探讨CFG桩在复合地基设计中的要点

张 华（厦门中平公路勘察设计院有限公司，福建 厦门361010）

CFG(Cement Fly-ash Gravel)桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。CFG桩是把碎石和适量的石屑、粉煤灰、水泥加水拌和，一般采用振动成管桩的设备，制成一种具有较高粘结强度的桩体，属于低强度桩复合地基的一种，它具有适应性强、承载力提高幅度大、沉降量小的特点，目前广泛应用于高等级道路桥头路基及构造物等承载力要求高、沉降量要求小的路段。本文通过在佛山市顺德快速干线高富路的桥头软基处理设计总结，对CFG桩等复合地基在高等级道路设计应用中要点和注意事项加以阐述，先后介绍了CFG桩的设计、材料配合比设计以及CFG桩的施工工艺和质量检验等。

1 工程概况

工程实例：佛山市顺德快速干线高富路位于珠江三角洲中部地区，地势低洼，高程一般在2～4m，属河流相一级阶地，人工鱼塘星罗棋布，工程条件差，地层主要有表层素填土、淤泥质土、粉砂、圆砾组成。该项目沿线跨路、跨河桥梁众多，本文以该工程西登中桥桥头K27+007～K27+067软基处理设计为例，该路段各岩土层物理力学指标见表1。

表1 各土层物理力学指标

桥头路基设计长度60m（K27+007～K27+067），路基填土高度4～6m，边坡坡率为1：1.5，路基宽度60m，采用CFG桩+土工格栅联合处理，要求加固路段复合地基承载力不小于120KPa，工后沉降小于10cm，。

2 确定施工方案

初勘钻探过程，该段路的钻孔上部地层有薄层淤泥质粘性土，具腥味，含腐殖质，软塑状，具软土性质。土工试验结果表明土的天然含水量为35%左右，空隙比0.9～1.1，压缩系数0.5左右，接近软土指标，为淤泥质软土。软土一般埋深3.0～10.4m，厚度2.0m左右。

根据土工试验结果，采用理正软基程序计算，该路基段工后沉降在14～23cm之间。根据高速公路容许工后沉降要求，本项目路基一般路段工后沉降满足规范要求，不需要进行特殊处理。

根据软土地勘指标并结合佛山市顺德快速干线软土地基的处治经验，本项目初定桥头高路堤采用加固桩复合地基处理，其常见的加固桩有CFG桩、挤密碎石桩、水泥搅拌桩、预应力管桩。通过比选，推荐本项目软土地基采用CFG桩进行处理。

3 CFG桩设计要点

3.1 CFG桩复合地基承载力

CFG桩复合地基承载力应通过现场载荷试验确定，也可按以下公式估算

式中： fspk为复合地基的承载力标准值；m为面积置换率；AP为桩的截面积；为单桩竖向承载力标准值，应通过现场单桩载荷试验确定；α为桩间土强度提高系数；β为桩间土承载力折减系数；fsk为桩间土天然地基承载力标准值。

3.2 CFG桩复合地基的沉降

路堤下低强度桩会发生上刺和下刺，因此复合地基沉降除主要由加固区沉降和下卧层沉降组成外，还要考虑桩的上、下刺入量及垫层压缩量。

当地基没有软弱下卧层时，复合地基沉降以加固区压缩量为主，总沉降量随桩间距的减小而减小；如果桩体下部有一定深度的软土层，则由于桩端应力向下部扩散，下卧层产生较大沉降，此时控制下卧层沉降成为整个地基沉降控制的重点。加固区沉降计算方法一般有复合模量法、应力修正法、桩身压缩量法等；下卧层沉降的计算方法目前常采用分层总和法；桩体的上、下刺入量的计算是目前沉降计算的一个难点，对一般工程可简单估算，但重要工程需进行计算。

3.3 设计参数的确定

CFG桩复合地基设计参数主要确定5个设计参数，分别为桩长、桩径、桩间距、桩体强度、褥垫层厚度。

1)桩长。CFG桩复合地基要求桩端落在好的土层上，这是CFG桩复合地基设计的一个重要原则，桩长取决于建筑物对承载力和变形的要求、土质条件和设备能力等因素。根据现有条件，CFG桩的最大桩长一般不大于30m。

2)桩径。CFG桩桩径的确定取决于采用的成桩设备条件，一般桩径为35～60cm。经过大量的实践证明通常桩径不宜设计太大。

3)桩间距。一般桩间距s=(3～5)d，桩间距的大小取决于设计要求的复合地基承载力和变形、土性和施工机具，一般设计要求的承载力大时，取小间距，但必须考虑施工时相邻桩之间的相互影响。

4)桩体强度。原则上桩体配合比按桩体强度控制，桩体试块抗压强度应满足下式要求：

式中： fcu为桩体混合料试块(边长150mm立方体)标准养护28天立方体抗压强度平均值，MPa；Rk为单桩竖向承载力标准值，kN；Ap为桩的截面积，m2。

5)褥垫层厚度。褥垫层厚度一般用30cm，当桩径和桩距过大时，褥垫层厚度还可适当加大。褥垫层材料可用粗砂、中砂、碎石或级配砂石(最大粒径不大于20mm)。

4 CFG桩材料要求及配合比设计

4.1 材料要求

1)碎石。碎石粒径20～50mm，为使级配良好，掺入石屑填充碎石的空隙。

2)水泥。水泥一般用32.5级普通硅酸盐水泥。如用高强度等级水泥，则会使水泥用量偏少，影响和易性及密实度；如用低强度等级水泥，则会使水泥用量过多，不经济，而且也会影响混合料其他技术性能。

3)粉煤灰。粉煤灰多用袋装的Ⅱ级、Ⅲ级粉煤灰，粉煤灰既是细集料，又有低强度等级水泥的作用，以增强桩体的后期强度。

4)另外，外加剂可根据需要采用早强剂或泵送剂。

4.2 材料配合比设计

碎石、石屑、水泥、粉煤灰和外加剂的成分含量的多少对混合料的强度及和易性有很大影响。

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，3m。

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28天立方体抗压强度，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和粉煤灰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/3cm。

利用以上关系，参考水泥混凝土配合比的用水量并加大2%～5%，就可进行配合比设计。

5 CFG桩施工工艺

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)桩基就位，须保持水平、稳固、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，并做好记录。

4)按设计配合比配制混合料，搅拌时间不得小于1min。

5)待沉管至设计标高后须尽快用料斗进行空中投料，直至管内混合料面与钢管料口平齐。

6)开动马达，沉管原地留震10s左右，然后边振动，边拔管。拔管过程中不容许反插。

7)当管拔出地面，对桩进行封顶，然后移机继续下一根桩施工。

6 CFG桩质量检验

CFG桩施工结束后，应间隔一定时间方可进行质量检验。

6.1 桩间土检验

桩间土质量检验可用标准贯入、静力触探和钻孔取样等试验，对桩间土进行处理前后的对比试验。对砂性土地基可采用标准贯入或动力触探等方法检测挤密程度。

6.2 桩体强度检验

混合料搅拌均匀后，按一定比例留取样品，装入150mm×150mm×150mm的试模。并测定28天抗压强度R28。

6.3 单桩和复合地基检验

CFG桩施工质量的检测采用静载荷试验，测定单桩承载力和复合地基承载力。

7 CFG桩复合地基设计中容易忽略的问题

7.1 基底标高问题

CFG桩复合地基设计文件中，看不到建筑物±0.00高程及基础埋深或基底高程，这就给设计审查工作带来了很多不便，甚至无法验算，同时现场施工也无据可依，尤其当基础埋深不一致时，更容易出现问题。

7.2 基底土层问题

当确定基底标高后，可以确定基础直接坐落在什么土层上，当基底下土层固结状态较好时，CFG桩复合地基的作用机理可充分体现；但当基底下土层属于欠固结状态时，问题就是麻烦了，如果不先对这些欠固结填土进行处理就直接进行CFG桩复合地基设计，则桩土共同作用原理将会随着填土固结沉降而逐步减弱，最终CFG桩复合地基机理将被逐步破坏，从而给建筑物带来安全隐患；再者，在设计参数选用中，桩周围土承载力特征值的采用五花八门，缺乏依据，根据规范精神，应采用直接与基础接触的土层承载力特征值或选取处理土层范围内承载力特征值较低的土层，这样才是最可靠的选择。

7.3 褥垫层问题

褥垫层设计工作看似简单，实际上褥垫层是复合地基设计工作中的非常重要的工作，在这里不再多说，有两点值得参考，其一，设计文件中一定要计算褥垫层的虚铺厚度，以便指导施工；其二，褥垫层的设计厚度应根据桩周土质及桩端持力层进行充分考虑。

7.4 布桩问题

布桩一直是CFG桩复合地基设计中的关键。布桩中，独立柱基与条形基础布桩差别较大。独立柱基下布桩，不能死板地按等边三角形、正方形或长方形去套用，而应在确定最小面积置换率后去优化布桩，以期达到受力均匀、置换合理的目的；而条形基础布桩更不能教条地上套用某一种形状，而应根据条形基础尺寸，按照受力均匀、置换合理、边中结合的原则按最小面积置换率优化控制，在基础交叉区域，应仔细核实基础上所受上部荷载，并结合地质条件及桩端条件仔细核算，这是条形基础布桩的核心所在。

8 结语

通过改变桩长、桩径、桩距等参数，可使CFG桩承载力提高250%～300%。CFG桩还具有沉降量小、变形稳定快、工艺性好、桩体材料具有良好的流动性与和易性，灌筑方便，易于控制施工质量，可节约水泥、钢材。利用工业废料，保护生态环境，降低工程费用，与预制桩相比可以节约投资40%左右。综上，CFG桩具有可靠的技术性能和经济效果，在地基工程处理中具有广阔的应用前景。

[1]龚晓南.高等级公路地基处理设计指南[M].北京：人民交通出版社，2005，32-33.

[2]徐至均，王曙光.水泥粉煤灰碎石桩复合地基[M].北京：机器工业出版社，2004，17-20.

[3]王震.CFG桩在软土建筑地基中的应用[J].山西建筑，2009，35(3)：140-141.

[4]董新和.CFG桩复合地基处理设计与施工[J].施工技术.2008，37(6)55-57.