浅谈CFG桩在基础设计中的应用

申娟

【摘要】CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和褥垫层一起构成的刚性桩复合地基。通过褥垫层把桩和基础断开，改变了过分依赖桩承担垂直荷载和水平荷载的设计思想，其优点体现在其传递水平荷载和垂直荷载的工作特性上。CFG桩复合地基设计，必须同时满足强度和变形两个条件。

【关键词】CFG桩特点；强度控制；變形控制

CFG桩是是在碎石桩的基础上掺入适量的石屑、粉煤灰和少量水泥，按一定的比例拌和成一种具有一定粘结强度的桩体，这种桩的骨料仍为碎石，用掺入石屑来改善其颗 粒级配，掺入粉煤灰来改善混合料的和易性，并可利用其活性减少水泥用量。CFG桩复合地基由CFG桩、桩问土和褥垫层组成。

1、普通CFG桩复合地基的特点及加固机理

1.1 CFG桩复合地基的特点

CFG桩体的强度和其桩体组成材料的掺量有很大关系。文献[4]认为，低水泥掺量CFG桩体早期强度较低，只有水泥掺量一定程度时，才会产生一定早期强度。在水泥掺量低于30%时，随着水泥掺量的增加，28 d的桩体强度迅速增加。而水泥掺量在30%～60%之间时，桩体强度随着水泥掺量的增加，增长较为缓慢。CFG桩的水泥掺量控制在30%左右较为适宜。粉煤灰与矿渣主要调节CFG桩的和易性，粉煤灰与矿渣掺量变化对桩体强度有一定的影响，CFG桩中粉煤灰掺量的最佳范围在20%～ 30%左右。文献[2]利用室内无侧限试验进行了CFG桩弹性模量的测定，并分析水泥 煤灰、水灰比、石屑率对弹性模量的影响，得出cFG桩的本构模型为线性弹性模型，其弹性模量与破坏强度有关，一般其弹性模量在800 MPa～1 600 MPa范围内。泥粉比在1左右时，弹性模量较高；混合料的坍落度控制在3 CITI左右时，水灰比在0.9～1.4之间，弹性模量较大；石屑率在28.6%左右时，弹性模量较高。

1.2 CFG桩复合地基加固机理

CFG桩复合地基加固机理主要是其褥垫层将上部基础传来的基底压力通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩间土，使二者共同受力。CFG桩复合地基加固地基主要有以下3种作用：

1） 桩体作用

CFG桩不同于碎石桩，桩身材料不再为松散石料，而是具有一定强度的粉煤灰混合料，桩的弹性模量远大于桩间土的弹性模量，在荷载作用下CFG桩身的压缩明显比周围软土小。因此，基础传给地基的附加应力随地基变形逐渐转移到桩体上，出现了应力集中现象。复合地基中的CFG桩起到了桩体的作用，而桩周围土承担荷载较小。桩身强度、刚度愈大，置换率愈大，桩土应力比愈高，应力集中就愈大。

2） 挤密作用

在施工时，由于桩管振动和侧向挤压作用使桩间土得到了挤密，提高桩间土的承载力。

3） 褥垫层作用

褥垫层技术是CFG桩复合地基的核心技术，CFG桩复合地基的许多特性都与褥垫层的作用密切相关。CFG桩复合地基中的褥垫层不是我们在基础施工中常见的素混凝土垫层，而是厚度为100 mm～300 mm的碎石（或级配砂石）散体垫层。褥垫层的突出作用是在荷载作用下，它可以产生垂直、水平两个方向的挤压、互补作用，从而促使在受荷过程中，桩间土与基础底面始终保持紧密接触。而且褥垫层还有调整桩、土荷 载分担比，减少基础底面的应力集中等作用。如不设褥垫层，当桩端位于坚硬土层时，基础承受荷载后，桩顶沉降变形很小，绝大部分荷载由桩承担，桩间土承载力很难发挥。

2、CFG桩复合地基的设计

2.1 CFG桩复合地基强度控制的设计

复合地基承载力是由桩间土和桩共同承担荷载。CFG桩复合地基承载力取决于桩距、桩径、桩长、上部土层和桩尖下卧层土体的物理力学指标以及桩间土内外面积的比值等因素。从现有的复合地基承载力的计算方法来看，其主要思路是将土的承载能力考虑进去，即“复合”桩与桩间土的强度，一般是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力，再根据一定的原则将这两部分叠加，即得到复合地基承载力。强度控制的设计计算主要有面积比公式和应力比公式两种方法：

1、面积比公式

Pcf =K1λ1mPpf +K2λ2（1- m） Psf（1）

式中Pcf ———复合地基极限承载力（kPa）；

Ppf ———桩体极限承载力（kPa） ；

Psf ———天然地基极限承载力（kPa） ；

m———复合地基置换率；

K1 ———反映复合地基中桩体实际极限承载力的修正系数，一般大于110；

K2 ———反映复合地基中桩间土实际极限承载力的修正系数，其值视具体工程情况确定，可能大于110，也可能小于110；

λ1 ———复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例；

λ2 ———复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例。

2、应力比公式

Pcf =K2 Psf[1+m（n- 1） ] （2）

Pcf =K1 Ppf [1+m（n- 1）]/n （3）

式中二复合地基桩土应力比。若桩间土先发生破坏，则采用式（2） ；若桩体先发生破坏采用式（3） ；若桩体和桩间土同时破坏，两式均用，计算结果取小者，以偏于安全。无论是面积比公式还是应力比公式，都是要先确定桩体和桩间土的承载力，应把握以下两点：1、桩间土极限承载力K2Psf 取相应的天然地基极限承载力Psf ，即K2 =110；

2.2 CFG桩复合地基变形控制的设计

CFG桩复合地基的沉降变形由三部分组成：一是桩长范围内土的压缩变形，二是下卧层的变形，三是褥垫层的压缩变形。令桩顶沉降为Sp，桩间土表面沉降为Ss，桩端处桩沉降为。由于CFG桩体模量较大，在通常荷载下，轴向力引起桩的压缩量很小，可以忽略不计。这样，桩体任一断面处的位移认为与桩顶的位移相等，即SP =S′P。由于桩间土表面的沉降大于桩顶的沉降，桩顶的一部分进入到褥垫层中，称之为上刺入变形，用△上表示△上=SS - SP桩端处土的位移用SS 表示。在桩端处，桩的沉降大于土的沉降，即产生下刺入变形，用△下表示△下=SP - S′S设桩长L范围内土的压缩量为S1 ，则有S1 =△上+△下设下卧层变形量为S2 ，褥垫层压缩量为S3 ，则基础总变形为S= S1 + S2 + S3 。因工程中褥垫层变形量很小，可以忽略不计，基础总变形为S= S1 + S2在CFG桩复合地基沉降计算中，通常根据复合地基变形模式将沉降量分为两部分，即复合地基加固区压缩量S1 与复合地基加固区下卧层压缩量S2，分别计算再求和。

结束语

我们采用CFG桩复合地基进行地基处理时，应结合地层情况，选择适宜的施工方法，进一步考虑采用长、短桩结合的方法，拓宽应用范围，向多桩径方向发展，还可进一步降低造价，争取取得更好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 杨秀红.CFG桩联合碎石桩组合型复合地基的有限元分析[D].锦州：辽宁工程技术大学硕士学位论文，2012.

[2] 侯素明.CFG桩复合地基在施工中的质量控制[J].山西建筑，2013，（12）.

[3] 李小青.CFG刚性桩复合地基的材料构成分析[J].华中科技大学学报，2014，（09）.

[4] 徐卓，翟鸣元.CFG 桩复合地基的工程应用探讨[J].山西建筑，2012，（18）.

[5] 廖琴.CFG桩复合地基桩帽结构施工工艺[J].价值工程，2012，（07）.

[6] 王娟，王兴科，郭亚宇.CFG 桩加固软土地基施工技术[J].价值工程，2013，（22）.