CFG桩复合地基的基本原理及工程应用

李 培

（山西省地质勘查局二一七地质队水工环技术中心，山西 大同 037008）

近年来，随着地基处理技术的发展，复合地基技术在工程中得到了越来越多的广泛应用。特别是CFG桩复合地基是近几年来出现的一种新型的地基加固技术，因其费用低、施工工艺简单、施工速度快和适应性强等优点而得到广泛的推广和应用。其桩体材料采用碎石、砂（石屑）、粉煤灰、水泥等材料加水配合而成，目前常采用螺旋钻机或振动沉管桩机等设备进行成孔。桩体与桩间土及褥垫层三部分构成的承载力较高的 CFG桩复合地基。

CFG桩适应于多层建筑、高层建筑的地基处理，处理的地基土包括：杂填土、素填土、新近沉积土、淤泥、淤泥质土及一般承载力较低的黏性土、粉土、砂土、黄土等。对高层建筑除了上述土层外，还包括一些承载力较高，但不能满足上部结构要求的黏性土、粉土、砂土或者用于控制高层建筑与裙房之间的差异沉降（高层与裙房基础不设沉降缝），在高层建筑地基中也常采用CFG桩复合地基。

1 CFG桩复合地基原理

在CFG桩复合地基中，上部结构传来的荷载是由CFG桩体、桩间土和褥垫层共同承担的。褥垫层将上部基础传来的基底压力或水平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，同时桩间土由于桩的挤密作用提高了承载力，而桩又由于周围土体的侧应力的增加而改善了受力性能。下面就CFG桩复合地基中的桩体、桩间土和褥垫层的作用机理进行分析讨论。

1.1 桩的加固作用

1.1.1 对地基土具有一定的挤密作用

对于填土、松散粉细砂、粉土，由于振动沉管CFG桩的振动和侧向挤压作用使桩间土孔隙比减小，含水量降低，土的干密度和内摩擦角有所增加，土的物理力学性能得到改善，从而提高桩间土的承载力。

1.1.2 桩体的排水作用

CFG桩复合地基在成桩初期，因桩孔内和周边充填过滤性较好的粗颗粒填料，在地基中形成了渗透性能良好的人工竖向排水、减压的通道，使孔隙水沿桩体向上排出，可以有效地消散和防止振冲产生的超孔隙水压力的增高，加速地基的排水，这种排水作用不但不会降低桩体强度，而且可以使土体强度恢复并超出原土体天然承载力。

1.1.3 预震效应

CFG桩复合地基成桩过程中，振冲器以一定的振动频率或冲击水平向加速激振土体，使填料和地基土在提高相对密实度的同时获得强烈的预震。提高了砂土抗液化能力。

1.1.4 桩的置换作用

CFG桩中的水泥经水解和水化反应以及与粉煤灰的凝硬反应，生成不溶于水的稳定结晶化合物，它能使桩体的抗剪强度和变形模量大大提高，所以在荷载作用下，CFG桩的压缩性明显比桩间土小，因此，基础传给复合地基的附加应力，随地层的变形逐渐集中到桩体上，出现了应力集中现象。大部分荷载将由桩周和桩端承受，桩间土应力相应减小，于是复合地基的承载力比原有地基承载力有所提高。

1.2 褥垫层的作用

1.2.1 减小和减缓基础底面的应力集中

当桩顶与基础间不设褥垫层，桩顶直接与基础接触的 CFG桩对基础的应力集中和钢筋混凝土对承台或桩上基础应力集中现象类似，设计时需要考虑桩对基础的冲切破坏，造成基础尺寸的增加，如果设置一定厚度的褥垫层，由于褥垫层产生应力扩散作用，使基底的应力扩散范围增大，相应应力集中减小。有试验研究表明：当厚度等于零时，桩对基础的冲切相当明显，随着褥垫层厚度的增加 CFG桩对基础的冲切逐渐减小，当厚度大于300 nm时应力集中已经很小，设计时不考虑桩对基础的集中应力。

1.2.2 保证CFG桩共同承担荷载

在CFG桩复合地基中，由于基础是通过褥垫层与桩和桩间土进行联系。故当基础承受荷载时先传给褥垫层，通过褥垫层传给桩和桩间土，由于褥垫层的存在，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和桩间土始终参与工作，桩间土首先承受较多荷载并发生沉降变形。随着桩间土沉降的增大，桩间土会不断地将荷载通过桩侧摩阻力传递给桩。因此，褥垫层能保证桩间土在任意荷载作用下都始终参与工作，并最大限度地发挥其承载力。

当桩顶与基础间不设褥垫层，桩顶直接与基础相接触时，桩与桩间土的变形相同，由于桩的变形模量远大于土的变形模量，受荷载后，绝大部分荷载由桩承担，桩间土承担的荷载很少，随着荷载的增加，桩的沉降增加，此时，桩间土也承担了一定的荷载增量。

基础和桩之间设置一定厚度的褥垫层，在上部荷载作用下，桩间土的抗压强度小于桩的抗压强度，桩顶出现应力集中，由于褥垫层在受压时具有塑性，褥垫层中与桩接触的部分产生压缩量，其他部分也向下移动，压缩桩间土，使其发挥作用。褥垫层的作用就在于使基础传递的荷载通过其塑性调节作用将荷载传到桩间土，达到共同承担荷载的目的。

1.3 桩间土的作用

（1）承担竖向、水平荷载。

（2）对桩具有约束的作用，可以提高桩的承载力。CFG桩复合地基由于桩间土承受荷载，产生的正向压力，增大了桩周的摩阻力；从而桩端处围压增加，桩承受荷载的能力增加。

2 CFG桩基在工程中的应用

CFG桩复合地基设计主要依据场地工程地质条件及复合地基承载力标准值要求，确定桩长、桩径、桩间距、桩体材料强度等有关参数极为重要，试用实体工程作以下阐述：

2.1 工程地质条件

某小区住宅楼18层，基础埋深5.0 m，在勘察深度范围内，地层由上到下可分为：①杂填土：褐黄、褐灰色，以粉土、建筑垃圾为主，层厚0.5～1.5 m，承载力为90 kPa；②粗砂：褐黄色，中密，层厚5.0～6.0 m，承载力为220 kPa；③粉土：褐黄色，稍密，层厚1.5～2.5 m，承载力为160 kPa；④中砂：褐黄色，中密，层厚1.0～2.0 m，承载力为180 kPa；⑤粉质黏土：褐黄色，可塑，层厚8.0～10.0 m。

2.2 地基处理方案

天然地基：基底持力层为②粗砂，满足上部荷载要求，但软弱下卧层③粉土不满足设计要求。桩基采用钻孔灌注桩、预制桩或其他桩型，不考虑天然地基承载力，造成天然地基承载力的浪费，这样造价也很高，最终决定采用CFG桩进行地基处理。

2.3 CFG桩的设计与计算

2.3.1 单桩极限承载力标准值

式中：u：桩的周长，m；

n：桩长范围内所划分的土层数；

qsik、qpk：桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力标准值，kPa；

li：第i层土的厚度，m；

Ap：桩的截面面积。

2.3.2 处理后CFG桩复合地基承载力标准值满足设计要求

fspk＝mRa/Ap＋αβ（1－m）fsk＝502 kPa＞320 kPa

式中：fspk：复合地基承载力标准值，kPa；

Ra：单桩极限承载力标准值，kN；

α：桩间土强度提高系数，通常α＝1；

β：桩间土强度发挥系数，取0.8；

m：面积置换率；

fsk：处理后桩间土承载力标准值，kPa。

2.3.3 设计参数的选取

（1）桩径：一般取350～600 mm。本工程选用400 mm单桩极限承载力标准值计算，根据地质情况，选取第⑤层的粉质黏土层作为持力层，按照公式计算单桩承载力标准值为492 kPa。

（2）桩长：由于持力层为⑤粉质黏土，桩端井入持力层不宜小于二倍的桩径。桩长实际是6～8 m。

（3）面积置换率m及桩间距s：由m＝d2/de2＝0.087式中，d：桩径；

桩间距一般为3～6倍桩径，根据桩土面积置换率计算桩间距公式如下：

本工程三角形布桩，桩间距为1.2 m。

（4）桩体强度：

桩顶应力 δp＝Ra/Ap＝492/3.14×0.22＝3917 kN/m2

桩体强度按≥3倍桩顶应力确定，即

（5）褥垫层：褥垫层虚铺0.23 m，夯实至0.20 m。

2.4 CFG桩的施工

本工程采用长螺旋桩机成桩工艺，待桩检测合格后，进行人工清槽，同时进行桩头剔凿处理。清槽时，严格监控桩顶标高。清土和截桩时，不得造成桩顶以下桩身断裂和扰动桩间土。

3 结束语

（1）通过对CFG桩复合地基基本原理的阐述和论证，得出结论：CFG桩在地基加固方面是一种行之有效的方法。

（2）通过工程实例进行分析，在CFG桩复合地基工程设计中，必须根据工程的地质条件和环境因素来合理选取参数。

（3）CFG桩和桩基相比，可明显节约工程造价，因此是值得推广的好方法，为在软弱地基土建设不同类型的多层工业与民用建筑及水工建筑开创了广阔前景。

1 杨军等.CFG桩复合地基在高层建筑地基处理中的应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998

2 《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）