复合地基加固法中的CFG桩的设计与应用

吕家云，李承萍

(1.云南省交通勘察设计研究院，昆明650101;2.云南交通职业技术学院，昆明650101)

随着近年来社会经济的发展，公路建设尤其是高等级公路建设的突飞猛进，遇到的各类岩土问题也日益增多，如软土、湿陷性黄土、岩溶与红粘土、膨胀土、冻土、采空区地基、以及各类地质灾害等，使得公路建设对岩土工程的理论和技术提出了新的要求，特别是云南省多处于山岭重丘区，工程地质情况复杂，在公路建设中经常遇到各类特殊路基需进行处治，比如在软土地基处理中，针对不同的地基及建筑路基情况，可采用置换法、排水固结法、复合地基加固法、反压法、强夯法等，其中复合地基加固法被广泛应用于如碎石桩、砂桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩和水泥粉煤灰碎石桩 (简称CFG桩)等，本文就复合地基加固法中的CFG桩对软土地基进行加固处理以提高地基承载力，谈一点认识。

1 加固机理及适应范围

1.1 复合地基的概念

复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体 (天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基［1］。复合地基与天然地基，两者间有着内在联系，同时又有本质的区别，由于复合地基中人工加固体的存在，使其区别于天然地基;而复合地基的人工加固体与基体共同承担荷载的特性，又使其不同于桩基础，复合地基属于地基范畴，而桩基属于基础范畴，复合地基中的桩体与其承载体往往不是直接相连的，它们之间通常设有一定厚度的垫层;而桩基础中桩体与其承载体是直接相连，两者形成一个整体。因此，它们的受力特性也存在着明显的差异，复合地基的主要受力层在加固体内，而桩基的主要受力层是在桩尖以下一定范围内。复合地基理论的最基本假定为桩与桩周土的协调变形［1］。

1.2 复合地基的分类

根据复合地基中人工加固体的方向，复合地基可分为水平向加固体复合地基和竖向加固体复合地基。水平向加固体复合地基主要包括由各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料、格栅等形成的复合地基。竖向加固体复合地基通常称为人工置入桩体复合地基。在桩体复合地基中，桩的作用是主要的，而地基处理中桩的类型较多，性能变化较大，因而复合地基按桩的类型划分为:

(1)散体类桩，如碎石桩、砂桩等。

(2)半刚性类桩，如水泥土搅拌桩、旋喷桩等。

(3)刚性类桩，如CFG桩、无砂混凝土小桩、混凝土薄壁管桩等。

1.3 加固机理

复合地基都具备以下一种或多种作用。

(1)桩体作用。由于复合地基中人工置入桩体的材料模量与周围土体的材料模量不一样，桩体的刚度也比周围土体的大，在刚性基础下等量变形时，地基中应力将按材料模量进行分布。因此，桩体产生应力集中现象，大部分荷载由桩体承担，桩间土应力相应减小。这样就使得复合地基承载力较原地基有所提高，沉降量有所减少。随着桩体刚度的增加，其桩体作用发挥得更加明显。

(2)垫层作用。人工置入桩与桩间土复合形成的复合层，其性能优于原天然地基，它可起到类似垫层如软土换填后均匀分布地基应力和增大散角等作用。在桩体没有贯穿整个软土层的地基中，这一作用尤其明显。

(3)加速固结作用。除碎石桩、砂桩具有良好的透水特性，可加速地基的固结外，半刚性类桩和刚性桩在某种程度上也可加速地基的固结，地基固结不但与地基土的排水性能有关，而且还与地基土的变形特性有关。从固结系数CV的计算公式［CV=k(1+e0)/γa］来看，虽然半刚性类桩和刚性桩会降低地基土的渗透系数k，但它同样会减少地基土的压缩系数a，通常后者的减小幅度要比前者的大。

(4)挤密作用。散体类桩、半刚性类桩、刚性类桩等在施工过程中由于振动、挤压、排土等原因，可使桩间土起到一定的挤密作用。

(5)加筋作用。各类桩土复合地基除了可提高地基的承载力外，还可提高土体的抗剪强度，增加土坡的抗滑能力。如软弱层分布不均、处于斜坡或不是水平分布的均采用水泥土类桩及混凝土类桩来加固，这都是利用了复合地基中桩体的加筋作用。

1.4 CFG桩加固机理及适应范围

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩 (Cement Flyash Gravel Pile)的简称，是在碎石桩的基础上加上一些石屑、粉煤灰和少量的水拌和制成的一种具有一定强度的刚性类桩，成桩后CFG桩、桩间土和褥垫层组成复合地基。这种地基加固方法吸取了振冲碎石桩和水泥搅拌桩的优点，桩体强度C5～C25，CFG桩和素混凝土桩的区别仅在于桩体材料不同，而在其受力和变形特点等方面没有什么区别。且施工工艺与普通的振动沉管灌注桩一样，工艺简单，与碎石桩相比单桩承载力是碎石桩的2～3倍，经其加固形成的复合地基承载力可比原地基承载力提高4倍以上，而采用碎石桩加固形成的复合地基承载力只可提高0.5～1倍。所以CFG桩复合地基具有承载力提高幅度大，变形小等特点，且适用范围广。就天然地基土性而言，适用于处理黏性土、粉性土、砂性土、和正常固结的素填土等地基，而仅对于淤泥质土才应通过现场试验确定其适用性。CFG桩不仅可以处理承载力较低的地基，对于承载力较高但地基变形不能满足要求的地基，也可采用CFG桩以减小地基变形。对一般粘性土、粉土、砂土，桩端具有较好的持力层，经处治后可以达到很高的承载力。对于可液化地基，可采用碎石桩和CFG桩多桩型复合地基，一般先施工碎石桩，然后在碎石桩中间打CFG桩。既可消除地基土的液化，又可获得很高的复合地基承载力。目前CFG桩最长可达20m，复合地基承载力标准值可达到700kPa。

CFG桩具有较强的置换作用。其它参数相同，桩越长桩分担的荷载越高。CFG桩是高粘结强度桩，需在基础和桩顶之间设置一定厚度的褥垫层。褥垫层具有如下作用:

(1)保证桩、土共同承担荷载。

(2)通过改变褥垫层的厚度，调整桩垂直荷载的分担，通常褥垫层越薄，桩承担的荷载比例越大。

(3)减少复合地基顶面的应力集中。

(4)调整桩土水平荷载的分担比例，褥垫层越厚，桩分担的水平荷载比例越小。一般来说，垫层粒径越大，桩土应力比越小［2］。

2 CFG桩的设计计算

2.1 CFG桩复合地基的设计原则

(1)满足建筑物荷载对复合地基承载力的要求。

(2)变形满足规范对建筑物地基变形的要求或满足设计对建筑物变形的特殊要求。

(3)满足桩、桩间土变形协调的要求，并应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。

(4)满足环境条件对地基处理的要求。

2.2 设计参数

2.2.1 桩径

CFG桩常采用振动沉管法施工，其桩径的大小应根据桩管大小而定，一般为35～60cm，桩径过小，成桩质量不易控制;桩径过大，施工较困难。

2.2.2 桩距

根据建筑物对地基产生的应力，要求复合地基应变应满足因建筑物而产生的应力对地基变形的要求，因此，设计的桩距首先应满足承载力和地基变形的要求。对于挤土成桩和不可挤密土宜采用较大的桩距;对于挤密性好的土如砂性土、粉土、松散填土等，桩距可采用小桩距。CFG桩在满足承载力和变形要求的前提下可以通过调整桩长来调整桩距，桩越长，桩距可以越大。

2.2.3 桩体布置

CFG桩的平面布置应根据上部建筑物的基础形式布置成等边三角形或正方形。为了充分发挥桩间土的承载能力，可分区段采用不同的桩距，布桩时桩的面积置换率不宜超过10%。

CFG桩的竖向布置应根据地质条件及设计要求分区段采用不同桩长。

2.2.4 承载力及桩体强度

目前复合地基承载力计算公式较多，但较为普遍是把桩间土的承载力和单桩承载力进行合理的叠加组合，必须指出:复合地基承载力不是桩间土的承载力和单桩承载力的简单叠加，应考虑如下因素:①施工时桩间土产生扰动、挤密，对桩间土的承载力的影响;②成桩后桩与桩间土的相互约束作用;③复合地基中桩的承载力比自由单桩要高;④桩和桩间土承载力的发挥都与变形及褥垫层厚度有关。

综合考虑以上情况，结合工程实践经验，CFG桩复合地基承载力特征值可用下式计算:

式中:fspk为复合地基承载力特征值 (kPa);m为面积置换率;Ra为单桩竖向承载力特征值 (kN);Ap为桩的截面积 (m2);β为桩间土承载力折减系数;fsk为处理后桩间土承载力特征值 (kPa)。

其中:①β取值范围为0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值。②fsk的取值，对不可挤密土，若施工速度较慢可取天然地基承载力，即fsk=fak，若施工速度较快，宜通过现场试验确定;对可挤密的一般粘性土，可取fsk= (1.1～1.2)fak，塑性指数小、孔隙比大时取高值;对挤密效果好的土，由于承载力提高的幅值大，fsk应通过现场试验确定。③单桩竖向承载力特征值Ra的取值可采用单桩荷载试验确定，取1/2竖向极限承载力的系数作为单桩承载力特征值。如无荷载试验资料，可按公式 (2)计算:

式中:up为桩的周长 (m);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、桩端阻力特征值 (kPa);li为第i层土的厚度 (m)。

桩体试块抗压强度平均值应满足公式 (3)要求:

式中:fcu为桩体混合料试块 (边长为15cm立方体)标准养护28d抗压强度平均值 (kPa)。

2.2.5 水泥粉煤灰碎石桩 (CFG桩)的材料要求

碎石:碎石粒径为20～50mm，为使级配良好，掺加石屑填充碎石空隙。

水泥:一般采用32.5级普通硅酸盐水泥。

粉煤灰:采用Ⅱ级、Ⅲ级粉煤灰。

2.2.6 水泥粉煤灰碎石桩 (CFG桩)的材料配合比设计

因CFG桩混凝土现场搅拌，需事先由实验室出具有关配合比，施工时严格按照配合比进行。利用公式 (4)可进行施工配合比设计。

混合料中石屑与碎石的组成比例用石屑率表示:

式中:λ为石屑率;G1为单方混合料石屑用量(kg);G2为单方混合料碎石用量 (kg)。

根据试验研究结果，λ值取0.25～0.33为合理的石屑率。

式中:fcu为混合料28d立方体抗压强度 (MPa);为水泥强度等级;C为单方水泥用量 (kg);W为单方用水量 (kg)。

混合料坍落度按3cm控制，水灰比W/C和粉灰比F/C(F为单方粉煤灰用量)有如下关系:W/C=0.187+0.79F/C，混合料密度一般为2.2～2.3g/cm3。

2.2.7 褥垫层

褥垫层的合理设置能够充分发挥桩间土的承载力。若褥垫层厚度过大时，会导致桩、土应力比等于或接近于1.0。此时复合地基中桩的设置已失去了意义，而且很不经济。因此，褥垫层厚度的设置一定要考虑到技术上可靠、经济上合理，一般取150～300mm为宜，桩距大时取高值。褥垫层材料宜采用中粗砂、级配碎砾石，最大粒径不宜大于3cm，如考虑到水平向加固可在褥垫层中设置土工织物。

2.2.8 沉降计算

CFG桩复合地基沉降由三部分组成:一是加固深度范围内土的压缩变形S1;二是下卧层变形S2;三是褥垫层变形S3。S3数量很小可以忽略不计，则:SC=S1+S2。

加固区的变形按复合模量计算，将加固区中桩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，用分层总和法计算其压缩量，复合土层的模量取该天然土层模量的ξ倍，ξ=fspk/fak。由于CFG桩复合地基置换率较低和褥垫层的设置，同时考虑到桩尖处应力集中范围有限，因此假定作用在褥垫层底面的压力为均匀分布，根据Boussinesq半无限空间解求出复合体底面以下的附加应力，由此计算下卧层的沉降。综上所述，CFG桩复合地基的最终沉降量可按公式 (6)计算:

式中:n1为加固区范围内土层分层数;n2为沉降计算范围内土层总的分层数;p0为对应于荷载效应准永久组合时基础底面处的附加应力;Esi为基础底面下第层土的压缩模量;zi、zi－1为基础底面至第i层土、第i－1层土底面的距离;、为基础底面计算点至第i层土、第i－1层土底面范围内的平均附加应力系数;Ψ为沉降计算修正系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，也可采用表1数值。

表1 沉降计算修正系数表Tab.1 Correction coefficient of settlement calculation

注:Es=Esi为第i层土的压缩模量，桩长范围的复合土层按复合土层的压缩模量取值;Ai为第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分。

复合地基变形计算深度必须大于复合土层的厚度，并应符合公式 (7)要求。

式中:Δs'i为在计算深度范围内，第i层土的计算变形量;Δs'n为在计算深度向上取厚度为Δz的计算变形量，由表2确定。

表2 Δz的计算变形量Tab.2 Scale deformations ofΔz

应继续计算到确定的计算深度下无较软土层。

3 施工工艺

根据建筑物荷载和对地基变形的要求，以及地基土条件、地下水条件、周边环境条件共同确定CFG桩的施工工艺。目前CFG桩的施工工艺有洛阳铲成孔，人工灌注CFG桩工艺;长螺旋成孔，人工灌注CFG桩工艺;长螺旋成孔，管内泵压混合料CFG桩工艺;振动沉管CFG桩工艺;夯扩成孔CFG桩工艺等。

3.1 洛阳铲成孔—人工灌注CFG桩工艺

该工艺属于非挤土桩，采用人工洛阳铲成孔，孔深一般小于6m，桩端位于地下水位以上，在灌注CFG混合料前应采用重锤夯实孔底，消除孔底虚土，该工艺施工速度较快，造价低，适用于6m范围内有良好的桩端持力层且建筑物对地基承载力及变形要求不高的建筑物。

3.2 长螺旋成孔—人工灌注CFG桩工艺

该工艺属于非挤土桩，采用长螺旋成孔，桩端位于地下水位以上时，在灌注CFG混合料前应采用重锤夯实孔底，消除孔底虚土，该工艺施工速度较快，适用于在一定范围内有良好的桩端持力层的地基。

3.3 长螺旋成孔—管内泵压混合料CFG桩工艺

该工艺属于非挤土桩，采用长螺旋成孔，适用的地层范围比较广且不受地下水位的影响，成孔后，泵送混凝土，该工艺最大的优点是噪音小，施工速度较快，可穿透砂层等相对较硬的土层，缺点是造价相对较高。

3.4 夯扩成孔CFG桩工艺

该工艺属于挤土桩，采用重锤夯扩成孔，孔内灌注干硬性CFG桩混合料，夯击干硬性混合料成桩。该工艺优点是单桩承载力较高，对桩间土有一定的挤密，缺点是成孔较浅 (小于10m)，有可能造成地面隆起［3］。

3.5 振动沉管CFG桩工艺

该工艺属于挤土桩，采用振动沉管成孔，灌注CFG混合料，边拔管边成桩，该工艺适用于有良好的桩端持力层的地基，不受地下水位的影响，缺点是噪音大，很难穿过密实的砂层，有可能造成地面隆起。

由于目前大量的CFG桩采用振动沉管机施工，下面简要介绍振动成桩工艺。

(1)桩机进入现场，根据设计桩长、沉管入土深度确定机架高度和沉管长度。

(2)桩机就位，调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于1%。

(3)启动马达沉管到预定标高，停机。沉管过程中做好记录，每下沉1m记录电流表电流一次。停机后立即向管内投料，直到混合料与进料口齐平，按混合料设计配比经搅拌机加水拌和，拌和时间不得少于1min，如粉煤灰用量较多，拌和时间还要适当放长。坍落度要求30～50mm，成桩后浮浆厚度以不超过200mm为宜。

(4)启动马达，留振5～10s，开始拨管，拨管速度为1.2～1.5m/min(拔管速度为线速)。如遇淤泥或淤泥质土，拔管速率还可放慢。拨管过程中不允许反插，如上料不足，须在拨管过程中空中投料，以保证成桩后桩顶标高达到设计要求。成桩后桩顶标高应考虑计入保护桩且桩顶浮浆厚度不宜超过200mm。

(5)沉管拨出地面，确认成桩符合设计要求后，用粒状材料湿粘土封顶，然后移机进行下一根桩的施工。

(6)清理场地。清理场地和截桩时，不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。桩头适当高出桩间土10～20mm，对于过高的桩头应予凿除。

(7)铺设褥垫层。为了调整CFC桩和桩间土的共同作用，宜在基础下铺设一定厚度的褥垫层。褥垫材料多为粗砂、中砂或级配砂石，限制最大粒径不超过3cm。褥垫层厚度一般为10～30cm，由设计设定。虚铺厚度按公式 (8)控制:

式中:h为褥垫层虚铺厚度 (m);ΔH为褥垫层设计厚度 (m);γ为夯填度，一般取0.87～0.9。

虚铺后多采用静力压实，当桩间土含水量不大时亦可夯实。桩间土含水量较高时，特别是高灵敏度土，要注意施工扰动对桩间土的影响，以避免产生橡皮土。

4 质量检验

施工质量应符合《建筑地基基础工程施工质量验收规范》的要求。

(1)施工质量检验主要应检查施工记录、混合料坍落度、桩数、桩位偏差、褥垫层厚度、夯填度和桩体试块抗压强度等［4］。

(2)CFG桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验。

(3)CFG桩地基检验应在桩身强度满足试验荷载条件时进行，一般为施工结束28d后。试验数量为总桩数的0.5%～1%，且每个单体工程的试验数量应不少于3个点。

(4)应抽取不少于总桩数10%的桩进行低应变动力试验，检测桩身完整性。

5 结束语

CFG桩施工工艺简单，所用材料是在碎石桩的基础上加入少量的水泥和粉煤灰，受力特性与水泥搅拌桩类似。它可用于杂填土、饱和及非饱和粘性土、粉土、砂性土及湿陷性黄土地基中，以提高地基承载力和减少地基变形。笔者在省道320线佛双桥至打洛二级公路设计中就尝试采用过CFG桩对K3+620～K3+720、K3+810～K3+920、K3+810～K3+920、K7+300～K7+500段软土路基进行处置，并通过专家评审。总体来说CFG桩适应范围是很广的，只是当原地基承载力标准值fk≤50kPa时其适用性值得考虑。若以挤密或消除液化为目的时，采用CFG桩是不经济的。

［1］黄生文.公路工程地基处理手册［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］罗晓辉.基础工程设计原理［M］.武汉:华中科技大学出版社，2007.

［3］顾晓鲁，钱鸿缙，汪时敏.地基与基础［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［4］丁 科，谢忠球.桩身质量的定性与定量分析法［J］.森林工程，2005，21(5):51 －53.