CFG桩复合地基的作用机理及应用

周文辉

摘要：本文论述了CFG桩的作用机理、主要的设计参数，并通过实例介绍CFG复合地基处理的应用情况

关键词：CFG桩复合地基 加固

1 CFG概念

CFG桩是英文Cement Fly-ash Gravel的缩写，意为水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的可变强度桩。通过调整水泥掺量及配比，其强度等级在C5-C25之间变化，是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型。CFG桩和桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同工作，故可根据复合地基性状和计算进行工程设计。CFG桩一般不用计算配筋，并且还可利用工业废料粉煤灰和石屑作掺和料，进一步降低了工程造价。CFG桩的适用范围很广。在砂土、粉土、粘土、淤泥质土、杂填土等地基均有大量成功的实例。

2CFG桩复合地基的性状及作用机理分析

当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的变形模量远比土的变形模量大，所以桩比土的变形小，由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，垫层中的垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。同时，土由于桩的挤密作用而提高了承载力，而桩又由于其周围土侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载；一般来说，其作用机理可概括为以下几方面：

①桩体作用

CFG桩不同于碎石桩，是具有一定粘结强度的混合料。CFG桩中的水泥经水化反应和与粉煤灰的凝硬反应，生成了主要成份为铝酸钙水化物(xCaO·yAL2O3·mH2O)、硅酸钙水化物(xCaO·ySiO2·nH2O)及钙铝黄长石水化物(zCaO·AL2O3·SiO2·6H2O)等不溶于水的稳定的结晶化合物，这些物质以纤维状结晶不断生长延伸充填到碎石和石屑的孔隙中，相互交织形成空间网状结构，将原来由点点接触和点面接触的骨料紧紧缠绕粘结在一起，使桩体的抗剪强度和变形模量均大大提高。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，大部分荷载将由桩体承受，桩间土应力相应减小，于是复合地基承载力较原有地基承载力有所提高，随着桩体刚度增加，桩体作用发挥更加明显。CFG桩身具有一定的粘结强度，在荷载作用下，不会出现压胀变形，桩承受的荷载通过桩周摩擦阻力和桩端阻力传至深层地基中，其复合地基承载力提高幅度比碎石桩大。大量工程实例证明，CFG桩的桩土应力比大都介于27～55，远远高于水泥掺量在5％~30％之间的水泥搅拌桩的桩土应力比3～12，石灰桩的桩土应力比2.5~5.0，和碎石桩的桩土应力比2～4，显示出CFG桩的桩体效应大大优于石灰桩、水泥搅拌桩和碎石桩等散体材料桩。

CFG桩桩长可以从几米到20多米，并且可全桩长发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总荷载的百分比为40％~75％，使得复合地基承载力提高幅度大，并具有很大的可调性。当地基承载力较高，荷载又不大时，可将桩长设计得短一些，荷载大桩可长一些，特别是当天然地基承载力较低而设计要求承载力高时，用柔性桩复合地基一般难以满足要求，CFG桩复合地基则较易实现。

②挤密作用

CFG桩采用振动沉管法施工，出于振动和挤压作用使得桩间土得到挤密。CFG桩既可适用于条形基础，又适用于独立基础、筏基和箱基；对土性而言，既可用于挤密效果好的土，又可用于挤密效果差的土，尤其是用于挤密效果好的土(砂±，粉土)时，振动可使土挤密，桩间土承载力有较大幅度提高，应用效果突出。

③排水作用

CFG桩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，刚施工完的CFG桩是一个良好的排水通道，孔隙水将沿着桩体向上挤密，直到CFG桩桩体结硬为止。采用振动成桩施工，将对桩间土产生扰动，特别是对高灵敏度土，使其结构强度丧失，承载力降低，但是施工终束后，结构强度会逐渐恢复，桩间土承载力会有所提高。CFG桩在加固区域内是否能够形成自然土层的排水通道，主要取决于桩体的材料性质。CFG桩桩体材料的渗透性与混合料中粉煤灰和水泥的用量有关，也与粉煤灰的性质有关。经室内试验表明，CFG桩桩体的渗透系数一般在10．3～10．1范围内，而置桩范围内自然土层的渗透系数一般在10．6~10．4之问，远较桩体渗透系数为小。由此看来，桩体相对土体而言，实际上构成了固结排水通道，置桩加速了桩周土体的固结过程，桩体的排水作用明显。

④褥垫层作用

在竖向荷载作用下，CFG桩复合地基由于褥垫层的作用，桩体逐渐向褥垫层中刺入，桩顶上部垫层材料在受压缩的同时，向周围发生流动；垫层材料的流动补偿使得桩间土与基础底之间始终保持接触并使得桩间土的压缩量增大，从而使桩间土的承载力得到充分发挥，桩土共同作用得到保证，使地基的接触压力得到了均化和调整，地基中的竖向应力分布得到均化，地基的变形状况得到明显改善。总之，复合地基中的褥垫层，在复合地基中可以起到：保证桩、土共同承担荷载；减少基础底面的应力集中；褥挚厚度可以调整桩、土荷载(竖直和水平)分担比的作用。

⑤桩间土作用

在粉土、砂土和塑性指数较低的粘性土地基中，采用不排土法施工时，施工对土体的振动或挤压使摩阻力得到增加。根据地基加固前后对桩间土的物理力学指标的测试结果表明，地基经过处理后，桩间土的物理力学性质得到了较大提高。一般含水量降低14％~19％，天然容量增大1％以上，孔隙比减小13％以上，而压缩系数减小11％～52％，同时发现，CFG桩桩体材料对粉质粘土和粉土的工程性质改善较明显，而对砂类土基本上没有改变。总之，在CFG桩复合地基中桩间土不但承担竖向、水平荷载而且对桩具有约束的作用，可以提高桩的承载力。

⑥加筋作用

CFG桩复合地基中，桩体强度与桩间土强度相差较大，在自然土层中的柱状体实际上构成了土层的竖向加筋，从而大大提高了复合地承载力。

总之，CFG桩与桩间土一起通过褥垫层形成CFG桩复合地基，通过设置褥垫层，可保证桩与土共同承担荷载。同时，桩体具有一定的排水作用，可加快软土的固结。CFG桩复合地基可以通过改变桩长、桩距、褥垫层厚度和桩体材料配比来调整软土工程性质，可调性高、变形小。它能最大限度地利用CFG桩本身的单桩承载力，达到控制沉降的目的，又可充分发挥天然地基土的作用，达到疏化桩基，有效降低工程造价的目的。

3CFG桩主要设计参数

CFG桩复合地基在设计时主要应考虑6个设计参数，即桩径、桩距、桩长、桩体强度、褥垫层的设计以及桩的布置。

(1)桩径d

CFG桩常采用振动沉管法施工，其桩径d应根据桩管大小而定，常用的振动沉管打桩机的管径为377mm，珠三角地区的公路上一般桩径设计为40cm。

(2)桩距L

试验表明，当其它条件相同时，桩距越小复合地基承载力越大，当桩距小于4倍桩径后，随着桩距的减小，复合地基承载力的增长率明显下降，从桩、土作用的发挥考虑，桩距以大于4倍桩径为宜，一般取3~6倍桩径，珠三角地区的公路上一般桩距设计为1.5~2.8m。

(3)桩长L

在进行复合地基设计时，天然地基承载力fk是己知的，设计要求的复合地基承载力fup也为已知。桩径d和桩距L设定后，置换率m和桩的断面面积Ap均为已知。桩间土强度提高系数和桩间土强度发挥度的取值根据实际情况。将以上各数值代入下式：

则可求得Rk,再利用Rk值，根据qsl和qp。就能算出所需的桩长L。

其中：qsl： 第i层士与土性和施工工艺相关的极限侧摩阻力。

qp：与土性和施工工艺相关的极限端承力。

(4)桩体强度

由Rk和桩断面面积Ap。，可计算桩顶应力为：

根据桩体强度和承载力的关系分析可知，桩体强度一般取3倍桩顶应力即可。即：R28≥3σp。

(5)褥垫层的设计

褥垫层的材料多用碎石、级配砂石(限制最大粒径一般不超过3cm)、粗砂、中砂等；褥垫层的加固范围要比基底面积大，其四周宽出基底的部分不宜小于褥垫层的厚度；褥垫层厚度一般取30~50cm为宜，根据实际情况适当增加1~2层单向土工格栅增强侧向抗拉能力。

6）桩帽

为了使CFG桩能跟桩间土同时受力，通常需要对桩头进行扩大处理，一般设置30cm厚的C15素混凝土桩帽。

7）桩的布置

通常情况下，桩都布置在基础范围内，桩的数量按下式确定：

式中：

m：面积置换率；

A：基础面积（m2）；

Ap：桩断面面积（m2）；

n：面积为A时的理论布桩数；

四、工程实例

广东省珠海市某省道工程，根据勘察资料，上部主要地层为填筑土①、淤泥②-1、淤泥质粘土②-2、粗砂②-3、粘土②-4，粉质粘土③-1，其中填筑土①、淤泥②-1、淤泥质粘土②-2属松软层或相对软弱层，工程性能差，埋藏较深，综合厚度15.30～28.50m，不能做为路基基础持力层或下卧层。根据实际情况桥头和涵洞过渡段基础等采用了CFG复合地基进行处理。

结语 CFG桩在处理公路桥头、涵洞、挡土墙等结构物地基中有着广泛的应用，能够较好的满足上部结构所要求的承载力和设计变形值，而且加固后效果稳定良好,从满足设计的要求出发，综合考虑施工方法、经济指标等因素，大胆的采用CFG桩提高天然地基的承载力，满足工程需要。所以CFG桩复合地基是值得推广使用的地基处理技术。

参考文献：

[1] 《公路路基设计规范》（JTG D30-2004） 中华人民共和国行业标准.

[2] 《广东省高速公路软基处理实用技术》 陈冠雄等编著人民交通出版社.

[3] 《地基处理手册》（第三版） 龚晓南主编 人民交通出版社.

[4] 《交通土建软土地基工程手册》 河海大学主编人民交通出版社