水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)法发展与在工程中的应用

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　　摘要：水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低的特点，目前已成为应用最为普遍的地基处理技术之一。近年来随着其理论和工艺的不断提高，其应用范围愈来愈广，本文介绍CFG桩的发展、特点、适用范围、设计及施工工艺。
　　关键词：水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）；单桩竖向承载力特征值；复合地基承载力；
　　施工工艺
　　
　　一、水泥粉煤灰碎石桩（CFG）桩的发展
　　 我国从20世纪70年代起就开始利用碎石桩加固地基，在砂土、粉土中消除地基液化和提高地基承载力方面取得了令人满意的效果。后来逐渐把碎石桩的应用范围扩大，用到塑性指数较大、挤密效果不明显的粘性土中，以提高地基承载力。然而大量的工程实践表明：这类土采用碎石桩加固，承载力提高幅度不大。其根本原因在于：碎石桩属于散体材料桩，本身没有粘结强度，主要靠周围土的约束来抵抗基础传来的竖向荷载。土体越软，对桩的约束作用越差，桩传递竖向荷载的能力越弱。
　　 CFG桩是针对碎石桩承载特性的上述不足加以改进继而发展起来的。它的机理在于：在碎石桩中掺加适量的石屑、粉煤灰和水泥，加水拌和形成一种粘结强度较高的桩体，使之具有刚性桩的某些性状。一般情况下不仅可以全桩长发挥桩的侧阻作用，当桩端落在好土层时也能很好地发挥端阻作用，从而表现出很强的刚性桩性状，复合地基的承载力得到较大提高。
　　 CFG桩的骨干材料为碎石，系粗骨料；石屑为中等粒径骨料，当桩体强度小于5MPa时，石屑的掺入可使桩体级配良好，对桩体强度起到重要作用。有关实验表明：相同的碎石和水泥掺量条件下，掺入石屑可比不掺入石屑强度增加50%左右；粉煤灰既是细骨料，又有低标号水泥的作用，可使桩体具有明显的后期强度；水泥则为粘结剂，主要起胶结作用。
　　二、水泥粉煤灰碎石桩（CFG）桩的特点
　　 随着CFG桩设计施工技术的成熟和推广，该项成果在工程实践中得到了广泛的应用。
　　具体特点如下：
　　1、具有高粘结强度，属于刚性桩
　　 CFG桩属高粘结强度桩，它与素混凝土桩的区别仅仅在于桩体材料的构成不同，而在受力和变形特性方面没有什么区别。它在桩体材料配合比上比素混凝土桩更追求经济效益。
　　2、经济效益好
　　与桩基础相比，由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰，不配钢筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基础的1/3~1/2。
　　3、社会效益好
　　在有条件的地方应尽量利用工业废料作为掺和料，废料利用，社会效益非常显著。
　　施工工艺简单，施工速度快，工期短。
　　质量容易控制
　　三、水泥粉煤灰碎石桩（CFG）桩的适用范围
　　 水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。 水泥粉煤炭碎石桩应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。同时，CFG桩复合地基属于刚性桩复合地基，具有承载力提高幅度大、地基变形小等优点，可适用于多种基础型式，如条形基础、独立基础、箱形基础和筏板基础等。
　　四、水泥粉煤灰碎石桩（CFG）桩复合地基性状
　　CFG桩、桩间土和褥垫层一起形成了复合地基，属地基范畴。尽管有时CFG桩桩体强度等级与桩基中的桩的强度等级相同，但由于在CFG桩和基础之间设置了褥垫层，在竖向荷载作用下，桩基中的桩、土受力和CFG桩复合地基中的桩、土受力有着明显的不同。
　　1、竖向荷载作用下桩、土受力特性：
　　 对于CFG桩复合地基，当基础承受竖向荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的模量远比土的模量大，故桩比土的变形小；由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入。伴随这一变化过程，垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载作用下桩和桩间土始终参与工作。由于褥垫层的设置，随着时间的变化，桩间土表面的变形不断增加，但桩和土的荷载分担均为一常值，它不随时间的变化而改变。 荷载较小时，土承担的荷载大于桩承担的荷载；随着荷载的增加，桩间土承担的荷载占总荷载的百分比逐渐减小，桩承担的荷载占总荷载的百分比逐渐增大。
　　 CFG桩复合地基中，任一荷载下桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以及基础的沉降均不相同。由于褥垫层的设置，无论桩端落在软土层还是硬土层上，CFG桩复合地基从加载一开始桩就存在一个负摩擦区。 土对桩的负摩擦作用并非有害，它对提高桩间土的承载力、减少复合土层的变形起着有益的作用。 刚性基础下桩间土上的应力分布趋势为，在基础边缘应力较大，在基础中间部分应力较小。
　　复合地基变形特性：
　　 基础总沉降s由三部分组成：其一为桩范围土层的压缩量s1；其二为下卧层的压缩量s2；其三为褥垫层的压缩量s3。不同桩长时，在同一荷载水平下桩、土荷载分担比不同，桩越短，桩间土荷载分担比越高，桩间土受的荷载越大，桩间土的压缩变形越大，桩长范围土的压缩变形也越大；反之，桩越长，土的荷载分担比越小，土的压缩变形越小。当荷载相同时其基础宽度越大，沉降量越大，当其他条件相同时，l/b（l为桩长，b为基础宽度）越大，总的沉降变形越小。当l/b＝6时，下卧层压缩变形量占总压缩变形量的百分比很小。无论是单桩复合地基还是群桩复合地基，在荷载较小时，复合地基桩间土表面的变形都小于天然地基的变形。随着荷载的增加，两者的变形相等，之后则有复合地基的变形大于天然地基的变形。 群桩复合地基静载试验表明，刚性基础下不同位置桩的沉降变形基本相等。
　　3、褥垫层技术；
　　 (1)褥垫层的作用：
　　 1. 保证桩土共同承担荷载
　　 2. 调整桩土荷载分担比
　　 3. 减小基础底面的应力集中
　　 4. 调整桩、土水平荷载的分担
　　 (2)褥垫层的合理厚度：
　　 褥垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，桩间土承载能力不能充分发挥， 必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费；若褥垫层厚度过大，会导致桩土应力比等于或接近1。此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去了意义。 褥垫层厚度取10～30cm为宜
　　五、水泥粉煤灰碎石桩（CFG）桩复合地基设计计算
　　 1、CFG桩可只在基础范围内布置，桩径宜取350～600mm。桩距应根据设计要求的复合地基承载力、土性、施工工艺等确定，宜取3～5倍桩径。桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层厚度宜取150～300mm，当桩径大或桩距大时褥垫层厚度宜取高值。褥垫层材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石等，最大粒径不宜大于30mm。
　　 2、CFG桩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：
　　
　　 式中， fspk为复合地基承载力特征值；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值；Ap为桩的截面积；为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为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。
　　单桩竖向承载力特征值Ra的取值，应符合下列规定：
　　 （1） 当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2；
　　 （2） 当无单桩载荷试验资料时，可按下式估算：
　　
　　 式中，up为桩的周长，n为桩长范围内所划分的土层数，qsi、qp为桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值，可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007有关规定确定，li为第i层土的厚度。
　　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：
　　
　　 式中，fak为基础底面下天然地基承载力特征值。
　　变形计算经验系数根据当地沉降观测资料及经验确定，也可采用下表数值：
　　
　　 六、
　　六、水泥粉煤灰碎石桩（CFG）桩复合地基施工
　　1、 水泥粉煤灰碎石桩的施工，应根据现场条件选用下列施工工艺：
　　（1） 长螺旋钻孔灌注成桩，适用于地下水位以上的粘性土。粉土、素填土、中等密实以上的砂土；
　　（2） 长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，适用于粘性土。粉土、砂土，以及对噪声或泥浆污染要求严格的场地；
　　（3） 振动沉管灌注成桩，适用于粉土、粘性土及素填土地基。
　　
　　2、长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩施工和振动沉管灌注成桩施工除应执行国家现行有关规定外，尚应符合下列要求：
　　
　　(1) 施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验，施工时接配合比配制混合料。长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工的坍落度宜为160～200mm，振动沉管灌注成桩施工的坍落度宜为30～50mm，振动沉管灌注成桩后桩顶浮浆厚度不宜超过200mm；
　　
　　(2) 长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工在钻至设计深度后，应准确掌握提拔钻杆时间，混合料泵送量应与拔管速度相配合，遇到饱和砂土或饱和粉土层，不得停泵待料；沉管灌注成桩施工拔管速度应按匀速控制，拔管速度应控制在1.2～1.5m / min左右，如遇淤泥或淤泥质土，拔管速度应适当放慢；
　　（3） 施工桩顶标高宜高出设计桩顶标高不少于0.5m；
　　（4）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150mm的立方体），标准养护，测定其立方体抗压强度。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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