CFG桩在变电站地基处理中的应用
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作者: 余荔 焦勇
摘要：介绍了CFG桩的基本原理、计算过程及适用范围；针对变电站本身地基处理的特点，从计算方法、适用性，经济性，施工的难易程度，提出CFG桩适用于变电站地基处理。
关键词：CFG桩；复合地基；变电站；地基处理
随着变电站工程的增多，在开阔平坦的地方选取变电站站址越来越困难。新建变电站工程所遇到的挖方和填土也越来越多，出现了大量不同高度的填土区域。有时为了高于规范要求的洪水位，整个变电站均由填土填筑而成。填方边坡受地形的限制，只能是通过挡墙进行支护，在高挡墙位置，地基承力往往不能满足承载力要求，就须进行地基处理；变电站中的填方区域存在大量的构支架基础，也须进行地基处理。CFG桩已广泛应用于民用建筑的地基处理中，其在变电站工程地基处理中也有优势。
1、CFG桩的适用范围
CFG桩是属于复合地基的一种，复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体（桩体），使桩土共同承担荷载，具有密实法和置换法的效应。根据桩体材料性状，可将复合地基分为：散体材料桩复合地基，如碎石桩、砂桩；一般粘结强度桩复合地基，如石灰桩、搅拌水泥桩；高粘结强度桩复合地基，如CFG桩。复合地基承载力可表示为： ，其中为天然地基承载力特征值，承载力提高幅度。粘结强度桩复合地基承载力提高幅度比散体材料桩复合地基大，所以当地基处理要求承载力提高幅度较大时选用CFG桩,其他还要考虑当地材料来源、设备条件、周围环境等因素。CFG桩适用于处理土的种类有粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土。
2、CFG桩构成的复合地基
用CFG桩处理的复合地基由CFG桩、桩间土、褥垫层、上部建构筑物的基础四部分组成。
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结桩。桩间土是被处理的土层，和CFG桩共同承受上部结构传来的荷载。
褥垫层设置在桩顶和基础之间，材料用中砂、粗砂、级配砂石和碎石，最大粒径不大于30mm；褥垫层厚度取150～300mm。
上部建构筑物的基础需有一定的刚度，基础具有调整复合地基桩土荷载分担的作用，基础刚度不同，则桩土应力比不同，即桩土荷载分担比例不同。基础刚度越小、桩土应力比越小，桩分担的荷载越小。因此，基础刚度小到一定程度时，不能保证桩土共同承担荷载，也不能形成复合地基。
3、褥垫层的作用
保证桩、土共同承担荷载，若基础下面不设置褥垫层，基础直接与桩和桩间土接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩基关不多。在给定荷载作用下，由于褥垫层的作用，桩、土受力时程曲线均为常值。
调整桩、土荷载分担比，当褥垫层厚度 时，桩、土应力比很，在很大时，桩、土应力比接近于1，此时桩的荷载分担比很小，下表给出了不同荷载水平，不同褥垫层厚度桩承受的荷载百分比。
桩承担荷载占总荷载百分比
荷载p(kPa)
垫层厚度 2cm 10cm 30cm 备注
20 65% 27% 14% 桩长2.25m，桩径16cm，荷载板1.05×1.05m
60 72% 32% 26%
100 75% 39% 38%
减小基础底面的应力集中，当褥垫层厚度 时，桩对基础的应力集中很显著，和桩基础一样，需要考虑桩对基础的冲切破坏，当大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。实验表明当褥垫层厚度大于10cm时，桩对基础底面产生的应力集中已显著降低。
调整桩、土水平荷载的分担，随着褥垫层厚度的增加，桩承担的水平力降低，由于CFG桩不配钢筋，能承受的水平剪力较小。
4、CFG桩的计算过程
由CFG桩构成的复合地基计算包括承载力计算和变形计算。目前复合地基承载力计算公式比较多，但比较普遍的有两种，其一是由桩间土承载力和单桩承载力进行合理组合叠加；其二是将复合地基承载力用天然地基承载力扩大一个倍数来表示；规范上选择用前者，公式如下：
。
复合地基变形计算的方法主要有：解析法计算复合地基变形；有限元的数值计算方法；经验法。规范的公式为经验法，将复合地基加固区中增强体和土体视为一个统一的整体，采用复合压缩模量来评价其压缩性，用分层总和法来计算其压缩量，复合模量可按下式求得： 。
5、CFG桩在变电站地基处理中的应用
变电站选址响应国家保护基本农田的政策，尽量利用荒地，因此站址一般处在山地，在南方山区更是如此。为了土方平衡，整个站址部分为挖方区，部分为填方区，处在填方区的建构筑物，就需要地基处理，支护填土的挡墙，因墙底承载力不够也需进行地基处理。现变电站地基处理的方法一般选用常规的桩基础，换流站中大范围内填土区域选用强夯。
CFG桩复合地基从1988年列入建设部“七五”计划课题，到1994年被国家科委列为国家级重点推广项目，后又列入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》，其技术已相当成熟。其在变电站工程中应用较少，在初步设计经常用于比选的地基处理方案。
现有一500kV变电站扩建工程，在原变电站围墙外新扩建一串，扩建场地与站址标高的高差为16.5m，由于受征地的限制，不能采用放坡，只能修建挡墙，挡墙型式选用加筋土挡墙，墙趾应力为420kPa，墙踵应力为165kPa，平均压应力为290kPa，墙底计算宽度为16m。挡墙底的持力层为混碎石粘土，其承载力特征值为235kPa，不能满足挡墙底的承载力要求，需进行地基处理。初步设计的方案有钻孔灌注桩、CFG桩复合地基，从经济上比较，CFG桩复合地基比钻孔灌注桩少40%，并且CFG桩不需配置钢筋，可以缩短工期，加快施工进度，最后选用了CFG桩复合地基，CFG桩的混凝土强度等级为C15。
挡墙下持力层均为混碎石粘土,其极限端阻力标准值为1600kPa , 极限侧阻力标准值为94kPa，施工图阶段复合地基的计算过程如下。
首先确定桩长和桩径，考虑到施工的方便性及施工单位的条件，桩长统一选为8m，桩径为0.5m，桩承载力特征值为： kN
考虑到本工程持力层承载力较高，为充分发挥其承载力，褥垫层厚度为30cm。CFG桩在墙底均按矩形布置，总共布置7排桩，考虑到挡墙底应力分布不均匀，墙趾最大，墙踵最小，因此从墙趾往墙踵依次按1.6×1.6m、1.8×1.8m、1.8×1.9m的间距布置，其置换率m分别为0.076、0.0605、0.0570，按复合地基承载力公式计算，其复合地基承载力分别为420kN、370 kN、360 kN。变形计算地基采用复合压缩模量，按分层总和法算出墙趾处最大位移为7.2cm，能满足规范要求。
本工程已施工，采用长螺旋钻管内泵压CFG桩施工工艺，按规范要求用静载检测桩的承载力，用小应变检测桩的完整性，由于本工程中持力层的碎石含量较大，检测结果比理论计算稍大。从边坡监测的结果来看，与理论计算基本相符。
6、结论
CFG桩由于不配置筋筋，要求的混凝土的强度低，因此其比常规桩基础经济，并且施工速度快，施工简单。在变电站的挡墙底，大范围的填土区域，根据周围环境和施工条件，地基处理时可以选择CFG桩复合地基这一成熟技术。
参考文献
[1] 《CFG桩的基本原理及技术特点》黑龙江交通科技，2004年第8期，韩枫 ，汪猛 ，黄利军；
[2] 《CFG桩复合地基技术及工程实践》（第二版）中国水利水电出版社，闫明理，张东刚；
[3] 《CFG桩复合地基褥垫层的设计与施工》岩土工程界第7 卷第5期，陈桂芳；
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