CFG桩复合地基试验分析

彭世江

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041)

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称(即Cement FIyash Gravel Pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上CFG桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价。

CFG桩复合地基的加固机制为褥垫层受上部基础荷载作用产生变形后，以一定比例的荷载分担给桩及桩间土，使二者共同受力。同时土体在CFG桩施工中受到桩的挤密作用而提高一定的承载力，桩又由于周围土体的挤密对桩的约束加强桩的受力状态，二者共同作用，形成了一个复合地基受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。显然，上部荷载作用大小及桩土的结构性态和力学特性不同，准确了解桩及桩间土的受力情况在CFG桩复合地基工程中是非常重要的[1-4]。

1 工程概况

该高层建筑物位于南充嘉陵区，为8栋电梯公寓，建筑物高度为72.2 m，其层数为21层，框剪结构。建筑物安全等级为I级，属I类高层建筑。基础为筏板基础，埋深-6.2 m。地基土为粉质黏土、粉土和粉砂，不能直接作为基础持力层，需要采用复合地基进行加固处理。进过论证采用了CFG桩复合地基方案。CFG桩桩长8～11 m，桩直径600 mm，正三角形布置，桩中心距为1.8 m，桩端至于稍密卵石层上。单桩竖向承载力1 700 kN，复合地基承载力特征值fspk满足550 kPa。

场地在地貌上属于嘉陵江水系I级阶地，砂卵石层为地下水的主要含水层，其厚度约6.0 m，粉土为弱透水层，勘察期间测得场地地下水初见水位埋深为6.0～7.0 m。场地内自上而下的土层顺序及主要物理力学性质指标见表1。

表1 地基土主要物理力学性质指标

2 褥垫层在复合地基中的作用及设计原则

在CFG桩的设计中，褥垫层是设计的关键，它对最终沉降、调整桩土应力比、调整桩土水平荷载，起重要作用，太厚了桩的优点没有发挥，太薄了应力过于集中在桩上，土的作用没有发挥。由于褥垫层的存在，在荷载刚开始作用时，桩和桩间土共同承担上部荷载，这时的桩土应力比比较小；随着荷载的增加，土体进入极限承载力状态，桩逐渐承担外部增加的荷载，桩土应力比不断增大(如果没有褥垫层，由于在相同荷载作用下，土体的沉降变形比桩的刺入和压缩变形大，此时土体可能处于悬空状态，外部荷载大部分作用于桩上，没有充分发挥桩间土的作用，这样设计的桩数必将增加，会增加工程的造价)。

无褥垫层条件下刚性桩复合地基是先发挥桩的承载力，随后，荷载往土体转移，从桩土共同承担的受力机理来说，应该为另一种刚性桩复合地基。又由于桩体与基础连接，它显然不属于桩基础的范畴，可以认为它是介于复合地基和桩基础之间的一种复合地基。

因此，在CFG桩复合地基设计时，应根据桩间土的极限承载力，复合地基承载力，桩土应力比等因素考虑褥垫层的材料和厚度，来保证桩土变形协调，充分发挥桩间土的极限承载力。本工程基础底面清底结束后，铺设30～35 cm砂卵石褥垫层，采用平板振动器压实。

3 现场试验结果分析

3.1 仪器埋设

为了进一步检验按承载力和沉降量设计的复合地基桩基基础设计方法的可靠性，对采用该法设计的川北高层建筑物，在桩顶和褥垫层上，褥垫层下(土层上)埋设土压力盒，进行短期观测试验，包括天然地基、单桩、桩间土和复合地基载荷等试验。

3.2 天然地基土承载力分析

天然地基土的承载力通过现场慢速维持荷载试验取得。本次地基土载荷试验采用1.0 m×1.0 m承压板，面积为1.0 m2。根据荷载-沉降关系，由于其P-S曲线图呈现出缓变型，无明显比例界限荷载和极限荷载，在这里按《建筑地基基础设计规范》关于地基土载荷试验要求来求得天然地基承载力基本值。

对于低压缩土和砂土，可以取s/b=0.01～0.015，其在P-S曲线上对应的荷载值即为承载力基本值。本次试验采用s/b=0.012对应荷载值为天然地基土的承载力基本值。

从表2可以看出，极差与平均值之比为16.5%<30.0%，可以取平均值165 kPa作为天然地基土的承载力基本值。

表2 天然地基土载荷试验承载力基本值汇总

3.3 桩间土承载力发挥系数β分析

对于CFG刚性桩复合地基承载力特征值常采用如下经验公式估算：

fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk

(1)

式中：fspk复合地基承载力特征值(kPa)；m为面积置换率；Ap为单桩的截面面积(m2)；fsk为天然地基承载力特征值(kPa)；β为桩间土承载力发挥系数；Ra为单桩承载力特征值(kN)。

由于所做的复合地基试验未做到破坏，于是可以假设每一级荷载都为复合地基承载力特征值，来反算桩间土承载力发挥系数β，可得以下桩的桩间土承载力发挥系数β，见表3。

3.4 复合地基承载力分析

根据反算得出桩间土承载力发挥系数,来验算复合地基的承载力,在本工程取桩间土承载力发挥系数β为0.90。从现场单桩的测试数据来看,加载到1 680 kN时,桩的承载力也没有达到极限,因此取单桩的承载力特征值为840 kN,进行复合地基的校核。桩间土取天然地基土的承载力基本值，即基本值为165 kPa，带入特征值经验公式(1)估算得。CFG刚性桩复合地基承载力为615kPa>550kPa,满足设计要求。

表3 桩间土承载力发挥系数β

3.5 CFG桩受力过程及桩土应力比分析

桩-土作用是一个典型的非线性过程。通过现场试验发现,当在褥垫层逐级加荷载时,可以将桩-土过程简化为两个阶段：第一阶段,当荷载较小时,平均各桩顶的荷载小于单桩极限承载力时，褥垫层顶部的反力相对于桩顶处的反力要较大一些,而且随着时间的增长,桩土的分担比也随着发生变化，土承担的比例会越来越少。因此,可以近似地认为在第一阶段,土充分发挥了较大的承载力。第二阶段，当荷载不断的增加时,桩承担的荷载随着外部荷载的增加不断的增加,此时,土基本已经达到土的极限承载力了,因此,这个阶段外部增加的荷载几乎全部由桩来承担。在整个过程中， CFG桩复合地基褥垫层下的土体只在第一阶段时，才真正参与了共同承担上部荷载的工作；在第二阶段,桩-土共同承担外部荷载,此时,桩和土共同工作的极限承载力要大于外部荷载之和。图1是某桩现场试验成果图。从图1不难看出，在荷载加载过程中，桩间土就达到极限承载力后，土体承载力基本维持不变，在后期继续加载阶段，外部荷载几乎全部由桩来承担，此时，桩间土基本维持极限承载力状态。

图1 桩土共同分担荷裁随时间变化过程在整个加载过程

桩土应力比随外部荷载加载情况在不停的变化。随着外部荷载的增加，桩土应力比亦逐渐增大，桩上应力集中越来越明显。从实测的桩顶反力和桩间土的极限承载力来看，桩顶反力是不断变化的，而桩间土在达到极限承载力后，几乎没有多少变化。在加载过程中，由于桩顶荷载不停的变化，因此可以证明，桩土应力比在加载过程中是不断变化的。从实测数据成果(图2)可以验证。

图2 桩-土分担比随荷载变化曲线

从图2还可以看出在荷载稳定后，由于褥垫层的调整作用，桩间土达到极限承载力后，桩顶应力和桩间土表面应力基本保持不变，此时桩土应力比基本保持不变。

4 结论

(1)对于设置垫层的CFG刚性桩复合地基，其受力特征是首先发挥桩间土的承载力极限值，随着外部荷载的增加，桩承担其余增加的外部荷载。

(2)随着施工荷载的增加，桩体所分担的荷载有所增加，且增加较快，桩间土分担比有所较低，其原因是桩间土基本发挥了其承载力特征值。

(3)在加载过程中，实测的桩顶反力和桩间土反力是不断变化的，说明桩土分担比也是不断变化的，与工程界固定的分担比有别。

(4)在荷载稳定后，由于褥垫层的调整作用，桩间土承达到极限承载力后，桩顶应力和桩间土表面应力基本保持不变，此时桩土应力比基本保持不变。