CFG桩复合地基的探讨

2010-09-11王林华

治淮 2010年11期

关键词：桩间褥垫成桩

王林华

（安徽省水利科学研究院蚌埠 233000）

CFG桩复合地基的探讨

王林华

（安徽省水利科学研究院蚌埠 233000）

对CFG桩材料、施工方法、CFG桩承载特征、褥垫层设置等进行介绍，并了解其适用条件及设计控制等方面内容。

CFG桩复合地基

1 前言

CFG桩复合地基是一种地基处理技术，属刚性桩复合地基。与一般的柔性桩复合地基相比，用CFG桩处理地基，具有可使地基承载力提高幅度大并具有很大可调性的优点，故特别是在天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一般难以满足设计要求时，CFG桩复合地基则有明显的优势。

2 CFG桩材料组成

CFG桩是用少量的水泥加粉煤灰、石屑或砂及碎石，加水搅拌，用普通振动式沉管桩机施工的具有高粘结强度的桩，CFG桩与桩间土和桩顶与基底间的褥垫层共同组成复合地基，就CFG桩桩体材料组成来看，实际上是粉煤灰混凝土。CFG桩桩径、桩长一般较小，单桩承载力不高，故对桩身混凝土强度要求较低。从性能和经济的角度而言，在混凝土中掺入适量的粉煤灰，从而形成所谓的“CFG桩”。

2.1 粉煤灰的特点

粉煤灰是一种工业废料，它是以二氧化硅、三氧化二铝为主要成分的火山灰质材料，含有大量的玻璃微珠。粉煤灰本身并不具有水硬性，当其与水泥加水拌合之后，首先是水泥熟料中的矿物成分硅酸三钙、硅酸三钙和铁铝酸四钙与水作用生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和氢氧化钙等水化物。其中的氢氧化钙再与粉煤灰中含有的大量具有活性的二氧化硅和三氧化二铝相互作用，再生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化物，即产生“二次反应”，也就是它们在碱性激发剂的作用下，粉煤灰能产生强度，相当于低标号水泥。由于粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，在混凝土搅拌、震捣的过程中能起润滑作用，可增加其和易性，减少用水量，使之具有良好的工作性能。

2.2 粉煤灰的等级

粉煤灰品质对混凝土质量具有重要影响。以0.080mm方孔筛余量、需水量比和烧失量等指标加以划分，可把粉煤灰分为三个级别。从经济角度考虑，CFG桩一般选用Ⅲ级粉煤灰。使用前应先到拟取灰地段取样化验，以确定粉煤灰质量是否符合要求及其级别。

3 施工方法

3.1 人工成桩法

人工成桩法就是利用人工成孔，在孔内直接灌注混凝土，采用插入式振捣器分层密实，施工时应逐孔测出桩顶设计标高并作出标记，保证混凝土灌注时一次到位，以避免将来“剃”桩头或接桩。该方法适用于成桩范围内无地下水或水量较小的粘性土、粉土地层，也可用于素填土。若地下水位较浅时，也可结合降水使用。

3.2 钻机成桩法

钻机成桩法就是使用钻机成孔，在孔内下入注浆管，并投入碎石，再用注浆泵通过注浆管注入水泥砂浆。当孔口溢出水泥砂浆，即可停止注浆。由于水泥砂浆收缩性较大，施工时应及时补浆以保证桩顶质量。该方法适用于地下水位较浅的地区。若无地下水，也可以孔内直接灌注混凝土。

由于这种钻机功率有限，故一般成桩直径较小（150～300mm），属小直径桩，也有人称之为“树根桩”。

以上两种施工方法均不需大型设备，适应性强，效率高，较经济。

4 CFG桩复合地基承载特征

图1是实施到的CFG桩桩土应力比n、地基土分担荷载比ηs随荷载变化的关系曲线，该曲线反映了刚性桩复合地基的承载过程。荷载初期，由于褥垫层的作用，桩土共同承受荷载，n值较小、ηs值较大。随着荷载进一步增加，桩顶逐渐向垫层刺入，桩的作用逐渐显示出来，荷载向桩上集中，n值逐渐增大、ηs值逐渐减小。当荷载继续增加到一定值时（p/pu=0.5～0.6），n值与ηs值分别出现峰值及低谷，说明此时桩的应力集中现象最显著，与单桩极限承载力相比，此时桩已发挥极限承载力的70%左右，它标志着桩对垫层的刺入量已基本稳定。随着荷载的进一步增加，桩的刺入量增加很少，n值有所降低，ηs值有所增加，说明此时桩土变形已趋一致，桩间土分担的荷载增量比桩分担的荷载增量大，并直至桩的承载力发挥至极限。若再进一步增加荷载，由于复合地基中桩的荷载-沉降（p-s）曲线呈硬化型，故其仍可继续承载，但其桩顶荷载增加量很小，荷载增量绝大部分均由桩间土分担，直至达到桩间土的极限承载力，这时复合地基才靠破坏。同时n值又出现最小值，ηs值出现最大值。因此，若不考虑桩与土的相互作用及群桩效应，复合地基极限承载力应为桩与桩间土极限承载力之和。

P——复合地基荷载

Pu——复合地基极限荷载n——粘土应力比

ηs——地基土分担荷载比

5 CFG桩褥垫层的设置

粒状材料组成的散体垫层在CFG桩复合地基处理中是十分重要的，复合地基的许多特性都与褥垫层有关。

5.1 无垫层时CFG桩复合地基承载特征

当桩顶直接与基础接触时，根据变形条件，桩与桩间土的变形相同。由于桩的变形模量远大于土的变形模量，当荷载小于桩的允许承载力时，其主要由桩承担，桩间土承担的荷载很少。随着荷载的增加，当桩顶荷载超过其允许承载力时，桩的荷载-沉降（p-s）曲线由直线段进入曲线段，桩端土也由弹性变形进入塑性变形阶段，沉降明显加大，此时桩间土开始承担荷载。随着荷载的增加，桩的承载力发挥至极限，桩的沉降可能已达40～60mm，由于沉降量较大，桩间土亦承担了相当的荷载增量，若再进一步增加荷载，由于复合地基中桩的荷载-沉降（p-s）曲线呈硬化型，故其仍可继续承载，但其桩顶荷载增加量很小，荷载增量绝大部分均由桩间土分担，直至达到其极限承载力，这时复合地基方告破坏，同时桩间土承担的荷载达到最大。若不考虑桩与桩间土的相互作用及群桩效应，复合地基的极限承载力应为桩与桩间土极限承载力之和。

5.2 设置褥垫层的必要性

CFG桩复合地基有无褥垫层，其区别主要是桩间土的承载力发挥的过程不同。当设置褥垫层时，桩间土一开始就承担了较大比例的荷载，在正常使用状态下，建筑物荷载主要由桩和桩间土共同承担；而不设褥垫层时，荷载一开始主要由桩来承担，桩间土基本不承担或承担很少。在正常使用状态下，建筑物荷载主要由桩来承担。当复合地基承载力达到极限时，无论是其承载力的大小以及桩、土的荷载分担比都是相同的，故可取消褥垫层。

取消垫层，让桩顶直接与基础接触，实际上就是在正常使用状态下充分发挥桩的承载力，而让桩间土强度为作安全储备，这样虽然桩的安全系数K小于2（一般1.1左右），但地基土的安全系数却较高，复合地基总的安全度并没有降低，就象桩基础在正常使用状态下，其摩阻力和端承力发挥程度不一样、其各自的安全系数也不一样，类似于复合桩基。

与设置褥垫层的CFG桩复合地基相比，不设垫层时有以下优点：

①可以减少地基沉降量，这是显而易见的。

②如有单桩（p-s）曲线及天然地基荷载试验资料，依据变形协调原则，可较为准确地确定出在正常使用状态下，桩、土荷载分担比及复合地基沉降量。

③可减少施工工序，降低地基处理造价。

设置褥垫层是考虑到CFG桩的特性和施工工艺两方面原因。一是CFG桩桩径、桩长一般较小，单桩承载力不高，在设计荷载为桩土共同承担荷载时，必须设置褥垫层。二是施工工艺如采用挤土桩，施工时使地面严重隆起而后桩间土发生再固结，容易使基础与桩间土脱开，则必须设置褥垫层，此外如桩端落在坚硬土层或岩石上，达到极限承载力时其沉降很小（其荷载-沉降曲线（p-s）不属加工硬化型），也必须设置褥垫层。

6 CFG桩适用条件

根据CFG桩复合地基的特点，它既可用于多层建筑，也可用于高层建筑。就土性而言，CFG桩复合地基可用于填土、饱和及非饱和粘性土、松散砂土等。既可用于挤密效果好的土，又可用于挤密效果差的土。主要是根据场地和土层条件，选择适宜的施工方法。

当CFG桩用于饱和软粘土时应特别慎重，一是因为CFG桩成桩时土的挤密分量为零，承载力的提高唯一取决于桩的置换率。由于桩间土承载力太小，土的荷载分担比太低，不宜再做复合地基。其次是CFG桩易发生整体失稳。由于桩间土强度很低，对CFG桩的侧限作用很小，在竖向及水平荷载作用下，极易发生整体失稳，使建筑物破坏。