CFG桩复合地基原理及其应用
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摘要：
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应用，特别是水泥粉煤灰碎石桩（cfg桩）复合地基，是近些年来出现的一种地基加固技术。因其费用低、施工方便、承载力高和适应性强等优点而得到广泛的推广和应用。CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘结强度桩，与桩间土、垫层一起形成形成复合地基。
关键词：CFG桩地基工程技术
中图分类号：TU441文献标识码： A
1CFG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桩、桩周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周土，使二者共同受力，同时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、褥垫层和桩周土的作用机理进行分析讨论：
1.1 CFG桩的作用
1)置换作用
复合地基置换作用的大小主要取决于桩体材料的组成，高粘结强度桩置换作用较大，加大桩长可是复合地基置换作用明显提高。CFG桩复合地基就桩体和桩间土的材料特性而言，原天然土的泊松比较CFG桩大，而桩体强度和弹性模量远远大于桩间土，CFG桩承担的荷载远大于桩间土，可见CFG桩置换是复合地基承载力得到提高的主要原因之一。
2)挤密作用
CFG桩采用振动沉管法施工，由于振动和挤压作用使桩间土得到挤密。经加固后地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所减小；重度、压缩模量均有所增加，说明经加固后桩间土已挤密。
3)排水作用
CFG桩复合地基在成桩初期，在地基中就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。
4)对桩周土的约束作用
在无侧向约束的土体，受荷后其侧向变形比有侧向约束的大，从而使垂直应力集中，由于CFG桩对桩周土体侧向变形的限制，使侧向变形减小，相应地也减小了垂直变形。
1.2 褥垫层的作用
由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫层，在复合地基中有如下几种作用：
1) 保证桩、同承担荷载。褥垫层的设置为CFG桩复合地基在受荷后提供了桩上、下刺入的条件，即使桩端落在好土层上，至少可以提供上刺入条件，以保证桩间土始终参与工作。
2) 减小基础底面的应力集中。当褥垫层厚度等于零时，桩对基础的应力集中很显著，和桩基础一样，需要考虑桩对基础的冲切破坏。当其厚度大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。一般地，当褥垫层厚度大于10cm时，桩对基础底面产生的应力集中已显著降低；当厚度为30cm时，应力集中已很小。所以褥垫层厚度取10－30cm为宜。
3) 调整竖向荷载在桩、土的分担。CFG桩复合地基中桩、土荷载分担，可用桩、土应力比n表示，也可用桩、土荷载分担比表示。当褥垫层厚度等于零时，桩土应力比很大。在软土中，桩土应力比n可以超过100，桩分担的荷载相当大。当褥垫层厚度很大时，桩土应力比接近1，此时桩的荷载分担比很小。通过改变褥垫层的厚度，可以调整和改善竖向荷载在桩、土的分担比例。
4)调整水平荷载在桩、土的分担。试验表明，褥垫层厚度越大，桩顶水平位移越小，即桩顶承受的水平荷载越小。大量实践表明，褥垫层厚度不小于10cm时，桩体不会发生水平折断，桩在复合地基中不会失去工作能力。
1.3 桩周土的作用
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，有试验表明：桩顶荷载相同时，复合地基中单桩的沉降量要大于自由单桩。其原因是：桩间土所承担的荷载使桩间土产生沉降，而桩的端阻和侧摩阻都需依靠桩和土的相对位移来共同承担，桩间土的沉降加大了复合地基桩的沉降量；复合地基由于桩间土承受荷，产正向压力，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。
2CFG桩复合地基在工程中的应用
2.1 工程概况
该拟建建筑场地位于河南新乡市获嘉县开发区新获公路南侧，场地较平坦，拟建的造纸车间为两层框架结构，长约170m，宽约27m。工程在勘查深度范围内根据土层的物理力学特征共划分8地质单层，其岩性特征见表1。
2.2 方案选择
由表1可知，天然地基持力层和下卧层不满足设计要求，需采用桩基或进行地基处理。根据场地岩土工程地质特性和本工程特征，基底下为中压缩性、硬塑的粉质粘土，低压缩性、密实砂层的层顶深度较浅，故沉管桩、预制桩和静压预应力管桩沉桩困难，不能采用，而钻孔灌注桩和CFG桩复合地基则是适宜的可选人工地基。钻孔灌注桩，第⑦单元层为相对理想的桩端持力层；CFG桩，第⑥，⑦单元层为相对理想的桩端持力层。经技术和经济分析对比，结合本地区的工程实践经验，决定采用CFG桩复合地基进行地基加固处理。
2.3 CFG桩复合地基设计
1) 桩长。根据岩土工程勘察报告，选取第⑦层细砂层为持力层，进入持力层应不小于1米，CFG桩有效桩长14.0m。
2) 桩径。桩径取决于施工选用的成桩工艺。本工程CFG桩采用采用长螺旋钻孔,管内泵压混合料灌注成桩工艺，桩径宜取0.35-0.60m。桩径过小，施工质量不容易控制，桩径过大，需加大褥垫层厚度才能保证桩同承担上部结构传来的荷载。根据本地区工程施工经验，确定桩径为0.5m。
3) 桩距。桩距应根据基础形式、设计要求的复合地基承载力和复合地基变形、土性、施工工艺确定，独立基础，桩距宜取3-5倍桩径。本工程采用矩形和三角形布桩，桩间距为1.5m-1.8m。
4) 褥垫层。褥垫层厚度宜取0.4-0.6倍桩径。褥垫材料宜选用中砂、粗砂、级配砂石和碎石，最大粒径不宜大于30mm。本工程褥垫层厚度取30cm, 褥垫层铺设应采用静力压实法，夯实度（夯实后的褥垫层厚度与虚铺厚度的比值）不得大于0.9。
5) 桩体设计强度。桩体试块抗压强度平均值不小于3倍桩顶应力，即fcu≥3Ra/Ap。
6) CFG桩复合地基承载力特征值和单桩竖向承载力特征值应按JGJ79-2012建筑地基处理技术规范中7.1.5、7.1.6条规定确定，经计算分别为230kpa和500kpa。
2.4 CFG桩复合地基检测
1) 复合地基静载荷试验
本次工程5点复合地基载荷试验最大加载压力为464kPa，均分为8级，最大沉降量10.72mm。5点复合地基承载力特征值其极差不超过平均值的30%，取其平均值232kPa为本工程复合地基承载力特征值，满足设计要求。
2) 单桩竖向抗压载荷试验
本次试验最大加载量为1000kN，分10级，第一级取分级荷载的2倍，最大沉降量11.26mm。根据5点单桩静载荷试验结果，本工程单桩承载力特征值为500kN。
3) 低应变法检验桩身完整性
本工程抽检630根。I类桩600根，II类桩30根，无发现III类桩、IV类桩。抽检桩数大于总桩数的20%。
3结语
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。通过工程实例的分析，CFG桩通过改变桩长、桩径、桩距等设计参数可使承载力在较大范围内调整，沉降量小，变形稳定快，操作方便，工艺性好，成桩速度快，和桩基相比，可以明显节约工程造价，因此是值得推广的一种好方法。
参考文献：
[1] 阎明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京:中国水力水电出版社
[2] 叶书麟.地基处理工程实例应用手册[M].北京:中国建筑工业出版社
[3] 李少和,易发成.CFG 桩复合地基的基本原理及工程应用[J].矿业快报