水泥粉煤灰碎石桩

孙乐娟

【摘 要】介绍了水泥粉煤灰碎石桩的材料、特点，说明了其适用范围、工程特性、及加固机理，阐述了设计要点和施工方法。

【关键词】水泥粉煤灰碎石桩；复合地基；加固机理；施工；设计

一、水泥粉煤灰碎石桩复合地基概述：

1、水泥粉煤灰碎石桩（简称CFG 桩）是在碎石桩的基础上掺入适量的石屑、粉煤灰和中粗砂加少量水泥，加水拌合后制成具有一定强度在地基中形成的桩体。CFG桩的桩间土和设置在基础与桩土表面之间的一层散体材料褥垫层组成 CFG 桩复合地基。[1]

2、CFG混合料的物理化学性能：

（1）粉煤灰：是燃煤发电厂排出的一种工业废料。它是磨至一定细度的粉煤灰在煤粉炉中燃烧后，由收尘器收集的细灰（简称干灰）。（2）石子、石屑：CFG的骨料为碎石，掺入石屑是填充碎石的孔隙，使其级配良好，在水泥掺量不高的混合料中掺加石屑是配比试验中的重要环节。（3）水泥： 用于多层建筑的CFG桩强度等级一般为C5-C15，用于高层建筑的CFG桩强度等级一般为C15-C25。

3、褥垫层的作用：

（1）保证桩、土共同承担荷载。（2）调整桩、土荷载分担比。（3）减小基础底面的应力集中。（4）调整桩、土水平荷载的分担。

4、CFG桩的特点：

CFG系高粘结强度桩，需在基础和桩顶之间设置一定厚度的褥垫层，保证桩、土共同承担荷载形成复合地基。

CFG桩复合地基的优点：

（1）可以充分发挥桩体材料的潜力，又可充分利用天然地基承载力，并能因地制宜，利用当地材料。因此，具有较好的经济效益与社会效益。（2）这种复合地基可有效提高地基承载力，减少地基沉降。（3） CFG桩同其他混凝土桩体不同，它在设计时不需配筋，施工时无需钢筋笼制作和安装工序，施工方便，节约时间。（4）桩体利用工业废料粉煤灰和石屑作为掺加料，节约水泥用量，并且使工业废料变废为宝，起到资源再利用的作用。（5）使用CFG桩复合地基进行地基处理可降低造价。[3]

二、CFG桩复合地基的工程特性

1、承载力提高幅度大，可调性强。CFG桩桩长可从几米至二十多为米，并可全桩长发挥桩的侧阻力。当地基承载力较好时，荷载又不大，可将桩长设计得短一些，荷载大时桩长可以长一些。特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，且柔性桩难以满足设计要求时，则CFG桩复合地基比较容易实现。

2、适用范围广。水泥粉煤灰碎石桩复合地基具有承载力提高幅度大，地基变形小等特点，具有较大适用范围。对基础型式而言，可适用于独立基础和条形基础，也可适用于筏基和箱形基础。就土性而言，适用于处理粘土、粉土、砂土和正常固结的素填土等地基。既可用于挤密效果好的土，又可用于挤密效果差的土。对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。[2]

3、桩体的排水作用。桩的施工工艺中比较常用的是长螺旋钻孔灌注成桩及振动沉管灌注成桩。振动沉管灌注成桩工艺在饱和粉土和砂土中施工时，由于成桩的振动作用，会使土体内产生超孔隙水压力，刚刚施工完的桩是一个良好的排水管道，孔隙水将沿着桩体向上排出，直到桩体结硬为止。这样的排水过程可延续几个小时。这种排水作用对减少因孔压消散太慢而引起的地面隆起和增加桩间土的密实度大为有利。

4、刚性桩的性状明显。CFG桩像刚性桩一样，可全桩长发挥侧阻，桩落在好的土层上时，具有明显的端承作用。对于上部软下部硬的地質条件，碎石桩将荷载向深层传递非常困难。而CFG桩因为具有刚性桩的性状，向深层土传递荷载是其重要的工程特性。

5、时间效应。利用振动沉管机施工，将会对周围的土产生扰动，特别是对灵明度较高的土，会使结构破坏、强度降低。施工结束后，随着恢复期的增长，结构强度会有所恢复。

三、CFG 桩复合地基的作用原理

当基础承受竖向荷载作用时，桩与桩间土都要发生沉降变形，由于桩的模量远大于桩间土的模量，且会产生荷载逐渐向桩顶集中现象。基础下设置了褥垫层，桩可以向上刺入，桩顶上的垫层材料在受压的同时会挤向周围桩间土，以保证在任一荷载下桩与桩间土始终参与工作，且CFG桩桩体强度可调，可避免散体材料桩及低强度材料桩由于桩身材料强度的限制而使荷载传递深度有限的缺点，可以大幅度提高地基的承载力。[1]

四、CFG设计

1、CFG桩构造要求：

（1）桩径：根据现场实际情况，即地基承载力大小要求，振动沉管机的管径大小而定，一般为350-400mm。

（2）桩距：根据设计要求的复合地基承载力、土质、布桩形式、场地情况等按表1选用。

（3）桩长：根据施工现场实际情况和需要挤密加固的深度而定，一般为6-12m。

（4）褥垫层厚度：一般取10-30cm，当桩径和桩间距过大时并考虑土性，可适当加大，褥垫层材料为中砂、粗砂、级配砂石等。

2、CFG桩的平面布置

CFG桩的平面布置可根据上部基础的形式布置成等边三角形或方形。可只在基础范围内布置，桩距应根据设计要求的复合地基承载力、土性、施工工艺等确定，宜取3-5倍桩径，对于单、双排布桩的条形基础，面积不大，桩数不多的独立基础，桩距可适当小些，满堂布桩，面积大的筏基、箱基桩距可适当放大。

3、单桩竖向承载力特征值的确定

（1）当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2。

（2）当无单桩载荷试验资料时，可按下式估算：

（1）

其中，为桩的周长；m、n为桩长范围内所划分的土层数；

为桩周第i层土的侧阻力，桩端端阻力特征值；为第i层土的厚度。

（3）桩体试块桩压强度平均值应满足下式要求：

（2）

4、CFG桩复合地基承载力特征值的确定

水泥粉煤灰碎石桩复合地基承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时可按下式估算：

（3）

其中，为复合地基承载力特征值；为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值；为桩的截面积；为桩间土承载力折减系数，可取0.75--0.95；为处理后桩间土承载力特征值，可取天然地基承载力特征值。

在进行地基设计时，可先假定桩径d及桩距s，由求出置换率。等边三角形布桩，正方形布桩，矩形布桩，S，S1，S2分别为桩间距，纵向间距和横向间距，然后根据上部结构对复合地基承载力的要求，将，，代入（3）式得Ra，然后将Ra代入（1）式可求出桩长，同时将Ra代入（2）式可求出桩体混合料无侧限抗压强度的平均值。也可以先根据土质条件确定桩长，然后根据（2）式求出Ra，再将设计需要的及已求出的Ra代入（3）式求出面积置换率，最后由定桩距。

5、CFG桩复合地基的变形计算[4]

一般情况下CFG桩复合地基沉降有3部分组成：加固深度范围内的压缩变形，下卧层变形，褥垫层变形，由于数量很小，可以忽略不计。则有，即把沉降量分为加固区的沉降和下卧层的沉降，分别计算再求和。按分层总和法计算：

式中：、：加固区土、下卧层土分层数；：荷载P在下卧层第j层土产生的平均附加應力；：加固区第i层土、下卧层第j层土的压缩模量；、：加固区和下卧层第i层和第j层的分层厚度。

五、CFG桩施工

CFG桩常用的施工工艺有三种：长螺旋钻孔灌注成桩；长螺旋孔管内泵压混合料成桩；振动沉管灌注成桩。

CFG桩的施工，应根据设计要求和现场地基土的性质、地下埋身、场地周边是否有居民、有无对振动反应敏感的设备等多种因素选用下列施工工艺。

参考文献：

[1]孟祥金，刘璇，刘永强。水泥粉煤灰碎石桩复合地基的应用。建筑管理现代化。2001

[2]张永新，王宗红，周本山，朱春林，左登成。水泥粉煤灰碎石桩复合地基设计计算探讨。合肥工业大学学报。2003

[3]朱江，张忠。水泥粉煤灰碎石桩复合地基的设计与应用分析。沈阳大学学报。2002

[4]王红霞。水泥粉煤灰碎石桩在工程中的应用。山西建筑。2006