，同时也不一定获得较高的承载力。如图2所示。
曲线a为褥垫厚度150mm时试验结果，曲线b为褥垫厚度20mm试验结果。对正常设计的复合地基(桩体强度等级和单桩承载力不是过分保守)，S/B=0.01对应的荷载在曲线a和曲线b分别为Pa和Pb,显然Pb大于Pa。但由于曲线b褥垫太薄，桩间土承载能力不能充分发挥，和曲线a相比，由于桩过早达到单桩极限承载力，则有曲线b对应的承载力由极限荷载的一半Pc（Pc=）来控制，Pc(Pa。
3.由载荷试验曲线确定复合地基承载力
地基处理规范规定：
(1)当P—S曲线极限荷载能确定，其值不小于对应比例极限的2倍，可取比例极限作为承载力特征值；其值小于对应比例极限的2倍时，可取极限荷载的一半为承载力特征值。
(2)当P—S曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定承载力特征值，且该值不应大于最大加载压力的一半。对于CFG桩复合地基，当以卵石、圆砾、密实粗中砂为主的地基，可取s/b（或s/d）等于0.008所对应的压力；当以粘性土、粉土为主的地基，可取s/b（或s/d）等于0.01所对应的压力为复合地基承载力特征值。按相对变形确定复合地基承载力特征值不大于最大加载压力的一半。实际工程中由平缓光滑的P—S曲线确定复合地基承载力容易发生如下错误：
①只注意s/b（或s/d）等于0.01所对应的压力，而忽视了不应大于最大加载压力的一半的限制。如图3所示，P1为s/b＝0.01所对应的压力，P2为最大加载压力，P3为最大加载压力的一半。对图3(a)，取P1为复合地基承载力特征值是不妥的，应取P3。
②只注意最大加载压力的一半，而忽视了s/b（或s/d）等于0.01所对应压力的限制。如图3(b)所示,取P3为复合地基承载力特征值是不妥的，应取P1。
4.试验前后对桩做低应变检测
由于设计或施工的某种失误，有时CFG桩复合地基承载力可能达不到设计要求，为弄清承载力偏低的原因，做复合地基静载试验前后，对桩做低应变检测了解桩身有无缺陷是至关重要的。
当试验前和试验后低应变检测判定桩身完整，而承载力偏低时，首先复核设计是否有误。当排除设计原因后，对长螺旋钻成孔管内泵送混凝土成桩工艺(采用常规侧开门钻头)，且桩端土为饱和砂土、粉土或卵石，是桩端虚土过多桩无端阻所致的可能性最大。为了防止上述问题发生，需选用本文作者发明的专利钻头(专利号ZL00263200.4)。
试验前做低应变检测判定桩身完整，试验后做低应变检测发现桩头或桩身破坏，说明桩体强度不够导致承载力偏低。
当低应变检测判定桩身有缺陷(缩颈、断桩、离淅等)，静载试验结果还能满足设计要求，说明这类桩身缺陷不影响复合地基竖向承载能力的使用；若静载试验结果不能满足设计要求，再结合不低于总桩数10％低应变检测结果，可为工程技术人员提供如何使用这类缺陷桩和采取怎样的补强措施提供依据。
需要说明的是，如果静载试验前没做低应变检测，当发现承载力有问题，需要了解试验桩是否有缺陷时，由于静载试验在荷载作用下可能使桩的初始状态已经发生了改变，桩是否存在固有缺陷已无法判断，对分析事故原因带来很大困难。
此外，当静载试验时发现承载力有问题，试验结束后应立即进行桩身检验，探查桩头是否被压坏或低应变检测判定桩身某个部位被压坏。
5.防止桩间土被扰动和含水量发生大的变化
某工程复合地基承载力检测值比予估值大很多，经做桩间土静载试验发现承载力特征值为400kpa(地质报告提供的承载力特征值为200kpa)，其原因是复合地基凉槽达60余天，桩间土含水量大幅度降低。另一工程则是在雨季施工，清土后未抓紧检测，雨后泡槽致使桩间土承载力从140kpa降低到60～80kpa。显然上述两种情况均无法得到可靠的复合地基承载力值。
6.静载试验加载量的控制
地基处理规范规定，复合地基静载试验最大加载压力不应小于设计要求压力值的2倍。同时也规定，试验点数量不应少于3点，当满足其极差不超过平均值的30％时，可取平均值为复合地基承载力特征值。但许多检测人员多按等于设计要求压力值的2倍设计最大加载量，比如，设计要求复合地基承载力特征值为300kpa,则设计最大加载量定为600kpa。假如该工程为3台静载试验，其中1台试验极限荷载为590kpa，其余为600kpa，且P—S曲线是平缓的光滑曲线，承载力由最大加载量的一半控制，复合地基承载力特征值为298kpa，不满足设计要求；若最大加载量定为610kpa,尽管其中1台试验极限荷载为590kpa，其余两台为610kpa，极差不超过平均值的30％，复合地基承载力特征值为301kpa，满足设计要求。因此，试验方案设计，最大加载量不一定刚好等于复合地基承载力特征值的2倍，应根据桩身强度等级大小，适当加大。
7.试验点选择
复合地基静载试验的试验点在平面上应均匀分布，当土性分布不均匀时，试验点选择应考虑土性对复合地基承载力的影响。
低应变检测试验点选择除了注意在平面上应均匀分布外，还要注意随机选点，以保证缺陷桩统计比例的真实性。比如，某工程因机械清土不当，造成桩浅部水平断裂，随机选取143根桩进行低应变检测，发现25根桩有水平断裂缺陷，缺陷桩为检测桩的17％，又增加143根桩进行低应变检测，缺陷桩为检测桩的16.8％，目前，北京地区多用抽取桩号尾号数字来确定，比如，抽取总桩数的10％进行低应变检测，选尾号数字3，则3、13、23、33、43……即为所选被检测桩。
四、结语
1.设计阶段，CFG桩复合地基承载力应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时可按公式(1)估算复合地基承载力特征值。复合地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验确定。
2.复合地基静载试验前，首先做桩的低应变检测，静载试验后再做低应变检测和桩顶部开挖探查，对分析判断复合地基施工发生的问题具有重要意义。
3.褥垫厚度及荷载板安装，褥垫材料是否具有侧限、密实度大小及荷载板与褥垫层是否密切接触，对试验结果都有影响。
4.对于p-s曲线为平缓光滑的缓变型曲线，注意按不大于最大加载压力的一半和相对变形值两个控制条件，来确定复合地基承载力特征值。
5.复合地基静载试验最大加载量，不一定刚好等于复合地基承载力特征值的2倍，可根据桩身强度等级大小，适当加大。
参考文献
[1]建筑地基基础设计规范(GB5007-2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002
[2]建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002
[3]建筑桩基技术规程(JGJ94-94)北京：中国建筑工业出版社，1995
[4]阎明礼、张东刚．CFG桩复合地基技术及工程实践．北京：中国水利水电出版社，2001
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