CFG桩复合地基在工程实践中的应用.docx
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CFG桩复合地基在工程实践中的应用
CFG桩复合地基在工程实践中的应用
摘要：
CFG桩复合地基是北方地区目前大量用于高层和超高层建筑地基的加固的主要技术措施之一，本文通过工程实例介绍了CFG桩复合地基加固的设计原理、施工工艺，通过对检测结果的数理统计，分析了复合地基加固的效果。
关键词：
CFG桩、复合地基、褥垫层
1、前言
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称（即CementFIying-ashGravelpile），就是长螺旋钻孔灌注桩。
CFG桩复合地基80年代多用于多层建筑处理，近2-3年，该技术已在北方地区的高层建筑地基处理中应用，仅北京地区已有近300余栋高层建筑地基处理采用了CFG桩加固技术，其中绝大多数为20-30层，31-35层的超高层建筑有15幢，由于该技术具有施工速度快、工期短、质量容易控、工程造价低廉等特点，目前已成为本市及周边地区应用最普遍的地基处理技术之一。
春丽公寓工程是由建工集股份有限公司总承包的高层住宅楼，其地基加固即采用了CFG桩复合地基加固技术。
2、工程概况
春丽公寓工程位于经济开发区劳动路45号，由A、B、C座及A座裙房组成，总建筑面积58188.79平方米。
A座为地下2层、地上30层塔式公寓楼，总建筑高度88.97米；B座为地下2层地上28层单元式公寓楼，总建筑高度83.77米；C座为连接A、B座的地下2层车库；A座裙房为2层商业用房。
该工程由房地产开发有限公司开发建设，由市建筑设计院设计。
A、B座为剪力墙结构，基础为1200mm厚梁筏基础，正负零相当于绝对标高为20.1米，室外地坪标高－0.45米，基础埋深为9.90米。
地质条件见下表：
编号
土层名
厚度（m）
层底相对标高（m）
承载力标准值（kpa）
主要参数
γ
Φ
С
1
杂填土
0.90－2.10
-1.26－-2.93
—
2
粘土
2.30－5.00
-4.01－-6.85
130
19.5
21.6
10.4
3
粉质粘土
1.10－3.50
-7.51－-8.69
120
21
12.3
14.8
4
粘土
0.40－1.10
-8.46－-9.27
150
19.5
19.3
9.9
5
粉质粘土
1.00－2.90
-9.91－-12.17
160
21
18.2
14.1
6
中砂
1.50－3.80
-12.71－-14.48
250
19
35
0
7
粉土
4.30－6.20
-20.28－-22.41
160
20
24
5
8
粉质粘土
10.40－13.10
-29.36－-31.35
170
22
19.1
15
9
粉土
1.00－3.20
-30.51―-33.42
180
10
粉质粘土
6.50－8.80
-39.36－-40.53
180
11
粉土
0.8－2.4
-41.12－-41.79
180
12
粉质粘土
未钻透
240
由于A、B座天然地基无法满足沉降及承载力要求，因此必须进行地基处理加固持力层。
根据地质报告和设计要求，采用CFG桩进行加固，要求处理后的地基承载力A座fspk≥420kpa；B座fspk≥410kpa。
设计CFG桩桩长为12.2米，有效桩长为12米，桩径400mm。
桩身材料为C20商品混凝土，A座设计桩数为626颗，置换率为7.3％；B座设计桩数为566颗，置换率6.7％。
3、CFG桩基本原理
CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度素混凝土桩，由CFG桩和桩间士、褥垫层一起形成复合地基。
CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。
由于桩体的强度和弹性模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间士表面应力大。
桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。
这样，既能发挥CFG桩高承载力和良好的排水作用的特点，又因CFG桩的插入而使原地基土体的侧限约束得到增强，使地基土的变形能力可得到有效的改善。
再加上CFG桩不配钢筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价。
复合地基设计中，基础与桩和桩间土之间设置一定厚度散体粒状材料组成的褥垫层，是复合地基的一个核心技术。
基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。
若不设置褥垫层，复合地基承载特性与桩基础相似，桩间土承载能力难以发挥，不能成为复合地基。
基础下设置褥垫层，桩间土载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使桩端落在好土层上，也能保证荷载通过褥垫层作用到桩间土上，使桩土共同承担荷载。
本工程褥垫层设计采用粒径为1～2cm的碎石，厚度为200厚。
4、CFG桩施工工艺
4.1主要施工机械：
序号
设备名称
规格
数量
产地
制造年份
额定功率（kw）
生产能力
用于施工部位
1
CFG桩机
K15
1
新河
2005
120
60根/天
成桩
2
砼泵
HBT-40
1
青岛
2005
200
40m3/h
灌注
钻机如右图，钻杆为可接长，每根长度为4米，最大钻孔深度25米，钻孔直径400mm。
4.2施工顺序：
放线定桩位——钻机就位——钻孔至设计标高——泵送砼——钻杆按规定速度边泵送边提拔钻杆至地表——钻机移至下一根桩进行施工——清理淤泥——凿桩
4.3施工方法：
本工程CFG桩采用长螺杆钻孔、管内泵压砼成桩施工。
用砼自重和泵送的压力使桩身密实。
钻孔时钻杆顺时针转动将桩径范围内的土钻出，随土质情况有快有慢。
由于浇筑混凝土时是通过钻杆本身的中空部分作为混凝土泵送管道，不必将钻杆取出，而是一边泵送混凝土一边提高钻杆，所以不必采用泥浆护壁，也能保证桩的直径满足设计要求，而且不给现场文明施工造成影响。
采用K15型钻机每台钻机每天能完成60根左右的桩，施工速度较采用其他类型的桩机要快且施工简易。
桩身采用商品砼，坍落度宜控制在180—200mm，通过泵管与钻机相连，待钻到设计标高厚，泵送砼。
钻杆管内砼泵送量应与拔管速度相配合，保证管内有一定高度的砼。
遇到饱和砂土或饱和粉土层，不得停泵待料。
成桩过程中，抽样做试块，每机每天应至少做一组标养试块，测定其抗压强度。
施工中允许偏差：
桩长允许偏差为100mm，桩径允许偏差为20mm，垂直度允许偏差为1%，满堂布桩基础桩位允许偏差为桩径的一半。
试验要求：
复合地基承载力宜用单桩或多桩复合地基荷载试验确定，试验数量不应少于3个试验点；检验桩身结构完整性可抽取总桩数的10%进行低应变动力检测。
4.2影响CFG桩质量的关键因素
在施工过程控制中时，影响整个复合地基的承载力的关键因素如下；
1）桩的直径、位置、长度和标高必须满足设计和规范要求；
2）提钻时必须掌握好时机，决不能先提钻再泵送砼。
如果先提钻，很容易导致桩端承受在一段虚土上，使CFG桩承载力达不到设计要求，所以先提钻再泵送砼是绝对禁止的。
但是为了使砼能很容易的送到孔底，现已将侧开式钻头改进为下开式钻头，基本解决了这一问题。
3）在成桩后，桩顶浮浆高度不宜超过20厘米，这样可以避免在清理打桩置换出来的淤土时造成较多的桩浅层断裂，造成质量事故。
4）在成桩7天或砼强度达到75％以上后，使用小型机械清理淤土。
桩全部施工完毕后，用小型挖掘机按照设计标高以上20厘米控制挖除淤土，同时用人工清除设计标高以上的20厘米内的土和短桩头，一并给挖掘机带走。
这样控制减少了机械对桩头的扰动，又最大限度地避免了机械碰断桩头的质量事故。
清理时，必须使挖土机保证行走在桩顶以上有1米左右的土层上，使小型挖机在清理淤土时不压断碰断新桩。
另外小型挖机在清理时要特别注意桩的走向，尽量避免碰断桩，并且配备充足的劳动力把设计标高以上20厘米的土随挖随清理到位。
切桩，先采用切割机在桩周围切一道5～10厘米深的锯口，然后用小锤人工剔凿至设计标高，要求表面基本平整。
在遇到电梯井或者集水坑斜坡时，桩头应跟斜坡保持平行。
4.3褥垫层的施工方法：
1）清理基槽内的杂物，对于松散的土应夯实平整，并注意对CFG桩头的保护。
2）回填时作业人员用小推车从堆放地点运至铺放地，首行进行预铺，预铺厚度为220，预铺时人工用铁锹进行粗平，随后进行振实，振实分三遍进行，每一遍振完后，找平人员根据标高控制线检查表面标高，如不够，应再次找平振实，直到合格。
3）褥垫层技术是复合地基的核心技术。
要求密实，一般采用打夯机满打3遍以上即可。
在电梯井和集水坑处较难施工，我们采用的方法如下图所示：
5、CFG桩复合地基的检测
5.1桩基低应变完整性检测
本次低应变动检测采用反射波法进行，起原理和方法为：
在桩顶安装传感器并锤击桩头产生激发能量，引起自桩顶沿桩身传播的质点运动，并且在传播中形成应力波，应力波在下行途中，如果遇到阻抗减小（缩径、离析和夹泥等），便会产生与射入波相位相同的反射波。
反之，如遇到阻抗增大（扩径等），便会产生与射入波相位相反的反射波。
当应力波运行至桩底，由于阻抗巨变（一般情况是急剧减小，但对嵌岩效果很好的桩，阻抗急剧增大），而产生更为强烈的桩底反射波。
所有这些信息都被安装在桩顶的传感器接受。
根据初始激励波与桩底反射波之间的时间差及桩长来推求应力波在砼介质中的传播速度。
根据速度曲线的上下起伏、时间、相位、振幅等特性来判断桩身的阻抗变化。
再根据波速。
时间来推求阻抗变化的位置，判断桩身的完整性。
以B座为例，本次低应变检测共抽检基桩171根。
经现场检测并经室内计算机处理结果表明，其中Ⅰ类桩138根，占总检测数81%；Ⅱ类桩占总检测数5%；Ⅲ类桩24根占总检测数14%。
未出现Ⅳ类桩。
如果出现Ⅳ类桩的部位，在原桩附近采用补桩的办法进行补救。
本工程根据试验报告，表明这些Ⅲ类桩断桩只是浅部有断裂现象并未脱开，不影响传递竖向荷载，所以本工程处理方法如下：
深度大于50厘米的断桩可以不处理；深度小于50厘米的断桩采取接桩处理，对桩间被扰动的土采用与老土弹性模量接近的施工方法回填；对于偏位的桩可以不处理，这是由CFG桩复合地基的受力与原理决定的，CFG桩复合地基不是桩基，CFG桩是增强体，桩与土共同受力，所以部分偏位桩可以不处理。
5.2、CFG桩复合地基静力荷载试验
1）试验方案：
本次采用单桩复合地基荷载试验方法。
根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）中的复合地基荷载试验规定，面积为一根桩承担的处理面积。
根据复合地基面积置换率换算采用1380×1380方形承压板。
总加荷量为设计值的2倍以上，稳定标准为1小时内沉降量小于0.1mm。
2）试验方法：
检验装置由承压板、加荷系统、反力系统、观测系统等四部分组成。
其基本原理是加荷系统控制并稳定加荷大小，通过反力系统反作用于承压板，承压板将荷载均匀传递至地面，地面变形由观测系统测定。
加荷系统为200T液压千斤顶，能够均匀的加载及提供稳定的荷载，测试前对加荷系统进行了标定。
沉降量观测系统由机电百分表及支架组成，量程50mm。
在承压板两侧各安装一套机电百分表，沉降量取两表的平均值。
每级加荷级差为102.5kPa，加荷等级为8级。
每级加荷数据由压力显示换算取得，稳定标准为1小时内沉降量小于0.1mm。
卸荷分三级等量进行，每卸一级，读取回弹量，直至变形稳定。
当出现下列现象之一时，可以终止试验：
A、沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起；
B、累计的沉降量已大于承压板宽度或板直径的6％；
C、总加载量已为设计要求的两倍以上。
出现上述A、B情况时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。
测试成果：
以B座为例，共试验3根桩，其中2根为低应变试验中测出是浅部断裂的桩。
根据现场试验和室内计算机处理，各桩的P－S曲线及单桩复合地基荷载试验成果表见如下：
单桩复合地基承载力基本值成果表
序号
试验桩号
试验项目
承载力基本值f0（kPa）
沉降量（mm）
1
442#
复合地基
≥410kPa
6.15
2
488#
复合地基
≥410kPa
6.23
3
55#
复合地基
≥410kPa
8.65
从以上各桩的P－S曲线上未见到明显的比例界限与极限荷载，且P—S曲线上410kPa时所对应的荷载沉降量小于《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）判定标准第二条规定的相对变形值。
因此判定本工程B座CFG桩复合地基承载力基本值≥410kPa。
复合地基承载力特征值达到410kPa，满足设计要求。
6、沉降观测
以B座为例，按照设计要求共设10个观测点，采用DZS3水准仪，按照二等水准测量精度要求进行观测。
从基础底板开始每层观测一次，现在本工程已封顶，共测31次。
测量成果见下表：
B座总沉降量观测记录表（单位：
mm）
点天数号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
形象进度
初始高程
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
底板完
第10天
0
0.33
0.57
0.47
0
0
0
0
0
0
－2层顶完
第20天
0
0.89
1.45
1.09
0
0
0
0
0
0
－1层顶完
第30天
0.05
1.55
1.99
1.68
0
0
0
0
0.35
0.55
1层顶完
第37天
0.09
1.79
2.33
2.09
0
0
0
0
0.77
0.76
2层顶完
第44天
0.11
2.03
2.79
2.58
0
0
0
0
0.98
1.12
3层顶完
第51天
0.15
2.16
3.27
3.02
0.24
0.44
0
0.90
1.10
1.30
4层顶完
第58天
1.67
2.16
3.49
3.25
0.30
0.64
0.1
0.90
1.10
4.7
5层顶完
第65天
1.67
2.17
3.49
3.25
1.9
1.57
1.35
0.90
1.10
4.7
6层顶完
第72天
1.7
2.2
3.49
3.25
1.9
1.84
1.35
1.43
1.10
4.7
7层顶完
第79天
1.9
2.3
3.6
3.54
2.4
2.05
1.93
1.69
1.42
5.32
8层顶完
第86天
2.3
2.4
4.2
4.34
2.8
2.64
2.59
2.56
1.93
6.27
9层顶完
第93天
3.0
2.8
4.9
5.67
3.5
3.58
3.68
3.83
2.05
7.7
10层顶完
第100天
3.3
3.1
5.7
6.62
3.9
4.92
4.62
4.73
2.68
8.34
11层顶完
第107天
5.2
4.9
6.6
8.34
5.2
5.29
5.34
6.27
3.06
9.33
12层顶完
第114天
5.8
5.3
7.4
9.53
6.7
7.26
7.74
6.47
4.62
11.36
13层顶完
第121天
6.6
6.1
8.5
10.39
7.3
8.45
8.35
7.34
5.29
12.68
14层顶完
第128天
7.2
6.8
9.9
11.37
8.65
9.34
8.45
8.34
6.26
13.83
15层顶完
第135天
8.9
7.9
10.5
12.55
9.25
10.4
9.85
9.45
7.42
14.67
16层顶完
第142天
9.7
8.6
11.2
14.22
10.14
11.62
10.47
10.46
8.23
15.73
17层顶完
第149天
10.3
9.4
12.1
15.43
11.4
12.73
11.46
11.23
9.73
16.37
18层顶完
第156天
11.5
10.5
12.7
17.54
12.5
13.52
12.57
12.52
10.46
17.73
19层顶完
第163天
13.0
12.5
13.6
18.87
13.26
14.48
13.73
13.62
11.47
18.35
20层顶完
第170天
15.3
14.1
14.4
19.47
14.86
15.34
14.78
14.24
12.73
19.52
21层顶完
第177天
15.6
14.6
15.6
20.15
15.72
17.35
15.37
15.73
13.35
20.47
22层顶完
第184天
16.6
17.5
17.8
21.16
16.38
18.73
16.87
16.37
14.72
22.01
23层顶完
第191天
16.9
18.3
18.9
22.85
17.93
19.23
18.53
17.47
15.73
23.73
24层顶完
第198天
17.2
18.7
19.8
23.66
18.42
20.27
19.57
18.54
16.47
24.32
25层顶完
第205天
17.8
19.5
20.5
24.33
19.43
21.47
20.66
18.93
17.86
24.63
26层顶完
第212天
17.9
19.8
21.6
24.89
19.64
22.37
21.05
19.51
18.44
25.03
27层顶完
第219天
18.1
19.9
22.2
25.12
19.95
22.46
21.18
19.67
18.56
25.16
28层顶完
由以上结果我们可以看出：
1）主体封顶沉降量已趋于稳定；
2）采用CFG桩复合地基地基变形较小，且无不均匀沉降；
3）到目前为止的累计沉降量在设计允许范围以内，地基承载力达到设计要求。
7、结语
7.1以复合地基静压结果和沉降观测数据看，本工程所采用的复合地基，可最大限度地发挥CFG桩的优点，使复合地基的承载力得到大幅度的提高，地基变形得以降低和控制。
7.2复合地基中由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，其受力和变形类似于素混凝土桩，具有地基承载力高、变形小、稳定快、施工简单易行、工程质量易保证等优点，工程造价一般为桩基的1/3~1/2，经济效益和社会效益非常显著。
7.3是否设置褥垫层以及垫层的材料和厚度，直接影响复合地基的桩和桩间土强度的发挥，合理的垫层厚度对提高复合地基承载力和减少沉降变形是非常有利的。
7.4由该工程证明此种地基处理方案，质量易控制，造价低，经济、社会、环境效益明显，有极大的发展潜力。
主要参考文献：
《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）
春丽公寓岩土工程勘查报告
春丽公寓设计图纸
春丽公寓CFG桩施工组织设计
春丽公寓CFG桩低应变完整性检测报告和复合地基静力荷载试验报告
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