CFG桩复合地基分析及工程设计

卢哲铭

摘要：本文比较详细地分析了CFG桩复合地基的作用机理、工程特性等重要内容，这是CFG桩复合地基工程运用设计的理论基础。另外，本文以实际工程为例，通过计算证明，采用CFG 复合地基，承载力得到大幅度的提高，地基变形得以很大程度的降低。这为CFG 复合地基的推广运用提供一定的借鉴意义。

关键词：CFG桩，复合地基，作用机理，工程特性，工程设计

Abstract: this paper is analyzed in detail in the CFG pile composite foundation, the mechanism of the engineering properties of important content, this is CFG pile composite foundation engineering with design theoretical basis. In addition, this paper based on the actual engineering for example, through the calculation shows that the CFG compound foundation bearing capacity get substantially rise, deformation of foundation to greatly reduced. This composite foundation for CFG of promote the use of provide a certain significance.

Keywords: CFG pile composite foundation, and the function mechanism, the characteristics of the engineering design

中图分类号：TB21文献标识码：A文章编号：

1、前言

CFG桩复合地基成套技术是中国建筑科学研究院地基所20世纪80年代末开发的一项地基加固技术。1992年由建设部组织鉴定，专家们一致认为:该成果具有国际领先水平。CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)复合地基是由水泥、粉煤灰及碎石，按照一定比例加水拌和，制成一种高粘性强度的桩体、桩端土和垫层共同工作的复合地基，是一种较新的地基处理技术。

图一CFG桩复合地基示意图

CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，CFG桩和桩间土与基础之间必须设置一定厚度的褥垫层，褥垫层是由粒状材料组成的散体垫层，通常由卵(碎)石，级配砂石或粗砂，中砂等组成，是CFG桩和桩间土形成复合地基的必要条件。褥垫层是CFG桩复合地基的关键技术,基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大，若不设置褥垫层，复合地基承载特性与桩基基础相似，桩间土承载能力难以发挥，不能成为复合地基。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合料，大大降低了工程造价。因此该技术在北方地区的高层建筑地基处理中得到广泛应用。

2、CFG桩复合地基的作用机理

CFG桩复合地基的作用机理主要有:桩体作用、褥垫层作用、排水加速固结作用、振动挤密与置换作用。

2.1 桩体作用

CFG桩是具有一定粘结强度的混合料，其材料本身的强度与软土地层强度不同，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，随地层的变化逐渐集中到桩体上，出现了应力集中现象。大部分荷载将由桩体承受，桩间土应力相应减少，于是复合地基承载力较原来地基承载力有所提高，沉降量减少，随着桩体刚度增加，桩体作用发挥更加明显，复合地基的CFG桩起到了桩体作用。

2.2 垫层作用

褥垫层是复合地基的关键技术，其为桩向上刺入提供了条件，并通过褥垫层材料的流动补偿，使桩间土与基础始终保持接触，在桩、土共同作用下，地基土的强度得到一定程度的发挥，相应地减少了对桩的承载力的要求。即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；合理的厚度可以调整桩、土荷载(竖直和水平) 分担比的作用。

2.3 排水加速固结作用

复合地基的桩体是良好的排水通道。振动沉管CFG桩在桩体初凝以前也具有相当大的渗透性，可使振动产生的超空隙水压力，通过桩体得以迅速消散。桩体的排水加速固结作用，有利于空隙水压力消散、有效应力增长、桩间土强度和复合地基承载力提高。

2.4 振动挤密与置换作用

当CFG桩采用振动沉管法施工时，其振动和挤压作用使桩间土得到挤密、振密，复合地基承载力的提高既有挤密又有置换；若CFG桩用于不可挤密的土时，其承载力的提高只是通过置换作用来实现的。

3、CFG桩复合地基的工程特性

CFG桩复合地基的工程特性主要体现在这些方面：1）承载力提高幅度大、可调性强； 2) 适用范围广；3) 桩体的置换作用；4) 复合地基变形小。

3.1 桩复合地基的承载力

在同样的地质条件下，CFG桩复合地基承载力提高较其它复合地基大，而且可调性强。CFG桩长可以从几米到20多米，可全桩发挥桩的侧阻力，因为CFG桩则象刚性桩一样，可全桩长发挥侧阻，桩落在好的土层上还具有明显的端承作用。进行设计时，可通过改变CFG桩的桩长、桩距等来达到不同的复合地基承载力。因此通过增加桩长或改变桩端持力层的位置，使其进入较坚硬的土层，来提高CFG桩复合地基的承载力，以满足不同的设计要求。

3.2适用范围广

近年来，CFG桩复合地基在全国各地成功地得到推广、应用的范围遍及各类工业与民用建筑及铁路桥涵等工程。

3.3 桩体的置换作用

因为CFG桩具有刚性桩的特点，即CFG桩具有更高的桩体模量、强度和承载能力；桩体的置换作用显著,复合地基承载力提高幅度较大。故其单桩承载力大，在一定量置换率条件下，其对复合地基的承载力贡献大。当采用振动沉管机制桩时，其对土壤的挤密作用类似于碎石桩，尤其在运用于砂土、粉土等，其振密和挤密的效果非常明显，可大幅度提高桩间土的承载能力，进而提高复合地基的承载能力。

3.4复合地基变形小

CFG桩复合地基由于桩对桩间土有约束作用，使桩间土挤密，从而使复合地基的压缩模量增大，复合地基沉降变形减小。大量工程实践表明，建筑物沉降一般可控制在2～5cm。对于上部和中间有软弱土层的地基，用CFG桩加固，将桩端放在下面好的土层上，可以获得模量很高的复合地基，建筑物的沉降都不大。

4、桩复合地基在实际工程中的应用

4.1 工程地质条件

汕头市濠江区某住宅小区地下工程，基础结构形式采用筏板基础，底板厚600mm，地下水埋深0.5-3.3m，位标高32.71-35.26，水层：6m左右，防水位：2.4m，下水水质对基础混凝土无腐蚀性。地基承载力 200Kpa。根据钻探、静力触探，结合室内土工试验分析结果，本场地21.7米深度，按其成因类型、岩性及工程地质特性将其划分为20个工程地质层，1个工程地质亚层，现分述如下:

第①层（Q4ml）杂填土 ，稍湿，稍密。以褐黄色粉土为主，含砖屑和少量灰渣。层厚0.3～1.8m，平均厚度0.79m。第②层（Q43al）：粉土，褐黄色，稍湿～湿，稍密～中密。含少量植物根系，土质均匀。层底标高94.14～99.3m，层底深度1.0～6.8m，层厚0.5～4.0m，平均厚度1.6m。第③层（Q43al）：粉砂，黄褐色，稍密～中密。含大量泥质，局部夹粉土薄层。主要矿物成份石英和长石。层底标高92.12～96.71m，层底深度2.8～6.8m，层厚0.5～5.3m，平均厚度2.55m。第④层（Q42al）：粉土，灰黄色，湿，稍密～中密。土质均匀，含少量锰质斑点，夹粉质粘土薄层。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。场地内该层分布稳定，层底标高90.64～94.35m，层底深度4.6～9.4m，层厚0.5～4.4m，平均厚度2.05m。第⑤层（Q42al）：粉土，灰色，湿，稍密～中密。偶含螺壳碎片，夹薄层粉质粘土。干强度低，韧性低，无摇振中等。场地内该层局部缺失，层底标高86.44～91.80m，层底深度7.4～12.2m，层厚1.2～5.5m，平均厚度3.18m。第⑥层（Q42al）：粉砂，灰色，稍密～中密。顶部含少量泥质，下部较均匀，局部夹薄层粉土，主要成份为石英和长石。场地内该层分布稳定，层底标高83.28～88.65m，层底深度11.5～16.2m，层厚1.3～6.2m，平均厚度3.9m。第⑦层（Q42al）：粉质粘土，灰～灰黑色，可塑～软塑。土中含少量蜗牛碎片及腐殖质，局部夹灰绿细条纹，含较少量钙质斑点，该层底部粘粒含量降低，局部渐变为粉土、粉砂。光滑,干强度高，韧性高。场地内该层分布稳定，层底标高80.44～84.30m，层底深度16.7～18.2m，层厚3.0～5.6m，平均厚度3.44m。第⑧层（Q41al）：粉砂，灰褐色，密实。顶部含少量泥质，下部较均匀，局部夹薄层粉土，主要成份为石英和长石。场地内该层分布稳定，层底标高77.62～81.47m，层底深度18.4～21.7m，层厚2.6～4.8m，平均厚度3.28m。

4.2 地基处理设计方案及计算设计

根据地勘报告，地基土⑧层粉质粘土层及以下的各层地基土均为良好的CFG 桩持力层。考虑到拟建物的重要性，各方案的施工条件、技术保证等，且针对本工程高层部分与纯地下室部分连为一体，两者之间的差异沉降问题较为突出的特点，结合场区土层特性，高层部分采用水泥粉煤灰碎石桩(CFG) 地基处理方案。

采用长螺旋钻成孔砼泵车压灌工艺，CFG桩布桩以正方形为主，局部调整为三角形，桩径0.4m，设计桩顶标高29.65m，按规范要求预留0.5m保护桩长，则有效桩顶标高29.15m，设计桩端标高21.15m，故设计桩长8.5m，有效桩长8.0m。桩体材料为现场搅拌C15混凝土，塌落度18cm-22cm。褥垫层厚度15cm，虚铺18cm，用平板振动器密实到15cm。个别楼层设计桩数401根。

复合地基的设计计算依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—91）中的复合地基计算公式:

其中：

fsp.k:复合地基的承载力标准值

fp.k:桩体单位截面积承载力标准值

fs.k:桩间土的承载力标准值

m：面积置换率，

de：等效影响圆的直径（de=1.13s s为桩间距）

d：桩的直径

单桩承载力按370KN设计，桩间土的承载力标准值参考勘察报告取140kpa，复合地基承载力标准值要求200KPa经计算正方形为桩间距1.9-1.93m。

在桩顶铺设15cm厚0.3～0.5cm的碎石垫层，以利于桩土应力的调节与发挥，并协调基础底板的变形。

验算如下：

置换率m=0.03364

因变形要求控制很小，桩间土发挥系数取0.75

则桩顶平均应力sp=[fsp,k-0.75(1-m)fk]/m=2928.3Kpa

单桩桩顶平均荷载Qp=Ap.sp=367.8KN<[370]

砼C15：3sp=8.758Mpa<[10]

根据规范分层总和法和复合地基模量法计算复合地基的总沉降S= 14.84mm<[30]，满足要求。桩顶面铺设200 厚褥垫层，材料选用中砂、粗砂、级配砂石或碎石，最大粒径不大于30mm。

5、结束语

CFG桩复合地基是近几年出现的一种地基处理技术。由于CFG 桩中掺入少量的粉煤灰，不配筋以及充分发挥桩间土的承载力，具有地基承载力高、变形小、稳定快、施工简单易行，机械化程度高，施工速度快，地质适应性强，不受季节影响，经济效益显著等特点。

本文分析了对CFG桩复合地基进行了综述并且详细介绍了CFG桩复合地基的作用机理、工程特性等重要内容。另外，本文以实际工程为例通过计算证明，采用CFG 复合地基，承载力得到大幅度的提高，地基变形得以很大程度的降低。

因此只有对所加固的工程特性及地质条件、环境情况、施工条件等因素有一个比较明确的了解，并经方案比较，这样才能使做出的工程设计更加经济、安全、合理。

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