CFG桩复合地基在减小地基变形方面的应用

孙国梁 黑 海

1 CFG桩的概述

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，英文全名为Cement Fly-ash Gravel pile，缩写为CFG桩。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，与桩间土、褥垫层一起构成复合地基。与普通桩基相比，由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基的1/3～1/2。

CFG桩的施工工艺主要有三种:1)长螺旋钻孔灌注成桩，适用于地下水位以上的黏性土、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，适用于黏性土、粉土、素填土、中等密实以上的砂土;3)振动沉管灌注成桩，适用于粉土、黏性土及素填土地基。

综上所述，CFG桩具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低廉等优点。

2 工程实例

2.1 工程概况

沈阳市远大博林特电梯有限公司C2电梯实验塔，位于沈阳市铁西区，平面形状为三角形(去角)，边长约为20 m。地下3层，地上39层，塔顶标高176.550 m。

本工程采用钢筋混凝土结构，抗震设防烈度为7度，场地土类别为Ⅱ类，地下水为孔隙潜水，稳定水位埋深为3.5 m～4.6 m，水位标高为25.66 m～27.11 m，抗浮设计水位标高为29.00 m。

2.2 地基方案比选

根据《建筑地基基础设计规范》5.1.3条，在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15;桩箱或桩筏基础的埋置深度(不计桩长)不宜小于建筑物高度的1/18～1/20。经计算，基础的埋置深度应大于176.550×1/15=11.8 m，±0.000标高为31.700 m，室外地坪标高-0.450 m，场地土标高31.100 m，相对标高-0.600 m。确定基础持力层为粗砂⑤，筏板底标高为-14.050 m。基础埋深为13.450 m＞11.8 m，满足要求。粗砂⑤的平均厚度为9.5 m，粉土⑥的平均厚度为8.25 m。经过深度和宽度修正计算，粗砂⑤修正后的地基承载力特征值fa=1 211 kPa，粉土⑥修正后的地基承载力特征值 fa=752 kPa。基础采用筏板，厚3 m，长边挑出 5 m，经验算地基承载力满足要求，下卧层承载力满足要求。但地基变形不满足要求，平均沉降量约为212 mm。根据《建筑地基基础设计规范》5.3.4条规定体型简单的高层建筑基础的平均沉降量(mm)允许值为200 mm。因此基础的问题是变形不满足要求而不是承载力。解决方法有两个，一个是做桩基础，另一个是地基处理。

考虑到做桩筏基础桩要钻透粗砂⑤，桩端落在中砂⑦上，相当于钻透承载力较好土层，桩端落在承载力较差的土层上，桩间土的承载力利用不够充分;另外，中砂⑦的变形模量为22.8 MPa，也不够理想;加之桩筏基础桩的用钢量较大不够经济。因此，选用地基处理方案，用CFG桩做地基处理，形成复合地基，这样在减小地基变形，尤其是在减小粉土⑥的变形上效果显著。

3 CFG桩的设计

3.1 桩长的确定

根据基础的埋深和《地质报告》中的土层分布深度可计算出筏板下粗砂⑤的平均厚度为9.5 m，粉土⑥的平均厚度为8.25 m，粉土⑥下面是中砂⑦，可以作为桩端的持力层。考虑到土层分布的不均匀性，粉土⑥局部较厚，为避免桩端进入持力层长度不足，取桩长为20 m，平均进入持力层2.25 m，满足要求。

3.2 桩径的确定

CFG桩的桩径宜取350 mm～600 mm，一般采用400 mm。桩径过小施工质量不易控制，桩径过大，需加大褥垫层厚度才能保证桩土共同承担上部结构传来的荷载。另外，从施工设备方面考虑，由于场地土中含有粗砂、中砂，强度较高，不宜采用挤土的振动沉管工艺。拟采用长螺旋钻孔灌注成桩的施工工艺，故确定桩径为600 mm。

3.3 桩间距的确定

本工程考虑到持力层承载力较高，应充分利用桩间土的承载力，采用大桩距的“疏桩理论”，将桩间土的承载力充分利用，不足的部分由CFG桩来承担。最后，综合考虑桩间距取4.5d即2.7 m。

3.4 褥垫层厚度的确定

褥垫层的存在保证了桩、土共同承担荷载。CFG桩复合地基通过设置褥垫层，在上部荷载作用下，桩体一定程度“刺入”褥垫层中，使桩间土充分发挥作用，保证桩、土共同承担荷载。而且褥垫层越薄，桩承担的荷载越大，褥垫层的刺入量也就越小。

《建筑地基处理技术规范》中9.2.3条规定桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层厚度宜取150 mm～300 mm，当桩径大或桩距大时褥垫层厚度宜取高值。考虑本工程桩径、桩间距都较大，褥垫层厚度取300 mm，材料采用中粗砂。

3.5 桩体标号的确定

原则上桩体配比按桩体强度控制，桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求:

计算单桩承载力特征值Ra。

故取CFG桩体强度等级为C25。

3.6 复合地基承载力特征值的计算

对于粗砂⑤:

对于粉土⑥:

3.7 复合地基的变形计算

未处理前，沉降量S=211.87 mm，处理后的沉降量计算:

上部荷载引起压应力 P上=433.36 kPa(面积 621.26 m2);

承台重增加压应力ΔP=-222.00 kPa;

承台底平均附加应力P0=211.36 kPa;

基底深度 HP=11.10，水头深度 HW=4.40，平均容重AVEGAM=20.00。

复合地基的变形计算结果统计表见表1。

表1 变形计算结果统计表

压缩深度Z:30.000 m;平均模量 Es:26.556 MPa;∑S=150.12 mm;规范经验系数:ψs=0.200 0;计算经验系数:ψ=1.000 0;沉降量:S=30.02 mm，满足要求。

4 结语

CFG桩复合地基中褥垫层具有保证桩、土共同承担荷载;减小基础底面应力集中;调整桩、土荷载分担和减小桩顶水平应力集中的作用。桩和桩间土及褥垫层一起构成CFG桩复合地基，它的设计思想是充分发挥桩间土的水平和垂直承载能力，因此在本工程中对于减小地基变形效果明显。再加上CFG桩桩体材料廉价，相同条件下采用CFG复合地基方案比采用预制桩方案节约造价1/2，比灌注桩节约约1/3，取得了较好的经济效果。

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