CFG桩应用及计算方法

张汇洲，黄 勇

(1.同江市水务局，黑龙江同江156400;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 引言

CFG桩复合地基是在碎石桩加固地基法的基础上发展起来的一种地基处理技术。由于CFG桩改善了碎石桩的刚性，使其不仅能很好地发挥全桩的侧阻作用，同时也能很好地发挥其端阻作用。因此，得以广泛采用，并取得良好的经济和社会效益。

CFG桩，是水泥粉煤灰碎石桩的简称，(C指Cement、F指Fly－ash、G指Gravel)，是由碎石、石屑、粉煤灰组成混合料，掺适量水进行拌和，采用各种成桩机械形成的桩体。通过调整水泥的用量及配比，可使桩体强度等级在C5～C20变化，最高可达C25，相当于刚性桩。由于桩体刚度很大，区别于一般柔性桩和水泥土类桩，因此，常常在桩顶与基础之间铺设一层150～300 mm厚的中砂、粗砂、级配砂石或碎石(称其为褥垫层)，以利于桩间土发挥承载力，与桩组成复合地基。

2 CFG桩与灌注桩对比

钢筋混凝土灌注桩是一种直接在现场桩位上就地成孔，然后在孔内浇筑混凝土或安放钢筋笼再浇筑混凝土而成的桩。

CFG桩由于不配钢筋，桩径可做的细一点，相应比表面积较大，桩体发挥的承载力(摩擦为主)较高，另外CFG桩使桩土共同作用。但由于其抗水平、拉力、拔力、压曲都是有限的。所以其复合地基不可“无限制提高”。钻孔灌注桩由于需配钢筋，考虑到钢筋保护层厚度，及灌注导管的影响，其直径不宜太小，单方桩体发挥的承载力较小，再加上配有钢筋，所以在两种方案均可采用时，钻孔灌注桩成本较高。

灌注桩与CFG在水工得到了广泛的应用，两种地基处理方法各有优缺点。

灌注桩和CFG桩是两种完全不同的设计理念，传力的机理也完全不同，在选用方案时一定要从实际的工程需要出发。

灌注桩是基础的一个构件，桩是锚固在承台内，桩的主筋与承台的钢筋是连接的，因此桩可以传递压力、拉力、弯矩和剪力，桩能抵抗水平力，能提高建筑物水平抗推的能力。

CFG桩其实并不是一种传统意义上的桩，仅是对地基的一种加固，提高地基的承载能力，特别要注意的是在基础和CFG桩之间还有褥垫相隔，只能传递压力，不可能传递拉力、弯矩和剪力，不具有抵抗水平力的能力。

在评价这两种地基处理方案，应多角度考虑。应用时不能只考虑桩侧摩阻力和桩端阻力，还应考虑CFG桩是挤土的，灌注桩是不挤土的。因此在建筑物的荷载不大，水平荷载不是控制条件的，而采用天然地基的承载力不够，就有可能采用CFG桩或其他的地基处理方法加固地基。

3 CFG桩的计算及应用

某泵站工程，建基面基础承载力为100 kN，地基承载力不足，需对天然地基进行处理，拟采用CFG桩，基础类型为矩形基础，基础长度20 m，基础宽度8 m，褥垫层厚度300 mm。形式见图1。

布桩形式为三角形，X向间距为1.2 m，Y向间距为1.2 m，桩长10 m，桩径300 mm，单桩竖向极限承载力为200 kN，地层各项参数及CFG桩计算见表1。

表1 土层参数表格

图1 某泵站基础类型示意图

3.1 复合地基承载力计算

3.1.1 单桩竖向承载力特征值计算

当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力(Ra)除以安全系数2。经计算，Ra为100.00 kN。

3.1.2 面积置换率计算

计算公式为:

式中:d为桩身平均直径，d=0.30 m;de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径;m;s1、s2分别为桩X向间距、Y向间距，s1=1.20 m、s2=1.20 m;m=

3.1.3 复合地基承载力计算

计算公式为:

式中:fspk为复合地基承载力特征值，kPa;m为面积置换率，m=2.45%;Ra为单桩竖向承载力特征值，Ra=100.00 kN;β为桩间土承载力折减系数，β=0.70;fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa，取天然地基承载力特征值，fsk=100.00 kPa。

经CFG桩处理后的地基，当考虑基础宽度和深度对地基承载力特征值进行修正时，一般宽度不作修正，即基础宽度的地基承载力修正系数取零，基础深度的地基承载力修正系数取1.0。经深度修正后CFG桩复合地基承载力特征值fa为:

式中:γ0为自天然地面以下深度5.00 m范围内天然土层的加权平均重度，其中地下水位下的重度取浮重度。

基础埋深d=5.00m，经计算fa=183.91 kPa。

荷载效应标准组合时轴心荷载作用下:

pk≤fa，满足要求。

荷载效应标准组合时偏心荷载作用下:

pkmin＞ 0，满足要求

pkmax≤1.2fa，满足要求。

3.2 变形计算

3.2.1 计算基础底面的附加压力

荷载效应准永久组合时基础底面平均压力为:

基础底面自重压力为:

基础底面的附加压力为:

3.2.2 确定Δz

按《建筑地基基础设计规范》(GB 50007－2002)表5.3.6，得 b=8.00 得，Δz=0.80。

3.2.3 确定沉降计算深度

沉降计算深度按"地基规范"式5.3.6确定 。沉降计算到土层的最底部还不满足式(5.3.6)，计算深度取到土层的最底部，Zn=12.50 m。

3.2.4 计算复合土层的压缩模量

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ζ倍。

式中:Espi为复合地基处理范围内第i层土修正后的压缩模量，MPa;Esi为复合地基处理范围内第i层土原始的压缩模量，MPa。

ζ值按《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79－2002 J220－2002)式(9.2.8－1)确定:

式中:fak为基础底面下天然地基承载力特征值，kPa，fak=100.00 kPa。经计算ζ=1.029。

3.2.5 计算分层沉降量

计算的分层沉降值见表2。

表2 分层总和法沉降计算表

表2中 l1=L/2=10.00 m，b1=B/2=4.00 m。z=12.50 m范围内的计算沉降量∑Δs=34.27 mm，z=11.70 m至12.50 m(Δz为0.80 m)，土层计算沉降量Δs'n=1.11 mm＞0.025∑Δs'i=0.86 mm。

3.2.6 确定沉降计算经验系数ψs

由沉降计算深度范围内压缩模量的当量值Es可从《建筑地基处理技术规范》表9.2.8查得

式中:Ai为第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。

查《建筑地基处理技术规范》表9.2.8得ψs=0.200

3.2.7 最终的沉降量

3.3 下卧土层承载力验算

3.3.1 基础底面的附加压力

基础底面平均压力为:pk=182.50 kPa

基础底面自重压力为:pc=γ0×d=90.00 kPa

基础底面的附加压力为:p0=pk－pc=92.50 kPa

3.3.2 第3层土承载力验算

3.3.2.1 计算基底下10.00 m处的附加压力

3.3.2.2 计算基底下10.00 m处的自重压力

式中:γ0为自天然地面以下深度15.00 m范围内天然土层的加权平均重度，其中地下水位下的重度取浮重度。

3.3.2.3 计算基底下10.00 m处的经深度修正后地基承载力特征值

第3层土承载力满足要求。经计算，拟设计的CFG桩满足要求。

4 结论

简要介绍了CFG在工程中的应用，详细列举了CFG桩的设计计算过程，为同仁在同类工程提供参考。

［1］中国建筑科学研究院.GB5007－2002建筑地基基础设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［2］中国建筑科学研究院.JGJ79－2002建筑地基处理技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.