浅析CFG桩复合地基设计及应用

摘要：简要分析CFG桩复合地基的加固机理，褥垫层技术，承载力和变形计算，主要参数选取，各种基础主要布置原则，CFG桩复合地基施工工艺及检测要求。

关键词： CFG桩复合地基，承载力，褥垫层技术，施工检测

概述

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥，粉煤灰，碎石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成的复合地基，属地基范畴。已在很多地区广泛应用，且多层和高层建筑地基处理均可采用CFG桩加固技术，施工速度快，工期短，质量容易控制，工程造价一般为桩基的1/3-1/2，经济效益和社会效益较显著。

CFG桩加固机理

CFG桩是由原土和增强体共同承担由基础传来的建筑荷载。充分发挥CFG桩的承载特征，可全桩长发挥侧阻，桩端落在好的土层时可很好的发挥端阻；在复合地基增强体系列（如碎石桩，石灰桩，水泥土桩）中它的置换作用最强；又通过褥垫层将水平荷载传递到桩间土。

褥垫层技术

褥垫层（相当于沙发床垫）是复合地基的重要组成部分，是高粘结强度桩形成复合地基的必要条件；褥垫层的作用：①保证桩同承担荷载；②调整桩土荷载分担比；③减小基础底面的应力集中；④调整桩土水平荷载分担；

4、承载力计算

4.1设计依据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）（简称地基规范）、《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）（简称地基处理规范）4.2复合地基承载力计算分为设计阶段和竣工验收阶段。

设计阶段：

在轴心荷载作用下 Pk≤fa,(地基规范的公式5.2.5)

当承受偏心荷载作用时尚应满足Pmax≤1.2fa

fa-修正后复合地基承载力特征值（kpa）；

在复合地基设计时，基础宽度的地基承载力修正系数取零，基础深度的地基承载力修正系数取1（地基处理规范的3.0.4条）；因此 fa=fspk+rm(d-0.5)

fspk-复合地基承载力特征值（kpa），

地基处理规范规定，复合地基承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定。初步设计时可按下列公式估算

fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk（地基处理规范的公式9.2.5）；

Ra=up∑qsili+qpAp（地基处理规范的公式9.2.6）

上述式中其他各量均同地基处理规范9.2.5条,公式也可表示成fspk=[1+m(n-1)]αβfak

其中n-桩土应力比, n=σp/σs；m-面积置换率（平均面积置换率）,m=Ap/A1(m=nAp/A)；α-桩间土强度提高系数，α=fsk/fak；

fsk为加固后桩间土承载力标准值，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fak；

竣工阶段：

在复合地基设计阶段，确定复合地基设计参数时，采用公式估算，实际受很多因素影响，因此，地基处理规范用强制性条文规定，复合地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验。

5、变形计算

CFG桩复合地基必须进行变形验算。地基变形分为两部分，加固区的变形量S1和下卧层的变形量S2，工程中，应用较多且计算结果与实际符合较好的变形计算方法是复合模量法，计算时复合土层分层与天然地基相同，复合土层的模量等于该层天然地基模量的ξ倍，即ξ=fspk/fak,采用复合模量来评价其压缩性，用分层综合法来计算其压缩模量。

6、计算主要参数的合理选取

CFG桩复合地基设计除满足复合地基承载力和变形条件外，还应考虑施工设备和施工工艺、场地土质变化、场地周围环境、建筑物结构布置及荷载传递，地基处理目的等诸多因素进行综合分析，确定设计参数。CFG桩复合地基设计主要确定5个参数，分别为桩长，桩径，桩间距，桩体强度，褥垫层厚度和材料；

①桩长L，CFG桩复合地基设计的一个重要原则是桩端落到好土层，因此桩长是CFG桩复合地基设计时首先要确定的参数，它取决于建筑物对承载力和变形的要求，土质条件和设备能力等因素，设计时应根据勘察报告，分析各土层，确定桩端持力土层和桩长；

②桩径d： CFG桩桩径的确定取决于采用的成桩设备及施工工艺，一般设计桩径为350-600mm,多采用400mm;

③桩间径s：一般桩间距s=(3-5)d,桩间距的大小取决于设计要求的复合地基的承载力和变形，土性与施工机具，一般设计要求的承载力大时s取小值，但必须注意考虑施工时相邻桩之间的影响，从桩土作用的发挥考虑，通常1400，1500，1600是最佳间距。

④ 桩体强度fcu： 桩体试块抗压强度应满足公式： fcu≥3Ra/Ap

fcu――桩体混合料试块（边长150mm立方体）标准养护28d立方体抗压强度平均值（kpa）;

Ra――单桩竖向承载力特征值（KN）；

Ap――桩的截面积（M2）；

⑤ 褥垫层厚度及材料：

褥垫层厚度一般取10-30cm为宜，通常取1/2桩径，褥垫层可用粗砂、中砂、碎石、级配砂石（最大粒径不大于20mm）；静载试验褥垫厚度应取150mm,试验表明，褥垫厚度与桩，土荷载分担密切相关，褥垫越厚，土承担的荷载越多，桩承担的荷载越少，反之亦然。

7、布桩

7.1要点：大桩长、大桩径、桩端落至好土层

7.2主要优点：①疏长桩优于短密桩；②桩数少，保护桩长，浪费的材料少；③施工效率高；④变形小；⑤新打桩对已打桩不良影响小。

7.3布桩原则：

①除采用碎石桩和振动沉管CFG桩处理可液化地基，需在基础外打设一定数量的碎石桩外，一般只在基础范围内布桩；②按反力分布及变形特性调整布桩密度和长度。

不同基础形式下的CFG桩复合地基设计

8.1条形基础：①传统方法：由力确定基础尺寸；②新方法：先确定桩距，然后确定桩数和基础宽度，验算复合地基承载力。原则：1）尽量不调桩距，桩数，而是调整基础宽度；2）CFG桩最好单排布桩，复合地基承载力高，基础宽度尽量小；3）基础边缘到桩边的最小距离不宜小于75mm.

8.2 独立基础：方法同条基；主要原则是：确定桩数调面积；要点：①用等效正方形偏于安全；②桩端持力层较深，桩数长，单桩承载力较高时，应选用高承载力，小尺寸基础；③基础边缘到桩中心距一般为一个桩径或基础边缘到桩边的最小距离不宜小于150mm,

8.3梁筏（板）基础：在满足基础规范柱距及跨度等要求的情况下，根据基底反力分布三种情况。①筏板高跨比>1/6，厚跨比>1/6时应力线形分布，桩可均匀满布；②厚跨比

8.4框筒基础：①应注意核心筒下一倍板厚范围内复合地基承载力不再做深度修正（Pk≤fspk）；②核心筒距框架净距L，当2.5δ

9、CFG桩复合地基设计所需的资料

9.1岩土工程勘察报告；

9.2总平面图，相关的建筑，基础平面图和剖面图；±0.00相对的标高；基底标高；电梯井及集水坑底标高；基础外轮廓线；墙、柱、梁的位置；柱距、板厚、梁高；有裙房应标明主楼和裙房（车库）的相关关系（有后浇带应标明其位置）以及裙房的基础形式和几何尺寸。

9.3建筑物荷载

A、基底压力满足荷载线形分布条件时：

相应于荷载效应标准组合时基础底面处的平均压力值和基础底面边缘处的最大压力（用于承载力验算）；

相应于荷载效应准永久组合时基础底面处的平均压力值（用于变形验算）；

当主楼周围有裙房（或车库）时，还应提供裙房（或车库）基底压力标准值，以便考虑能否以及怎样对主楼地基承载力进行修正；

当需作抗冲切验算时，尚需提供荷载设计值。

B、基底压力不满足荷载线形分布条件时，应分别提供每个柱荷载（若为框筒结构，提供核心筒荷载标准值和设计值）。

9.4设计要求的复合地基承载力和变形。对按变形控制设计的复合地基，按满足荷载对承载力的要求和按满足变形限值两者中的大值提承载力要求；

CFG桩施工工艺主要有：

10.1长螺旋钻干成孔灌注成桩：适用于地下水位的粘性土，粉土，素填土，中等密实以上的砂土，提钻不塌孔的土层条件；

10.2长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注桩（排土成桩）：适用于粘性土，粉土，砂土，粒径不大于60mm,厚度不大于5m的卵石层（卵石含量不大于10%）以及对噪音和泥浆污染要求高的场地.；

10.3振动沉管灌注成桩（挤土成桩）：适用于粘性土，粉土，素填土，对夹有较厚卵石，砂或空隙比小，液性指数较低的粉土层，无其他有效的辅助措施时不宜采用，软土地基应通过现场试验确定其适用性；

10.4泥浆护壁钻孔灌注成桩：对有较厚卵石，砂和空隙比小，液性指数低的粘性土以及饱和软土，桩端具有水头很高的承压水或对噪声，污染产生不良影响要求严格场地不宜采用。

11、CFG桩施工经常出现的事故有断桩，窜孔，离析，缩颈； CFG桩复合地基检测，CFG桩施工完毕，一般28天后对CFG桩和CFG桩复合地基进行检测，检测包括低应变对桩身质量的检测和静载荷试验对承载力的检测，亦可采用单桩载荷试验，通过计算评价复合地基承载力。应注意①P-S曲线S/B及P2/2的荷载值两限取小值，②做复合地基试验的桩试验前必须对桩做低应变检测，发现是否断桩。

CFG桩实际应用：淄博地区CFG桩复合地基多在临淄地区使用，张店等地区钻孔较困难，无工程采用；临淄地区为I级非自重湿陷性黄土，位置一般在第2、3层；高层建筑：如某研发中心，24层，框架-剪力墙结构，采用CFG桩，以第7层粘土为桩端持力层，成桩工艺为长螺旋钻孔管内泵压混凝土灌注成桩，桩径φ500，桩长22米，褥垫层300厚碎石，复合地基承载力设计要求不小于400Kpa,桩间距2000左右，满堂均布；小高层建筑，一般以第4层为桩端持力层，桩径φ400，桩长12米左右，地基承载力不小于180 Kpa，成桩工艺为长螺旋钻孔管内泵压混凝土灌注成桩。

结论：地基处理选用CFG桩复合地基应慎重，应结合其CFG桩特性、地质情况及工程要求等综合考虑；CFG桩复合地基提高地基承载力比较明显，对湿陷性黄土地区消除湿陷性需结合施工工艺，采用多桩型复合地基；先用灰土（或夯实水泥土）桩消除湿陷性，再做CFG桩复合地基方法理论上可行，但实际施工难度较大，部分工程结合强夯处理再采用CFG桩地基处理做法。

参考文献

GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》〔S〕

JGJ79-2002《建筑地基处理技术规范》〔S〕

阎明礼著 《CFG桩复合地基技术及工程实践》〔J〕