CFG桩及其在工程中的应用

【摘要】本文论述了CFG桩的设计原理与施工特点，并结合具体工程实例进行了说明，这对指导CFG桩的设计与施工具有一定的参考价值。
【关键词】CFG桩 设计原理 施工特点

0引言〔1〕
建筑上遇到的复杂地质情况使基础工程越来越重要，其工程造价占整个工程总投资的比例也越来越大，深基坑支护、地下连续墙、逆作法等工艺先后被采用。现在广泛应用的钻孔灌注桩、振动沉管灌注桩等固有的缺陷十分突出，主要表现在施工速度慢，场地污染严重，成桩质量难以保证，材料浪费大，容易出现各种弊病，而CFG桩表现出较大的优势，桩体材料价格低，施工方便，节省投资，是一种较为理想的地基处理技术，具有广阔的推广前景，很有必要对其进行进一步研究。
CFG（C指Cement，F指Fly-ash，G指Gravel）即水泥粉煤灰碎石桩，是由碎石、石屑、粉煤灰组成混合料，掺适量水进行拌和，采用各种成桩机械形成的桩体。通过调整水泥的用量及配比，可使桩体等级在C5~C20之间变化，最高可达C25，相当于刚性桩。由于桩体刚度很大，因此，常常在桩顶与基础之间铺设褥垫层，以利于桩间土发挥承载力，与桩组成复合地基，如图1所示。

图1 CFG桩复合地基示意图
褥垫层在水泥粉煤灰碎石桩复合地基中具有重要作用，可起到保证桩土共同承担荷载、调整桩与土垂直及水平荷载的分担和减小基础底面应力集中的作用。

1 CFG的设计原理〔2〕
水泥粉煤灰碎石桩可在基础范围内布置，桩径宜取350~600mm；桩距应根据设计要求的复合地基承载力、土性、施工工艺等确定，宜取3~5倍桩径；桩顶和基础之间应设置褥垫层，厚度宜取150~300mm，当桩径大或桩距大时褥垫层厚度宜取高值；褥垫层材料宜用中砂，粗砂，级配砂石或碎石等，最大粒径不宜大于30mm。
水泥粉煤灰碎石桩复合基地承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时也可按下式估算：

式中：fspk——复合地基承载力特征值（kPa）；
m——面积置换率；
Ra——单桩竖向承载力特征值（kN）；
Ap——桩的截面积（㎡）；
β——桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时，可取0.75~0.95，天然地基承载力较高时取最大值；
f sk——处理后桩间土承载力特征值（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。
单桩竖向承载力特征值Ra的取值，当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数，当无单桩荷载试验资料时，可按下式估算：

式中：up——桩的周长（m）；
n——桩长范围内所划分的土层数；
qsi 、qp——桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值（kPa）；
li——第i层土的厚度（m）。

2 CFG桩的施工〔3〕，〔4〕
CFG桩的施工工艺主要有四种，即长螺旋钻干成孔灌注成桩，长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，振动沉管灌注成桩，泥浆护壁钻孔灌注成桩，每种工艺都有各自的适用范围及优缺点，如下所述。
1）长螺旋钻干成孔灌注成桩适用于地下水以上、提钻不塌孔的土层条件；
2）长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩适用于粘性土、粉土、砂土、粒径不大于60mm且厚度不大于5m的卵石层（卵石含量不大于30%），以及对噪声和泥浆污染要求高的场地；
3）振动沉管灌注成桩适用于粘性土、粉土、素填土，对夹有较厚卵石、砂和空隙比小、液性指数较低的粘土层，无合理有效的辅助措施不宜采用，软土地基应通过现场试验确定其适用性；
4）泥浆护壁钻孔灌注成桩可采用于有较厚卵石、砂和孔隙比小、液性指数较低的粘土层、饱和软土，和桩端持力层具有很高水头承压水的场地，也可用于长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩容易发生窜孔，对噪声污染要求严格的场地。

3 CFG桩运用举例
3.1 工程概况
某高层住宅楼地下2层，地上22层，地上层高3.0m，为剪力墙结构体系，筏板基础，基础埋深为自然地面以下7.030m。
3.2 工程地质情况
本工程场地地基土沉积时代及成因类型主要为第四系全新统冲洪积层，其岩性土由砂类土、粉土及粘性土组成。根据钻探，原位测试及室内土工试验结果，在勘察深度范围内场地地基土自上而下大致可分为5层，现依层序分述如下。
1）第1层——杂填土：主要为建筑垃圾，含少量生活垃圾，松散，该层层厚3.5~4.2m，承载力特征值fk=66kPa。
2）第2层——粉质粘土：黄褐色，可塑~软塑，湿，局部夹有薄层细砂及粉土，该层层厚3.90~5.70m，地基承载力特征值为fk=100 kPa。
3）第3层——粉土：黄褐色，稍密~中密，湿，稍有光泽，夹有透镜体状卵石及细砂，该层层厚2.80~8.10m，地基承载力特征值为fk=120 kPa，桩侧阻力极限值41 kPa，桩端阻力极限值280 kPa。
4）第4层——粉质粘土：灰褐色，可塑~硬塑，湿，该层层厚1.80~4.40m，韧性中等，干强度中等，中等压缩性，地基承载力特征值为fk=160 kPa，桩侧阻力极限值56 kPa，桩端阻力极限值350 kPa。
5）第5层——细砂：灰褐色，密实，湿，该层层厚3.70~6.80m，地基承载力特征值为fk=220 kPa，桩侧阻力极限值60 kPa，桩端阻力极限值960 kPa。
综合以上场地地基土层的情况，结合原位测试及室内试验结果，该场地地基土成分复杂、结构松散，为不均匀地基。场地地下水为孔隙潜水及承压水，初见水位5.6m，混合水位埋深4.6m，该场地为轻微液化，不湿陷场地，建筑场地类别为Ⅲ类，场地地脉的卓越周期东西向0.3s，南北向0.38s，竖向0.35s。
3.3 CFG桩复合地基设计
首先确定设计参数桩径、桩距、桩长、桩体强度、褥垫层厚度及材料。
桩径d取500mm，桩距s取3d=1500mm=1.5m，桩长L取24m，褥垫层厚度取250mm，材料为级配砂石，粗砂的质量分数为35%，碎石的质量分数为65%，碎石粒径小于30mm。
水泥、水、石屑、碎石、粉煤灰配比为195：136：431：1166：207，材料强度到510kPa，满足设计要求。
3.4 CFG桩的施工
根据建筑的场地及土质情况，采用了长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩施工工艺，采用了隔行隔桩跳打的施工方法，并按下列所述要求进行了施工。
（1）在基坑开挖后的工作面上施工，工作面高出有效桩顶标高300~500mm；
（2）严禁先提钻后灌料；
（3）保持提钻速度为2.5~3.5m/min；
（4）为了防止土体液化，导致刚打完处于流动状态桩的桩周土丧失对桩的侧向约束能力，桩体侧向澎出、桩顶下沉，产生窜孔，施工应采取清土、剔桩头防断桩和防扰动桩间土措施，打桩弃土和预留保护土层可采用人工清除、或机械人工联合清除方案，截桩头宜用无尺锯在有效桩顶标高处切深1~2cm的圆环，再用两钢钎相对同时敲击断桩，清土、截桩头后禁止对桩间土产生扰动的施工设备（如轮胎式运土车等）在施工场地内通行，防止产生“橡皮土”。
（5）进行了混合料试块的制作和现场养护，随机选取具有代表性的混合料制作试块（边长为150mm的立方体）并捣实，送实验室前在现场按标准养护条件对试样进行养护。
（6）CFG桩施工完28天后，进行了复合地基检测，复合地基静载荷试验3组，确定复合地基承载力特征值；低应变动测65根，评价桩与材料质量及桩身的完整性；桩间土钻探标量贯孔4个，确定桩间土挤密效果，判定桩间土地震液化的可能性。经检测，Ⅰ+Ⅱ类桩占总检测数的92%，Ⅲ类桩占6%，Ⅳ类桩占2%，标贯击数明显提高，地基承载力特征值提高近28%，液化消除。

4 结论
（1）施工现场简洁。
（2）CFG桩是一种具有高粘结强度的半刚性桩，单桩承载力较高，能满足30层以下的一般高层建筑对地基承载力的要求。
（3）CFG桩一般情况下比钻孔桩便宜价格较低，经济效益显著。
（4）成桩质量监测方便。

参考文献
〔1〕于海峰，全国注册岩土工程师专业考试培训教材，华中科技大学出版社，2008年。
〔2〕张永钧，王仁兴等，建筑地基处理技术规范，中国建筑工业出版社，2008年6月。
〔3〕栾钰，CFG桩在山西省政协高层住宅楼工程地基处理中的应用，技术交流，2007年第6期。
〔4〕CFG桩复合地基关键技术问题研究，罗明远，重庆大学工程硕士学位论文，2007年10月。




[本文发表于中华人民共和国科学技术部科技教育类核心期刊《科教研讨》2009年10月刊]