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地基处理技术报告

地基处理技术报告

专业：

土木工程专业

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水泥粉煤灰碎石桩地基处理法

一、前言：

水泥粉煤灰碎石桩又称CFG桩（cement-flyash-gravelpile）,是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌合形成的高黏结强度桩，和桩间土、褥垫层一起组成水泥粉煤灰碎石桩复合地基。

CFG桩复合地基成套技术是中国建筑科学研究院地基所20世纪80年代末开发的一项新的地基加固技术。

本文简单介绍一些CFG桩的技术特点、机理，适用范围，在地基处理中的计算问题、施工工艺和质量检测以及它在公路地基处理中的应用。

二、关键词：

CFG桩CFG桩复合地基

三、正文：

CFG桩的机理为：

在碎石桩中掺加适量的石屑、粉煤灰和水泥，加水拌合形成一种黏结强度较高的桩体，使之具有刚性桩的某些性状，一般情况下不仅可以全桩长发挥桩的侧阻作用，当桩端落在好土层时也能很好的发挥端阻作用，从而表现出很强的刚性桩性状，复合地基的承载力得到较大提高。

CFG桩的骨干材料为碎石，系粗骨料：

石屑为为中等粒径骨料，当桩体强度小于5Mpa时，石屑的掺入可使桩体级配良好，对保证桩体强度起到重要作用。

有关实验表明：

相同的碎石和水泥掺量条件下，掺入石屑可比不掺入石屑强度增加50%左右;粉煤灰既为细骨料，又有低标号水泥的作用，可使桩体具有明显的后期强度：

水泥则为粘性剂，主要起胶结作用。

CFG桩属于高黏结强度桩，它与素混凝土桩的区别仅仅在于桩体材料的构成不同，而在受力和变形特性方面没有什么区别。

它在桩体材料上比素混凝土更追求经济性，在有条件的地方应尽量利用工业废料作为掺和料。

四、CFG桩复合地基工程特征：

1.承载力提高幅度大、可调性强

CFG桩的桩长可以从几米到二十几米，并且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可在40%~75%之间变化，使得复合地基承载力大幅度提高并具有很大的可调性，当地基承载力较高时：

荷载不大，可将桩长设计的短一点；荷载大，桩长可设计的大一点。

特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一般难以满足设计要求是，采用CFG桩复合地基则比较容易满足要求。

2．适应范围广

对基础形式而言，CFG桩既可适用于条形基础、独立基础，也可用于筏板基础和箱型基础。

对于土而言，CFG桩可用于填土、饱和及非饱和黏性土，既可用于挤密效果好的土，也可用于机密效果差的土。

当CFG桩用于挤密效果好的土时，承载力的提高值既有挤密分量，又有置换分量;当CFG桩用于不同挤密土时，承载力的提高只与置换作用有关。

当地基土的承载力特征值不大于50kPa时，CFG桩的适用性值得研究。

当地基土时具有良好机密效果的砂土、粉土时，振动可使土挤密，桩间土承载力可有较大幅度的提高，CFG桩是适用的。

例如唐山港海员大酒店工程，天然地基承载力标准值fk<=50kPa，地表以下8m又有较好的持力层，采用振动沉管机成桩，仅振动挤密分量就是70~80kPa，既加固后桩间土承载力可达120~130kPa。

而塑性指数高的饱和软黏土，成桩是土的挤密分量为零。

承载力的提高唯一取决于桩的置换作用。

由于桩间的土承载力太低，土的承载分担比太低，因此不宜采用符合地基。

3.刚性桩的性状明显

对于柔细桩和散体材料桩，如碎石桩、砂石桩等，它们主要是通过有限的桩长（6~9）d传递竖向荷载。

当桩长大于某一数值后，桩传递荷载的作用已显著减小。

CFG桩像刚性桩一样，可全长发挥侧阻，桩落在好的土层上时，具有明显的端承作用。

对上部软下部硬的地质条件，碎石桩将荷载向深层传递非常困难。

而CFG桩因为具有刚性桩的性状，向深层土传递荷载是其重要的工程特性。

五、CFG桩复合地基的计算问题：

（一）一般参数计算

1.水泥粉煤灰碎石桩桩径d宜取350-600mm.

2.桩的平面布置，可只布置在基础范围内。

3.桩距s应根据设计要求的复合地基承载理、土性、施工工艺等确定，宜取3-6倍桩井。

当在饱和粘性土中挤土成桩时，桩距s不宜小于4倍桩径。

4.桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求：

　　　　　fcu≥3Rk/Ap

式中fcu－桩体混合料试块（边长150mm立方体）标准养护28d无侧限抗压强度平均值（KPa）

　　RK-单桩承载力标准值（KN）,应按本规范9.2.8条取值。

5.桩顶应设置垫层，褥垫层厚度宜取100-300mm,当桩径、桩距大时褥垫层厚度宜取高值。

6.褥垫层材料宜用粗砂、中砂、级配砂石，碎石的最大粒径不宜大于30mm.

7.水泥粉煤灰碎石桩复合地基承载力标准值，宜通过现场复合地基载荷实验确定，初步设计时也可按下事故算：

　　fsp,k=mRk/Ap+β（1-m）fs,k

式中fsp,k——复合地基承载力标准值（KPa）;

　　　　m——桩土面积置换率；

　　　　β——桩间土强度发挥系数，宜取0.9-1.0对变形要求高的建筑物可取低值；

　　　fs,k——桩间土承载力标准值（KPa）。

8.单桩承载力标准值Rk的取值，应符合下列规定：

（1）当用单桩静载荷实验确定单桩极限承载力标准值Ruk后，Rk可按下式计算：

　　　　　Rk=Ruk/γsp

式中γsp——调整系数，宜取1.50-1.60,一般工程或桩间土承载力高、基础埋深大以及基础下桩数较多时应取低值，重要工程、基础下桩数较少或桩间土为承载力较低的粘性土时应取高值。

（2）当无单桩载荷试验资料时，可按下式计算；

　　　　　　Rk=Up∑qsili+qpAp

式中Up——桩的周长（m）;

　qsi——桩侧第ｉ层土德济限侧阻力标准值（KPa）可参照岩土工程勘察报告；

　　qp——桩的极限端阻力标准值（KPa）,可参照岩土工程勘察报告；

　　li——第ｉ层土的厚度（ｍ）。

9.地基处理后的变形计算应按现行的国家标准《建筑地基基础设计规范》GBJ7的有关规定执行，复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，ζ值可按下式确定：

　　　　　　　　ζ＝fsp,k/fki

式中fki——基础地面下第ｉ层土的天然地基承载力标准值。

（二）CFG桩中重要参数的计算

CFG桩复合地基设计主要需要确定五个参数，分别为桩长、桩径、桩间距、桩体强度、褥垫层厚度及材料。

（1）、桩长

CFG桩应选择勘察报告中承载力相对较高的土层作为桩端持力层。

桩长是CFG桩复合地基设计时首先要确定的参数，他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。

设计时根据勘察报告，分析各土层，确定桩端持力层和桩长，并根据静荷载实验确定单桩竖向承载力特征值。

（2）、桩径d

CFG桩桩径的确定取决于所采用的成桩设备，一般设计桩径为350—600mm

（3）、桩间距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承载力和变形，土性与施工工具。

（4）、桩体强度

原则上，桩体配比按桩体强度控制，桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求：

fcu≥3Ra/AP

fcu――桩体立方体28d抗压强度标准值

Ra――单桩竖向承载力特征值

AP――桩的截面积

（5）、褥垫层厚度及材料

褥垫层是桩顶和基础底之间加一层散体材料，若褥垫层厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，厚度过大，桩承担的荷载太小，复合地基中桩的设置又失去意义。

按规范规定，褥垫层厚度宜取褥垫层厚度一般取（0.45—0.50）d，d为CFG桩桩径。

褥垫层材料可用粗砂、中砂、碎石、级配沙石。

注：

CFG桩褥垫层的作用及合理厚度选择

CFG桩桩顶和基础之间应设置中砂、粗砂、级配砂石或碎石（最大粒径不大于30mm）等褥垫层。

褥垫层是桩顶和基础底之间加一层散体材料，若褥垫层厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，厚度过大，桩承担的荷载太小，复合地基中桩的设置又失去意义。

按规范规定，褥垫层厚度宜取150—300mm。

褥垫层的作用如下:

（1）使桩、土共同承担竖向荷载褥垫层设置后，能使桩体的顶部和桩端都有上下刺人变形条件，在给定荷载作用下，桩承担较多的荷载，随着时间增长，桩产生一定沉降，荷载逐渐向桩间土体转移，即使桩端地基士很好，桩端变形小，但桩顶也有向褥垫层刺人条件，所以有了褥垫层能保证桩土较好的共同承担外荷载;

（2）减小基础的应力集中

当褥垫层厚度趋于零时，近似钢筋混凝土桩和承台的作用，这时承台基础要验算冲切承载力。

加了褥垫层后起到扩散应力作用，同时桩顶和桩间土应力之比值显著降低，随着荷载增加应力比趋于一常数值。

（3）使基础底面压力分布更均匀通过散体褥垫层的调整，随着荷载增加或变化，能使基底压力更均匀分布。

（4）抗水平力作用

类似地震作用的水平荷载，CFG桩复合地基主要是通过基础与褥垫层之间的摩擦力和基础侧面土压力承担，褥垫层又是散体结构，所以传递到桩体的水平力较小或为零，这就是桩体可不配筋的缘由.

六、施工采用长螺旋钻钻孔、管内泵压混合料成桩的施工工艺进行施工

（一）工艺流程

1、工艺流程。

场地整平→测量放样→钻机就位→钻进成孔→灌注及拔管→移机→混合料搅拌

2、场地整平。

CFG桩施工前，要对加固范围内的场地进行整平、碾压，同时按设计要求对原地面进行处理（换填碎石土）。

3、测量放样。

按设计图纸，利用已知导线点、水准点现场放设出CFG桩的加固范围及每根CFG桩的桩位，测量执行双检复核制。

CFG桩点位用竹片桩插设，并用石灰圈点标识。

对已整平的地面要进行标高测量（特别是桩位处标高），并做好记录，做好交底（要交清场平面标高、桩底设计标高及桩底相对场平面的深度）下发现场施工人员，以确定桩底相对于场平面的深度。

4、施工工艺。

①钻机就位。

按放出的CFG桩桩位，现场就位钻机，钻机就位后进行钻机调整。

通过悬挂在钻杆导向架侧面的垂球及在导向架上标出的对照线位置来调整钻机的水平和钻杆的垂直度。

垂直度的容许偏差不大于1%。

同时在钻进过程中，随时注意观察垂球，确保钻机不偏斜。

②混合料拌制。

按成桩试验确定的配合比由拌和站拌制混合料，每盘的搅拌时间按照普通混凝土的搅拌时间进行控制，一般控制在60~120s。

用砼罐车送至施工现场，泵送入孔，混合料的坍落度控制在160mm～180mm。

拌料时，严格按照施工配合比准确计量水、水泥、粉煤灰、碎石、砂的用量，拌和物应拌和均匀，颜色一致，不得有离析和泌水现象。

③钻进成孔。

钻孔开始时,关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触及地面并对准桩位，启动电机钻进，钻孔要先慢后快，同时检查钻孔的偏差并及时纠正。

施工人员边钻边清理钻杆旋出的泥土，在成孔的过程中，发现钻杆摇晃或难钻时放慢进尺，防止桩孔偏斜、位移及钻杆、钻具损坏。

根据钻架上标出进尺标记，钻杆下钻至设计桩底标高，关闭电机，停止钻进，清理钻孔周围泥土。

④灌注及拔管。

CFG桩成孔到设计标高后，停止钻进，开始泵送混合料，砼泵送采用砼输送泵。

当钻杆芯管充满混合料后开始拔管，边泵送边拔管，严禁先拔管后泵料。

成桩的拔管速度要根据输送泵的输送速度确定，一般控制在2m/min～3m/min。

成桩过程要连续进行，尽量避免因供料出现问题导致停机待料。

最后按设计要求桩身混合料要超灌50cm。

灌注成桩完成后，桩顶上盖土封顶予以保护。

混合料灌注量的控制通过记录混凝土泵的泵送次数来计算。

⑤移机。

完成一根桩之后移机到下一根桩，钻机的移动通过钻机自带移动底盘进行。

重复上述施工顺序及施工方法进行下一根桩的施工。

同时在施钻前要检查一下桩位（确认无误后就位钻机）以及钻机的工作性能，必要时移机后要清洗钻杆和钻头。

（二）CFG桩的施工

（1）、水泥粉煤灰碎石的施工，应按设计要求和现场条件选用相应施工工艺，并应按照国家现行有关规范执行：

①长螺旋钻孔灌注成桩，适用于地下水位以上的粘性土、粉土、人工填土地基；泥浆护壁钻孔灌注成桩，适用于粘性土、粉土、砂土、人工填土、碎石（砾）石土及风化岩层分布的地基；

（3）长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩，适用于粘性土、粉土、砂土等地基，以及对噪音及泥浆污染要求严格的场地；

（4）沉管灌注成桩，适用于粘性土、粉土、淤泥质土人工填土及无密实厚砂层的地基。

6、长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工和沉管灌注成桩施工除应执行国家现行有关规范外，尚应符合下列要求：

（1）施工时应按设计配比配置混合料，投入搅拌机加水量由混合料塌落度控制，长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工的塌落度以为180-200mm，沉管灌注成桩施工的塌落度宜为30-50mm,成桩后桩顶浮浆厚度不宜超过200mm;

（2）长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工在钻至设计深度后，应准确掌握提拔钻杆时间，混合料泵送量应同拔管速度相配合，以保证挂内有一定高度的混合料，遇到饱和砂土或饱和粉土层，不得停泵待料；沉管灌注成桩施工拔管速度应按均匀线速度控制，拔管线速度应控制在1.2-1.5m/min左右，如遇淤泥或淤泥质土，拔管速度可适当放慢

（3）施工时，桩顶标高应高出设计桩顶标高，高出长度应根据桩距、布桩形式、现场地质条件和成桩顺序等综合确定，一般不应小于0.5m.

（4）成桩过程中，抽样做混合料试块，每台机械一天应做一组（3块）试块（边长为150mm的立方体），标准养护28d,测定其抗压强度；

（5）沉管灌注成桩施工过程中应观测新施工桩对已施工桩的影响，当发现桩断裂并脱开时，必须对工程桩逐桩静压，静压时间一般为3min，静压荷载以保证使断桩接起来为准。

7、复合地基的基坑可采用人工或机械、人工联合开挖。

机械、人工联合开挖时，予留人工开挖厚度应由现场开挖确定，以保障及械开挖造成桩的断裂部位不低于基础底面标高，且桩间土不受扰动。

8、褥垫层铺设宜采用静力压实法，当基础底面下桩间土的含水量较小时，也可采用动力夯实法。

9、施工中桩长允许偏差为100mm,桩径允许偏差为20mm,垂直度允许偏差为1%.对满堂布桩基础，桩位允许偏差为0.5倍桩径；对条形基础，垂直于轴线方向的桩位允许偏差为0.25倍桩径，顺轴线方向的桩位允许偏差为0.3倍桩径，对单排布桩桩位允许偏差不得大于60mm。

七、CFG桩的质量检验

1、复合地基检测应在桩体强度满足试验荷载条件时进行，一般宜在施工结束2-4周后检测。

2、复合地基承载力宜用单桩或多桩复合地基载荷试验确定，复合地基载荷试验方法宜符合本规范附录A的规定，试验数量不应少于3个试验点

3、对高层建筑或重要建筑，可抽取总桩数的10%进行底应变动力检测，检验桩身结构完整性。

八、水泥粉煤灰碎石桩地基处理法在公路方面的运用：

采用粉喷桩方法加固软土地基具有许多优点：

如能有效地减少地基的总沉降量，与排水固结法相比总沉降量能减少25％～49％，这对控制路堤的工后沉降和解决桥头“跳车”具有明显的效果，具体表现在地基加固深度内沉降量的大幅度减少。

经加固后路基在填筑过程中侧向位移明显减少，实测的最大侧向位移仅6～7cm。

与排水固结法在相同条件下相比，侧向位移减少60％～70％，而且在较短时间内即趋稳定。

侧向位移的减少，不仅能增加路基的稳定，特别在桥涵与路堤连接处保护桥台桩基不受过大的侧向推力，而且也减少地基的沉降。

粉喷桩复合地基能提高地基土的承载力，适应快速填筑施工，与排水固结法相比，可以允许有较高的填土速率。

九、结论：

（1）水泥粉煤灰碎石桩地基处理软土地基在E标段的应用已取得了良好的效果，该法施工简便，形成的复合地基强度较高，质量可靠。

是高填方软土地基及桥梁、结构物两侧、软基处理的理想方法。

经过粉喷桩处理的地段，沉降速率短期内能满足施工要求，因此能加快路基填筑速度，但该法造价较高。

（2）水泥粉煤灰碎石桩施工前的表面填土整平高度，应引起重视，因为它关系到经粉喷桩处理后，对复合地基强度的影响。

　　（3）水泥粉煤灰碎石桩施工中复搅的深度，应根据软土的种类、性质不同确定不同的复搅深度，不能采用同一复搅深度。

　　（4）由于地基承受的荷载随深度的增加而减小，因此粉喷桩的喷灰量也应由上向下逐步减少。

　　（5）在设计粉喷桩处理软基时，应针对不同的软土种类和埋藏深度，研究采用不同的布桩形式和布桩范围，达到既保证软基处理质量，又节约工程造价的目的。

十、参考文献：

{1}.闫明礼、张东刚等编.CFG复合地基技术及工程实践第二版.中国水利水电出版社。

{2}.闫明礼等.CFG桩复合地基设计.第四届地基处理学术讨论会文集。

{3}.郑俊杰等.地基处理技术第二版.华中科技大学出版社。

{4}.《岩土工程界》2007年第2期,<水泥粉体喷射搅拌桩复合地基处理效果>文献。

{5}.<粉喷桩在高速公路软基处理中的应用>文献。