CFG桩复合地基综述.docx

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CFG桩复合地基综述

CFG桩复合地基综述

张曼

摘要：

现如今，CFG桩复合地基在较高建筑以及工业厂房等工程的地基处理中应用广泛，已经取得了很明显的经济效益，但是和它相关的理论及设计方法还并不完善。

所以，进行CFG桩复合地基设计计算和机理等相关问题的分析就具有了很重要的意义。

依据CFG桩复合地基当下的研究状况，本文主要在以下两个方面进行了综述分析：

首先，对复合地基的沉降和承载力以及其他的参数进行了探讨；然后，总结分析了桩、褥垫层以及桩间土的作用机理。

关键词：

CFG桩；复合地基；作用机理；参数设计

1绪论

1.1CFG桩复合地基概述

复合地基法是在天然的软弱地基中设置一定置换率的增强体，使桩与桩间土共同承担外部荷载的方法，主要有水泥土桩复合地基、碎石桩复合地基、CFG桩复合地基等[1-2]。

通过对几种复合地基法的比较发现，CFG桩复合地基的工程费用一般比桩基少1/2~1/3，这主要是由于CFG桩桩体材料中掺入了比水泥价格低很多的工业废料粉煤灰，而且桩体中不用配筋就能发挥桩与桩间土的承载能力。

近年来，CFG桩复合地基的使用已从建筑业推广到高速铁路行业，大量的工程实践证明，采用桩CFG复合地基能够大量节约成本，加快工程进度[3-5]。

然而，CFG桩复合地基的理论却远落后于工程实践，进行CFG桩复合地基理论研究，用理论指导、检验工程实践迫在眉睫。

CFG是Cement（水泥）、Fly-ash（粉煤灰）、Gravel（碎石）的缩写，CFG桩的全称是水泥粉煤灰碎石桩，它的桩体强度一般为C10－C30，桩体材料由水、粉煤灰掺适量水泥、碎石和砂石组成。

在CFG桩中加入水泥和工业废料粉煤灰两种胶结材料，从而使桩体获得很高的胶结强度，CFG桩在不配筋的情况下仍呈现出刚性桩的特点[6-7]。

1.2CFG桩发展状况

复合地基的概念是在20世纪60年代提出，之后迅速得到发展。

在这五十多年众多学者的研究下，复合地基理论的发展进程十分迅速。

引入了桩体—土相互作用，通过两者的相互作用将材料的潜力得以充分发挥。

但是由于材料性能的离散性，使复合地基的受力机理变得十分复杂，其应力应变需要更深入的研究[8-10]。

刚性桩复合地基的设计思想是由黄熙龄院士（中国建筑科学研究院）首先提出，建设部“七五”计划的课题之一就有CFG桩复合地基的试验研究。

中国建筑科学研究院于1988年对CFG桩复合地基的试验研究进行立项，于1992年对该实验成果进行部级鉴定。

可以说碎石桩复合地基是CFG桩复合地基设计的基础和依据，为了减小沉降并将复合地基的承载力大幅提高，将水泥、粉煤灰以及石屑掺入碎石桩中形成了具有较高粘结强度的CFG桩，因而可以看出性状具备刚性桩的特征。

桩体在垂直荷载的作用下只会产生较小的压缩变形，桩端阻力和桩侧摩阻力将荷载向下传递，因此承载力有较大幅度的提升。

为使得桩间土和桩体达到共同作用的目的，将具有一定厚度的褥垫层铺设于桩的顶部，对于桩顶向上刺入具备一定的优势，CFG桩复合地基由桩间土、桩体以及褥垫层共同构成。

2CFG桩设计计算

2.1CFG桩承载力设计计算[11-14]

对于复合地基，桩和桩间土一起参与荷载的承担工作，其承载力公式为下式

2.2CFG桩沉降量计算

一般情况CFG桩复合地基沉降由三部分组成。

加固深度范围内土的压缩变形s1；下卧层变形s2；褥垫层变形s3。

（数量很小可以忽略不计）其计算公式如下[15-22]：

2.3设计参数的确定[23-26]

2.3.1桩长L

根据工程地质条件，初步确定CFG桩的桩长。

桩端最好落在较好的土层上，以较好地发挥CFG桩的端承力作用，以进入较好土层1.0m左右为宜。

设计时根据《工程地质勘察报告》分析各土层，确定桩端持力土层和桩长并计算单桩承载力。

2.3.2桩径d

一般设计桩径d=350mm~600mm，可用振动沉管的打桩机或其他成桩设备制桩。

通过优化设计程序按d由350mm~600mm循环取值可计算出最优化桩距。

2.3.3桩距S

桩间距S通常的根据面积置换率m确定的，可取桩间距s=（3-5）d，但设计所要求的复合地基承载力和所采用的施工机具及土性、变形同样影响着桩距的取值。

若设计要求的承载力较大时，在考虑到施工时相邻桩之间影响的基础上桩距取小值，故桩距的大小应综合考虑

2.3.4褥垫层厚度

褥垫层的厚度会对荷载的垂直分布产生影响，通常褥垫层越薄桩承担的荷载越高，反之亦然。

褥垫层的厚度一般取150mm-300mm为宜，当桩间距和桩径过大时，需结合对土层性质的考虑可将褥垫层厚度适当加大。

褥垫层的材料可采用中砂、碎石、粗砂、级配砂石（最大粒径不大于20mm）。

2.4布桩原则及需要注意的问题

CFG桩复合地基布桩可布置为三角形、梅花形以及矩形等各种形状，主要是根据建筑物的荷载分布情况，灵活调整桩间距及布置情况，尽量使桩基础受力合理。

此外，边桩应与基础边缘保留一定间距。

由于复合地基与基础连接不是刚性，桩布置离基础边缘太近的话，桩顶褥垫层约束小，容易侧向挤出，不利于桩发挥作用，为充分利用桩身性能，一般来说基础边缘到边桩的中心距不宜小于一个桩径。

3CFG桩作用机理[27-30]

3.1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。

3.2垫层作用

3.2.1保证桩土共同作用

复合地基设计的一个基本思想是桩土共同承担荷载，这也是复合地基与桩基础的一个根本区别。

而桩土共同作用的条件是桩身的压缩量、桩顶刺入量、桩端的刺入量之和等于桩间土的压缩量与褥垫层压缩量之和，即满足变形协调条件。

合理设置褥垫层，使桩端除了可以向下刺入外，也可向上刺入，通过软垫材料的流动补偿，使桩间土与基础始终保持接触，从而达到桩土共同作用的目的。

3.2.2减少基础底面应力集中

由于CFG桩具有刚性桩特点，在未设置褥垫层时，桩顶对基础底面产生集中应力，不利影响有二：

一是当桩体的刚度足够高时，桩顶可能对基础产生冲剪破坏，因而，在进行基础设计时，需按照桩基设计要求对基础进行抗冲剪强度验算，增加基础厚度和配筋；二是当桩体的刚度不足时，可能导致桩头破碎。

若设置了褥垫层，则减少了应力集中。

3.2.3调整桩土竖向荷载分担

综合上述协调变形与挤密效应，桩体对桩间土的围压作用增强了桩间土的承载能力，一般情况下，褥垫层越薄，CFG桩承担的荷载比越大，反之越低。

3.2.4调整桩土水平荷载分担

由于褥垫层的设置，桩体与基础没有进行直接连接，基础受受水平荷载作用力则由基础底面土抗力、侧面摩阻力及基底摩阻力平衡，使得基础水平荷载传到桩体的水平荷载减少。

一般认为：

褥垫层越厚，土分担的水平荷载占总荷载的比例越大，桩分担的荷载占总荷载的比例越小，反之亦然。

3.2.5调节地基变形

由于褥垫层厚度的不同，可以影响桩土荷载的分担，根据这一原理，在CFG桩复合地基的应用中，可以通过调整褥垫层厚度，影响地基的不均匀性，使复合地基达到协调变形的目的。

3.3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。

3.4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。

4结论与展望

4.1结论[31-32]

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、设计参数等重要内容。

通过分析得出以下结论：

①CFG桩复合地基属于地基加固范畴，是由桩、桩间土和褥垫层三大要素组成的复合地基。

②CFG桩复合地基具有提高承载力大、地基变形小等特点。

③褥垫层技术是CFG桩复合地基的核心技术。

选择合适的褥垫层材料，设置合理的褥垫层厚度对于CFG桩复合地基的使用效果具有重大意义。

4.2展望

目前，复合地基技术仍然是岩土工程界的一个重要研究课题，其相关理论还不够完善，所以开展复合地基的理论研究工作无疑具有重要的工程应用价值。

鉴于自身知识水平和时间方面的原因，本文有很多未涉及到或者虽涉及到但研究分析不够透彻深入尚需继续完善的地方。

作者提出以下建议供参考：

①CFG复合地基目前的沉降实测数据仍然不足，今后需要继续收集和充实实测资料，进一步补充和完善该研究成果。

②由于技术所限，参数的取值也受到限制，可研究更好的试验分析方法，以提高参数取值的精确性，进而有效地提高沉降计算精度。

③在实际工程中，应根据施工设备、地质构成等实际情况，分别对CFG桩复合地基的桩长和桩间距两种影响因素进行验算，得出两种因素各自对复合地基沉降量的合理影响区间，在满足经济性与安全性的条件下进行CFG桩的有效设计。

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