CFG桩在桥头段的设计应用

程生平

〔中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000〕

0 引言

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩（Cement Flying-ash Gravel pile）的简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和后形成的高粘结强度的桩，与桩间土、褥垫层一起形成的复合地基。由于CFG桩复合地基可以通过调整桩长、桩距、褥垫层厚度以及状体材料的配合比达到地基加固所需要的强度，并且具有承载力高，变形小、施工简单、造价适中等特点，同时CFG桩既能最大限度地发挥桩体本身的支撑能力又可发挥天然地基承载力的作用，加大桩间距，有效降低工程造价。根据最近几年的使用情况，CFG桩的成功应用实例越来越多，尤其适合应用在高含水量、高压缩性、高灵敏度、渗透性小、抗剪强度低的深厚软弱地基，以及对沉降控制要求较高、工期受限的特殊路段。

本文以工程实例介绍CFG桩在深层软弱地基处理中桥头段的设计应用。

1 工程概况

某工程是广东某城市规划路网中纵向主干路中的一条，呈南北向布置，是连接城市绕城路的出入境道路。

规划道路等级为城市主干道（I级）、设计车速60km/h、红线宽度45m、双向6车道。

道路场地位处珠江三角洲冲积平原，属河口三角洲堆积地貌。场地岩土层按地质成因分为第四系填土、冲积土及白垩系基岩，地层自上而下为填土层、淤泥层、淤泥质粉砂层、粉质粘土层、淤泥质土、粉细砂层、中砂层及基岩。道路全线均为软弱地基，软弱层的厚度介于25～35m。地层总体为高含水量、高压缩性、高灵敏度、大深度且软弱层呈夹层分布。

道路沿线场地为鱼塘、河涌及农田。

地下水位稳定水位埋藏深度为1.60～2.50m，地下水位线较平缓，地下水位受地表补给及潮水位影响较大；地下水类型为孔隙潜水，主要赋存于冲积砂层中，补给、排泄以水平向渗流为主，具微承压性，地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性。桥头处钻孔揭露地层情况及物理力学指标见表1。

2 地基处理方案比选

对于一般路段软弱地基在进行地基处理时综合考虑地基处理可靠性、工程造价、施工条件及工期（2a）等多个因素，确定采用排水固结法：塑料排水板＋砂垫层＋超载预压。对于桥头段，受工后沉降要求和工期的限制，排水固结法无法满足规范要求，需采用复合地基法进行处理。

根据地层物理力学指标，天然地基承载力为70k Pa，桥头处软弱层总厚度达32 m，桥台台后填土4.0m左右，地基承载力和工后沉降均不满足规范要求，必须进行地基处理。结合类似工程经验，可选用的处理方案有：预制管桩、水泥搅拌桩、CFG桩。

（1）预制管桩：采用预制管桩处理深层软弱地基是可靠、有效的措施，处理深度可达35m左右。通过静压将预制管桩打穿软弱层，在桩顶设置托板、钢塑格栅和褥垫层，形成复合地基，具有承载力高、变形小、施工速度快、工期短等优点，但造价较高是工程应用中使用较少的主要原因。针对于本工程桥头处理是一种可靠有效的处理措施，但也是拟选措施种造价最高的一种。

（2）水泥搅拌桩：以水泥浆液或水泥粉通过深层搅拌桩机搅拌后改良、加固土体的有效措施，实际应用较广，在当地具有成熟的施工经验、众多的成功实例。根据当地的实际施工情况和类似工程的检测结果，桩长在1 5m以内时质量较好，大于15m的桩体成桩性较差；对于地层中有机质含量较高（大于5%）或有贝壳夹层的地层成桩性较差。对于桥头段采用该处理措施，拟定桩长为15m，经计算后工后沉降大于10cm，不满足要求。

（3）CFG桩：即水泥粉煤灰碎石桩，桩体强度一般按C10混凝土做配合比，具有承载力高、变形小、施工速度快、造价适中的优点，桩土应力比较预制管桩桩土应力比小，对褥垫层的要求相对较低。复合地基承载力可以提高到天然地基承载力的2～3倍。结合类似工程的实践经验，拟定桩径0.4m、桩距1.6m、桩长20m、桩顶设置50cm褥垫层，经计算后可以满足要求。

不同处理措施造价对比见表2。

表2 不同处理措施造价对比表

综合以上论述，结合施工条件、工期、造价等多方面因素比较，选定桥头段路基处理措施为CFG桩；结合施工具体情况，CFG桩施工时会引起超静空隙水压力、桩体的置换、挤密作用使地面隆起，为加速排水增设塑料排水板作为竖向排水通道；故确定桥头段处理措施为：CFG桩＋塑料排水板（排水通道）＋砂垫层。

3 CFG桩设计

3.1 CFG桩加固机理

CFG桩即水泥粉煤灰碎石桩，它是由水泥、粉煤灰、碎石或石屑加水拌和后形成的高粘结强度的桩体，与桩间土、褥垫层形成复合地基，桩体复合地基通过褥垫层与基础连接，桩间土与桩体共同参与工作；由于桩体强度和模量比桩间土大，在荷载作用下桩体应力比桩间土应力大，通过桩体将荷载向深层传递，减少桩间土承担的荷载，使复合地基承载力提高，变形减小。

通过在桩顶设置褥垫层，桩体与桩间土形成复合地基，荷载通过褥垫层传递到桩体和地基土体，使桩体和土体共同承担荷载。

3.2 CFG桩设计

（1）桩径：根据施工经验和当地的施工设备，施工套管的直径多为377mm，故取桩径d＝0.4m。

（2）桩长：依据地质钻孔，若打穿淤泥层则桩体长度约33m，依CFG桩理论长度完全可以满足；结合当地的施工经验和设备，参照检测结果，CFG桩的有效长度为22m左右，故桩体将为“浮桩”，通过计算桩体以下的下卧层变形、总沉降量和工后沉降，在满足规范要求的情况下确定桩长L＝20m，按“浮桩”进行下卧层验算。

（3）桩距：CFG桩间距 S一般为 3～6d，综合考虑承载力要求、地质情况、地下水等多方面的因素，拟定桩间距S＝1.6m。

（4）桩体布置形式：常规的桩体布置方式有正三角形和正方形，大桩间距常用正三角形布置，小桩间距采用正方形布置，考虑到施工定位的因素，确定采用正方形布置。

故等效影响圆直径de＝1.13S，由此计算确定置换率m＝d2/de2=0.049。

（5）单桩承载力标准值Rk（k N）计算：

a.按桩周侧摩阻力计算：

Rk=(Up∑qsikhi+qpkAp)/K （1）式中：Up——桩周长；

qsik——第i层土层极限侧摩阻力标准值；hi——第i层土层厚度；

qpk——极限端阻力标准值；Ap——桩断面面积；

K——安全系数，取2.0。按式（1）计算结果 Rk＝3 1 5.8 6k N。

b.按桩身强度计算

Rk=ηδAp（2）

由标准养护条件下90d龄期下无侧限抗压强度10M Pa，强度折减系数取η=0.3，单桩截面积 Ap=0.1256m2，计算结果 Rk＝376.9 9k N。

有上述二式计算CFG单桩承载力标准值为Rk＝315.86k N。

（6）CFG桩复合地基承载力标准值计算：fsp,k=m Rk/Ap+αβ(1-m)fsk（3）

式中：fsp,k——复合地基承载力标准值；

m——面积置换率；

Rk——单桩承载力标准值；

Ap——桩断面面积；

α——桩间土强度提高系数，取1.0；

β——桩间土强度发挥系数，取0.9；

fsk——加固后桩间土承载力标准值。按式（3）计算CFG复合地基承载力标准值为fsk＝183.08k P a。

3.3 沉降计算

由于本次设计的CFG桩桩长按“有效桩长”20m确定，未打穿淤泥层而形成“浮桩”，工后沉降是否满足规范要求是本次设计的主要控制指标；采用理正软件进行沉降计算，总沉降量S＝0.5 3 3m，施工期沉降0.474m，工后残余沉降0.059m，满足规范要求值（台后路堤工后沉降不大于0.1m）。

4 CFG桩的施工及质量控制

4.1 施工顺序

桥头段处理措施为：CFG桩＋塑料排水板（排水通道）＋砂垫层，施工工序为：整平工作面－铺设下层砂垫层－施工塑料排水板－施工CFG桩（打桩顺序为间隔跳打）－铺设上层砂垫层－复合地基检测－路基施工。

4.2 材料质量要求

（1）塑料排水板：B型(带钢丝可测长度)，性能指标见表3。

表3 B型塑料排水板性能指标表

（2）砂垫层：洁净中粗砂，含泥量不大于5%。

（3）CFG桩(水泥：碎石：砂：粉煤灰 =1∶6.4∶3.3∶0.9)：

水泥：P.O42.5硅酸盐水泥；碎石：粒径不大于4c m，压碎值不大于3 0%；粉煤灰：烧矢量不大于2 0%，比表面积不小于2500m2/g。

4.3 质量检测

塑料排水板检测见表4。

表4 塑料排水板施工检查项目及质量标准

CFG桩体检测见表5。

表5 CFG桩施工检查项目及质量标准

5 结语

（1）CFG桩比较适合于加固深层软弱地基，可以有效的提高地基承载力、减少地基变形、工后沉降小，且工程造价具有明显的优势。

（2）对深层软弱地基类似于桥头段填土高、工后沉降要求高、工期受限的路段采用CFG桩进行地基处理是一种可行、有效、经济的措施。