CFG桩复合地基设计与应用研究
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摘要：由于cfg桩复合地基的经济效益和社会效益比较突出，得以迅速发展，不断的应用在高层建筑及大跨度结构设计建筑中，在现代社会中发挥着越来越重要的作用。文章根据现行设计规范，结合工程实例，对CFG桩的设计计算及相关参数取值进行了分析，并提出了CFG桩在设计和施工过程中应当注意的事项，对其它同类工程的设计和施工有一定的借鉴作用。
关键词：复合地基；沉降；CFG桩；载荷试验
中图分类号：TU441文献标识码： A
引言
CFG桩复合地基，全称水泥粉煤灰碎石桩复合地基，它是由水泥、粉煤灰、碎石、砂加水拌合，利用振动打桩机或在长螺旋钻管内泵送压成桩机具制成可变强度桩。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。CFG桩复合地基在我国的研究历史并不长，1988年正式立项研究并正式推广应用。截至到2012年，CFG桩复合地基己经在全国所有的省市推广运用，并且成功解决了很多软土地基承载力不足以及沉降变形大等难题。
一、CFG桩复合地基的组成及受力机理
CFG桩复合地基是包括桩身、桩间土及褥垫层三部分，其受力机理是上部基础荷载产生的基底压力通过褥垫层适当的变形以一定的比例分摊荷载给桩及桩间土，让二者共同受力。且土体受到桩的挤密而提高承载力，桩又因为周围土的侧应力的增加而使受力性能改善，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竖向荷载。
二、CFG桩的使用范围及优点
CFG桩是在碎石桩基础上加一些石屑、粉煤灰和少量水泥用水拌和制成的一种有着一定粘结强度的桩。和其它地基处理方法比较起来有下列优点。适用范围广，对于基础形式来说：CFG桩即可适用于条形基础、独立基础、也可用于筏板基础和箱型基础。对于土性来说：CFG桩可用于填土、饱和及非饱和粘性土，即可用于挤密效果好的土，也能用于挤密效果差的土。
1、承载力提高幅度大、可调性强，CFG桩的桩长能够从几米到二十多米，同时还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40%~75%之间变化，大大提高复合地基承载力且有着很大可调性，能够提高4倍或更多。
2、CFG桩单桩的承载力主要来自全桩长摩阻力及桩端承载力，而碎石桩的承载力主要靠桩顶以下有限长度范围内桩周土的侧向约束。同等置换率情况下，CFG桩承担的荷载占总荷载比值为碎石桩的1～2倍。对于上部软下部硬的地质条件，碎石桩将荷载向深层传递十分困难。而CFG桩有着刚性桩的性状，向深层传递荷载是其重要的工程特性。
3、复合地基变形小、沉降少，CFG桩复合地基是通过在桩和基础间设置柔性褥垫层，使调整桩土相对变形的问题从根本上得到解决，同时由于压缩模量增大而显著降低了荷载作用下的变形，使建筑物的沉降短期内趋向稳定。
4、CFG桩复合地基处理比素混凝土桩地基处理费用节约20%~30%，经济效益明显，且利用了“二废”（即粉煤灰和石屑），获得了较好的社会效益。
三、工程实例
建筑场地位于乌鲁木齐市安宁渠镇东戈壁村。拟建建筑物建筑面积802.6，为地上27层，地下1层。该建筑物结构形式采用剪力墙结构，基础形式采用筏板基础，基础埋深-6.90m，±0.00标高580.95m。因场地地基土承载力不能满足设计要求，需进行地基处理。主楼为框架剪力墙结构，其基础采用筏板基础，单层地下室部分采用平板筏板基础。抗震设防烈度为8度，建筑场地类别为Ⅱ类。
主楼基础下设计CFG桩复合地基。采用直径800mm的混凝土碎石桩，混合料强度等级为C25，有效桩长为5.0m，桩端持力层落在第③层圆砾上，采用正方形布桩，桩间距为2.7m，要求处理后的复合地基承载力特征值fak≥400kN。工程桩总数为162根。成桩的施工工艺为旋挖钻孔灌注成桩。CFG桩复合地基平面布置如图1。
1、单桩竖向承载力特征值计算
式中：up为桩周长；Ap为桩端部面积；ap为桩端端阻力发挥系数，取值1.0；qsi为桩周第i层土侧阻力特征值，根据勘察报告为②-4砾砂层取值40kPa；qpa为桩端端阻力特征值，根据勘察报告为③层圆砾层取值2000kPa；Ra为单桩竖向承载力特征值（kN）。
Ra=1.0×0.4×0.4×3.14×2000+0.8×3.14×40×5=1507.2kN(满足要求)
2、面积置换率计算
式中：d为桩身平均直径（m）；de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（m）.
de=1.13s=1.13×2.7=3.051
m=0.82/3.0512=0.0688
CFG桩复合地基承载力特征值计算
式中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；λ为单桩承载力发挥系数，按经验取值1；β为桩间土承载力发挥系数，按经验取值0.95；Ap为桩的截面积（m2）；m为面积置换率(0.0688)；fsk为处理后桩间土承载力特征值，取值250（kPa）。
fspk=1.0×0.0688×1507.2/（0.4×0.4×3.14）+0.95×（1-0.0668）×250=427.6kN(满足要求)
四、设计应用中需注意的问题
根据在采用CFG桩进行设计并实际应用时，碰到的一些问题，笔者认为有以下事项需要注意：
1)为使CFG桩桩身强度能够充分利用，设计的时候应该尽可能的让桩端坐落在好的土层上，以防设计为悬浮桩；
2)在沉降计算的时候，还应对周边荷载的影响及其相邻建筑物之间的沉降差进行考虑；
3)在设计桩长的时候应对机械设备及施工条件考虑，以当前的设备条件，桩长最好控制在30m以内，超过30m则需要考虑将基础处理方式改变；
4)在设计过程中，必须要选择合适的施工工艺，现阶段常见的CFG桩施工工艺有振动沉管和长螺旋钻泵送混凝土两种。振动沉管适用于松散土质，施工时对土体扰动比较大；长螺旋钻泵送混凝土适用于有承压水的施工场地，对土体扰动较小。
五、施工质量要求及注意事项
1、桩垂直度偏差
2、施工时，视土质情况可按顺序或间隔跳打成孔。
3、桩间土清理需在CFG柱体达到7d强度后由人工清理，清土时需保证基底。
4、褥垫层厚度为40cm，摊铺要均匀，铺满后振密实。
5、坍落度根据采用的施工方法按工艺试验确定。
6、当机械成孔时间较长时应在泡凝土中加入缓凝剂。
7、混凝土拌制工艺及要求:a.砂率控制在40%~50%。b.和易性:为避免施工堵管，CFG的和易性要稍微好点。C.同时为避免堵管和防止流动性太大，压灌柱所使用的CFG ―般以使用中、粗砂为宜。d.确定合适的配合比，同时注意机械的斗门等位置的状态，保持排气阀的通畅。
因为CFG桩施工是隐蔽工程，重复操作性很难，代价比较高，外加其施工过程中不可预见因素多，所以施工过程中要认真仔细保护CFG桩。同时CFG柱复合地基作为建筑物的基层，是建筑物稳定的基础，所以同时也要做好CFG桩施工后的检验工作，只有检测合格后才能迸入下一步工序，否则要进行补打直至合格。施工质量检验主要包括桩位、桩径、柱身完整度、桩长、复合地基静载试验、CFG桩桩体试块抗压强度试验、低应变动力试验等。同时在施工过程中应做好每个柱的详细施工记录。
CFG桩复合地基施工结束后34周，应按要求进行相应技术指标的检测，相关指标符合要求后，可视为合格工程；若不合格必须进行补打或者修整直至合格，方可进行下一工序作业。表中单桩承载力检测数量为桩基根数的0.5%，披身完整性检测数量为桩基根数的3%。
五、对后续工作提几点建议
1、CFG桩复合地基从地基勘察、设计、施工、监控都是一个完整的体系，每一个步骤都是紧密相连的，所以说不仅设计人员要认识CFG桩复合地基，同时施工人员也要认识CFG桩复合地基，只有全面的了解CFG桩复合地基才能做出好的工程，这样在施工过程中的成功率才会高。
2、CFG桩复合地基的施工工艺以及设计方法都需要考虑实际情况，及时更新改进，比如重要的工程必要时可考虑在最容易断桩的位置是桩顶2~3m以内适当增加部分桩顶配筋。
3、关于CFG桩复合地基修正沉降计算公式参数的取值还需要在总结工后变形基础上进行研究分析。
结语
CFG桩复合地基具有工期短、造价低、处理灵活等优点，经处理后的复合地基不改变建筑场地类别。适用于处理粘性土、粉土、砂土和自重固结已完成的素填土地基，经过多年的应用检验，该技术已经日趋成熟。但由于受到科技发展的限制，如施工机械及施工工艺，其处理深度及处理的基础类型尚受到一定程度的限制，有待进步和完善。
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