CFG桩复合地基的地基处理技术及其发展现状-彭东林

1CFG桩复合地基的地基处理技术及其发展现状摘要：CFG桩复合地基处理技术目前已被国内外广泛应用在工程中，本文通过介绍CFG桩复合地基在当前的发展现状和CFG桩复合地基的地基处理技术,以及CFG桩复合地基的优点，描述其施工工艺及其施工中遇到常见的问题如何处理,进一步反映其提高地基承载力,控制沉降方面的作用，由此说明CFG桩在建筑工程中的应用价值。[关键词]：CFG桩复合地基应用价值一、研究背景1复合地基的概述复合地基［1］是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强,或被置换，或在天然地基中设置加筋材料,加固区是由基体天然地基土体或被改良的天然地基土体和增强体两部分组成的人工地基。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体和竖向增强体复合地基。其示意图如图1-1a和1-1b所示。水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料,如土工聚合物、金属材料格等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩,竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为三类散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和2刚性桩复合地基。散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的,桩身材料没有粘结强度,单独不能形成桩体,只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料桩复合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。柔性桩复合地基的桩体刚度较小,但桩体具有一定粘结强度,柔性桩中部强度较高的桩如粉喷桩已较强地表现出桩的性状,柔性桩复合地基的承载力由桩体和桩间土共同承担。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰土桩、石灰桩、水泥土桩等。刚性桩复合地基的桩体通常以水泥为主的胶结材料,有时由混凝土、或由混凝土和其他掺合料构成,桩身强度较高。为保证桩土共同作用,通常在桩顶设置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基具有更高的承载力和压缩模量,而且复合地基承载力也具有较大的调整幅度。复合地基工程实践发展很快,但复合地基设计和计算理论尚不成熟,已有的一些简化模型和计算方法差异较大,很难统一。可见,复合地基理论远远落后于工程实践的发展,因此应加强复合地基设计计算理论和方法的研究。复合地基计算理论方面,既包括复合地基承载力和沉降计算的一般理论,又指各种形式的复合地基承载力和沉降计算理论和方法。要发展各种形式的复合地基承载力和沉降计算理论,需要加强对各种形式的复合地基荷载传递机理的研究,进一步理解基础刚度、桩土相对刚度、复合地基置换率、复合地基加固区深度、荷载水平等对复合地基应力场和位移场的影响,提高各类复合地基应力场和位移场的计算精度。基于以上原因,对桩复合地基的工作性状做进一步的研究,不仅有现实的实际意义,同时在理论上也很有价值。2CFG桩复合地基的产生与发展2.1CFG桩复合地基概述CFG桩全称水泥粉煤灰碎石桩，是由碎石、石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和,用各种成桩机械在地基中制成的强度为C5-C30的桩。CFG桩复合地基[2]是由桩、桩间土和褥垫层一起构成的刚性桩复合地基。CFG桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题,于1988年立题进行试验研究,并应用于工程实践。CFG桩复合地基成套技术,1992年通过部级鉴定,1994年被建设部列为全国重点推广项目,被国家科委列为国家级全国重点推广项目。1997年被列为国家级工法,并制定了中国建筑科学研究院企业标准,现已列入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》〔JGJ79-2002〕[3]。3为进一步推广这项技术,国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究,并列入“九五”国家重点攻关项目。1999年12月通过国家验收。该技术己在全国23个省、市广泛应用,已经成为多层至30层以下高层建筑地基处理的主要技术之一。据不完全统计,该技术己在1000多个工程中应用。和桩基相比,由于水泥粉煤灰碎石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,工程造价一般为桩基的1/3-1/2,经济效益和社会效益显著。2.2研究现状尽管CFG桩复合地基近年来在我国大量推广应用,并取得了良好的社会效益和经济效益。但CFG桩复合地基理论尚不成熟,较实践远远落后。刚性桩复合地基的设计思想由中国建筑科学研究院黄熙龄院士首先提出,中国建筑科学研究院地基基础研究所1992年开发成功的CFG桩复合地基即最早的刚性桩复合地基。为了提高复合地基承载力、减小沉降,将碎石桩中掺入水泥、粉煤灰和石屑,于是形成了粘结强度较高的CFG桩。在荷载作用下,桩身的压缩变形极小,荷载通过桩周摩阻力和桩端阻力向深层传递,因此承载力的提高幅度很大。为了保证桩土能共同作用,在桩顶铺设一定的厚度的砂石褥垫层,以利于桩顶向上刺入,由桩体、桩间土和褥垫层一起构成CFG桩复合地基。阎明礼等对CFG桩复合地基进行了系统的研究[4]。阎明礼等探讨了CFG桩复合地基在水平荷载作用下的承载性状[5]。吴春林讨论了CFG桩复合地基承载力的简易计算方法[6]。董必昌等从CFG桩复合地基沉降变形模式出发,推导出一种考虑桩一土—垫层相互作用的沉降计算方法以及桩土应力比公式,并讨论了参数取值问题[7]。张小敏等利用可靠度理论对从国内外收集到的CFG桩复合地基承载力试验数据进行了概率统计处理。借助无量纲计算模式,计算不同载荷组合下CFG桩复合地基承载力的可靠度指标,并分析了各随机变量对可靠度指标的影响程度[8]。随着土工计算机技术的发展,采用数值方法分析复合地基的作用机理的研究工作也不少。谢定义采用有限元一无界元三维非线性分析程序对桩式复合地基进行了分析,可用于各类桩式复合地基。杨涛建议采用复合本构有限元计算复合地基沉降。张忠坤采用有限元法对柔性单桩竖向加载、大面积荷载作用下复合地基及路堤荷载作用下复合地基进行了分析,探讨了临界桩长问题,得出了临界桩长不仅与桩土模量比有关,而且也与荷载分布有关的结论。李宁采用数值试验模型,对不同种类的复合地基进行了全面系统的数值仿真,探讨了单桩复合地基相互作用的机理、荷载传递的性状及附加应力的分布规律[9]。邢仲星采用平面三维三角形单元和邓肯一张模型对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基进行了有限元分析。温晓贵对复合地基进行了三维线性的数值分析。4郝小员等对人工神经网络及BP网络模型作了简要介绍,并对水泥喷粉桩复合地基承载力及其影响因素的非线性关系进行了分析。提出利用地域己有水泥喷粉桩复合地基承载力及影响因素的资料建立人工神经网络模型进行承载力的设计计算。通过实例验证,该模型可达到较理想的效果,可以实现水泥喷粉桩复合地基承载力的合理设计计算,为今后该类复合地基承载力的设计提供了可借鉴的方法[10]。二、CFG桩复合地基的地基处理技术原理及施工工艺[11-13]1CFG桩复合地基概况CFG桩复合地基由CFG桩、桩间土和褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基粘结强度桩是复合地基的代表，目前多用于高层和超高层建筑中。CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、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，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上CFG桩不配筋，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。1.1材料的选择：1.1.1粉煤灰粉煤灰是燃煤发电厂排出的一种工业废料。它是磨至一定细度的粉煤灰在煤粉炉中燃烧（1100～1500。C）后，由收尖器惧的细灰（简称干灰）。其主要化学成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等，其中粉煤灰的活性决定于各种粒度Al2O3和SiO2、的含量，CaO对粉煤灰的活性也极为有利。粉煤灰的粒度组成是影响粉煤灰质量的主要指标，一般粉煤灰越细，球形颗粒越多，因而水化及接触界面增加，容易发挥粉煤灰的活性。1.1.2碎石碎石是不溶于地下水或不受侵蚀影响的硬骨料，一般采用砾石、碎石等，其粒径为20～50mm，密度为2.7t•m3，松散密度为1.39t•m3，含水率0.96%，含泥量不得大于5％。1.1.3石屑石屑是掺入一定数量的石屑是填充碎石的孔隙，使其级配良好。石屑宜选用与同一种碎石原料进行加工，掺入的数量应由试验确定，不能随意添加。其各项参数如下：粒径2.5～10mm，密度2.7t•m3，松散密度1.47t•m3，含水率1.05%，含泥量不得大于5％。1.1.4水泥一般采用42.5号普通硅酸盐水泥，质量优良。2褥垫层的意义5按照传统的CFG桩复合地基理论，褥垫层是其重要组成部分，复合地基许多特性都与褥垫层有关。这里所说的褥垫层不是基础施工经常做的10cm厚的素混凝土垫层，而是由粒状材料组成的散体垫层。2.1设置褥垫层的必要性CFG桩复合地基有无褥垫层，其区别主要是桩间土的承载力发挥的过程不同。当设置褥垫层时，桩间土一开始就承担了较大比例的荷载，在正常使用状态下，建筑物荷载主要由桩和桩间土共同承担；而不设褥垫层时，荷载一开始主要由桩来承担，桩间土基本不承担或承担很少。在正常使用状态下，建筑物荷载主要由桩来承担。当复合地基承载力达到极限时，无论是其承载力的大小以及桩、土的荷载分担比都是相同的，故可取消褥垫层。2.2不设置褥垫层的情况取消垫层，让桩顶直接与基础接触，实际上就是在正常使用状态下充分发挥桩的承载力，使其接近极限，而让桩间土强度为作安全储备，这样虽然桩的安全系数K小于2(一般1.1左右)，但地基土的安全系数却较高，复合地基总的安全度并没有降低，就象桩基础在正常使用状态下，其摩阻力和端承力发挥程度不一样、其各自的安全系数也不一样，类似于“复合桩基”的设计思想。3CFG桩复合地基的优点3.1适用性广，承载力提高幅度大CFG桩复合地基技术适用于非饱和及饱和的粉土、粘性土、填土、砂土、淤泥质土等地质条件，处理后，复合地基的承载力与原地基承载力相比，可提高2-5倍。3.2施工简便，工期短CFG桩施工方法一般为长螺旋钻成孔泵送混凝土法，施工时，没有钢筋笼制作等工序，成孔成桩一次完成减少了成桩时间，加快了施工速度。3.3保护环境CFG桩施工时，不需泥浆护壁，没有泥浆外运，既节约了资金，又无环境污染，对市内施工，非常适合。4CFG桩在复合地基中的优势4.1承载力提高幅度大、可调性强CFG桩桩体可以从几米到20多米，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提高幅度大并具有很大的可调性。当地基承载力较高时，荷载又不大，可将桩长设计得短一点，荷载大时，桩长可设计得长一点。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6难以满足设计要求，CFG桩复合地基则比较容易实现。4.2适应范围广对基础形式而言，CFG桩既可以适用于条形基础、独立基础，也可以用于筏板基础和箱型基础。就土性而言，CFG桩可用于饱和、非饱和粘性土，既可以用于挤密效果好的土，又可用于挤密效果差的土。4.3桩体的排水作用明显CFG桩在饱和粉土和沙土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生超孔隙水压力。较好透水层上面还有透水性较差的土层时，刚刚施工完得CFG桩将是一个良好的排水通道，孔隙水将沿着桩体向上排出，知道CFG桩体结硬为止。4.4复合地基变形小复合地基模量大、建筑物沉降量小事CFG桩复合地基重要特点之一，大量工程实践表明，建筑物沉降量一般可控制在2-4厘米。对于上部和中间有软土层的地基，用CFG桩加固，桩端放在下面好的土层上，可以获得模量很高的复合地基，建筑物的沉降都不大。5CFG桩基的施工5.1CFG桩施工设备在此，以长螺旋钻管泵压CFG桩为例，此施工工艺是由长螺旋钻机、混凝土泵和强制式混凝土搅拌机组成的完整体系，在现代施工中，步履式长螺旋钻机及商品混凝土比较普遍。长螺旋