水泥粉煤灰碎石桩法

山东科技大学王清标18水泥粉煤灰碎石桩法8.1.1CFG桩复合地基的概念水泥粉煤灰碎石桩（Cement-Flyash-Gravelpile）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（简称CFG桩），桩、桩间土和褥垫层一起构成复合地基。水泥粉煤灰碎石桩系高粘结强度桩，需设置褥垫层，以保证桩、土共同承担荷载形成复合地基。基础褥垫层桩桩间土桩端土CFG桩复合地基组成示意图8.1概述2山东科技大学王清标8.1.2CFG桩复合地基的应用与发展CFG桩是建设部“七五”计划课题，于1988年立题进行试验研究。1994年被列为国家级重点推广项目。80年代末至90年代初。CFG桩多采用振动沉管打桩机施工。90年代中期，在北京开始应用长螺旋钻管孔内泵压CFG桩混合料成桩工艺，并在全国推广。CFG桩可全桩长发挥侧阻，桩端落在好的土层时可很好地发挥端阻，形成的复合地基置换作用强，复合地基承载力提高幅度大，复合模量高，地基变形小。CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配钢筋，可充分发挥桩间土的承载力，工程造价仅为桩基的1/3~1/2，经济效益和社会效益显著。CFG桩采用长螺旋钻孔管内泵压成桩工艺，具有无泥浆污染、无振动、低噪声等特点，且施工速度快、工期短、质量容易控制。3山东科技大学王清标8.1.3CFG桩复合地基工程特性（1）承载力提高幅度大、可调性强CFG桩桩长可从几米到20多米，可全桩长发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总荷载40%~75%。（2）刚性桩性状明显CFG桩具有较大的刚性。不仅能充分发挥侧阻力，当桩端落在好土层上时，还具有明显的端承作用。（3）桩体排水作用当上部土层透水性较差时，CFG桩形成一个良好的排水通道，孔隙水沿着桩体向上排出，直到CFG桩体硬结为止。（4）桩体强度和承载力的关系CFG桩桩体强度不宜太高，一般取桩顶应力的3倍即可。（5）复合地基变形小CFG桩复合地基模量大、地基沉降量小。当软弱土层较厚时，将桩端落在较硬土层，可以有效减小沉降。4山东科技大学王清标CFG桩法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。适用范围广，既可适用于条基、独立基础，也可适用于箱基、筏基；既有工业厂房，也有民用建筑。8.1.4CFG桩的适用范围5山东科技大学王清标8.1.5CFG桩与碎石桩的区别（1）概念上区别水泥粉煤灰碎石桩桩体材料除了碎石以外，还有水泥、粉煤灰的成份，桩身具有高粘结强度。（2）承载机理区别CFG桩为复合地基刚性桩，桩身可在全长范围内受力，能充分发挥桩周摩阻力和端承力；而碎石桩为散体材料桩，桩身无粘结强度，依靠周围土体的约束力来承受上部荷载。（3）桩土应力比区别CFG桩的桩土应力比较高一般在10～40，具有很大的可调性，在软土中n≥100；而碎石桩桩土应力比一般为1.5～4.0。（4）适用土类区别CFG桩用于加固填土、饱和及非饱和粘性土、松散砂土、粉土等，对塑性指数高的饱和软粘土使用要慎重；而碎石桩宜处理砂土、粉土、粘性土、填土以及软土，对不排水抗剪强度小于20kPa软土使用要慎重。8.1.6CFG桩的勘察要求对拟建建筑场地要根据国标《岩土工程勘察规范》GB50021-2009进行工程地质勘察并提供其勘察报告。(1)工程地质勘察内容1)查明岩土埋藏条件及物理力学性质,持力层及下卧层尤其是软弱土层的埋藏深度和厚度、性状及变化情况以及应力历史；2)查明水文地质条件，地下水位的埋藏(包括地下水位线位置、流向、地下水类型等)地下水对混凝土的腐蚀作用等；3)查明特殊性土，如膨胀土、湿陷性土或液化土层的特性；4)确定各层土的地基承载力标准值，预测地基的沉降及其均匀性；5)提供采用CFG桩设计所需的岩土工程技术参数，确定和估算单桩承载力，可提出CFG桩的长度和建议的施工方法。6山东科技大学王清标(2)勘探点间距应根据拟建建筑物的等级、体型及平面形状等布置勘探点，勘探点的布置应能控制持力层的层面坡度、厚度及性状，其间距可根据岩土工程勘察等级确定(岩土工程勘察等级)。一般勘察点的间距位15～30m、层面高差比较大时，间距应小些。(3)勘探深度应取勘探孔总数的1／3～1／2作为控制性勘探孔，深度为桩尖以下或参见详细勘察阶段的控制性勘探孔深度表。7山东科技大学王清标(4)室内实验做土的物理力学常规实验项目。(5)勘察报告除按国家标准勘察规范提供勘察报告外，尚需针对cFG桩处理方法特别增加一些内容。1)提供各土层的桩侧向阻力和桩端阻力。桩侧向阻力一做按灌注桩施工工艺提供，桩端阻力按灌注桩和打入桩分别提供；2)若有填土，应说明填土材料的构成、尤其对施工可能造成困难的工业垃圾或块石等予以说明。当基础底标高在境土层时，要提供填土承载力标准值；3)提供基础底面以下土层的灵敏度，作为褥垫层铺设施工时能否选用动力夯实法的主要依据。8山东科技大学王清标9山东科技大学王清标8.2加固机理一桩、土受力特性1）桩土共同作用基础传来的荷载，先传给褥垫层，再由褥垫层传递给桩与桩间土。上部传来的荷载大部集中在桩顶，当桩顶压应力超过褥垫层局部抗压强度时，桩体向上刺入，褥垫层产生局部压缩。基础基础桩向上刺入褥垫层桩间土桩土复合地基褥垫层褥垫层桩桩sa）复合地基受力前b）复合地基受力后CFG桩复合地基桩土共同作用示意图10山东科技大学王清标2）桩、土荷载分担图7-3CFG桩复合地基桩、土荷载分担比示意图P(kPa)δs、δp(%)δp(%)δs(%)0pkPPpp总荷载记为P;桩体承担的荷载记为Pp；桩间土承受的荷载记为Ps。PPSSP=Pk时，桩土承担荷载各占50%。PPk后，桩承担荷载超过桩间土。11山东科技大学王清标Z00Zs桩土sss桩sps桩Δ上maxs桩Δ下maxs桩(b)桩土位移示意图δps桩δss桩Zδps桩0(c)桩轴力随深度变化示意图(a)桩身摩阻力示意图图7-4竖向荷载作用下桩传递轴向力的特征a)桩身摩阻力b)桩土位移c)桩轴力随深度变化竖向荷载作用下桩传递轴向力的特征3）桩传递轴向力的特征4）桩间土应力分布刚性基础下桩间土上的应力分布情况是在基础边缘应力较大，在基础中间部分较小，内外区的平均应力比在1.25~1.45之间。12山东科技大学王清标8.2.2复合地基变形特性1）变形模式复合地基加固区范围内土层压缩量s1、下卧层压缩量s2和褥垫层压缩量s3。321ssss2）复合地基土的变形性状图7.5复合地基和天然地基不同深度处土的位移曲线Z(m)0S(mm)1-天然地基2-复合地基21S1S2S1S2复合地基和天然地基不同深度处土的位移曲线复合地基s-z曲线比较平缓，复合地基桩间土变形小于天然地基变形；随着荷载增加，复合地基变形大于天然地基变形。3）复合地基中桩的变形性状与自由单桩相比，在荷载相同的情况下，复合地基中桩的变形大于自由单桩变形。13山东科技大学王清标8.2.3CFG桩复合地基各组成要素的主要作用1）褥垫层作用（1）保证桩与土共同承担荷载通过褥垫层塑性调节作用把一部分荷载传到桩间土上，保证桩和桩间土始终参与工作并满足变形协调条件。（2）减小基础底面的应力集中当褥垫层厚度H=0时，桩对基础底板的应力集中显著。当褥垫层厚度H≥100mm时，桩对基础产生的应力集中现象显著降低；当褥垫层厚度H=300mm时，应力集中已经很小。当褥垫层超过一定厚度后，在基础底板设计时可不考虑桩对基础应力集中的影响。14山东科技大学王清标2）桩的作用（1）承担基础传来的荷载（2）对地基土产生一定的挤密作用3）CFG桩复合地基加固作用（1）置换作用CFG桩桩体弹性模量远大于桩间土弹性模量，CFG桩承担荷载远大于桩间土承担荷载，土被CFG桩置换是复合地基承载力得到提高主要原因。（2）排水作用CFG桩桩体的渗透系数远大于桩间土层渗透系数。15山东科技大学王清标8.3设计计算8.3.1CFG桩复合地基布桩基本要求1）平面布置对可液化地基及饱和软粘土地基宜在基础处设1~2排砂石护桩。最外排桩中心至基础边缘距离不宜小于1倍桩径，且不大于1.5倍桩距。2）CFG桩参数设计（1）桩径CFG桩桩径350～600mm。（2）桩距根据复合地基承载力、土性、施工工艺确定桩距，s取3～6倍桩径。土性基础型式对挤密性好的土，如砂土、粉土、松散土等可挤密性土，如粉质粘土、非饱和粘土等不可挤密性土，如饱和粘土、淤泥质土等单、双排布桩的条基（3～5）d（3.5～5）d（4～5）d含9根以下独立基础（3～6）d（3.5～6）d（4～6）d满堂布桩（4～6）d（4～6）d（4.5～7）dCFG桩桩距选择16山东科技大学王清标（3）桩长在满足承载力和变形要求的前提下，可以通过调整桩长来调整桩距，桩越长，桩间距可以越大。3）褥垫层设计褥垫层厚度150~300mm。桩径、桩距较大时，褥垫层厚度应取高值。8.3.2CFG桩复合地基承载力计算1）复合地基承载力特征值skpaspk1fmARmf对可挤密一般粘性土，fsk可取1.1～1.2倍天然地基承载力特征值，即fsk=（1.1～1.2）fak，塑性指数小，孔隙比大时取高值。对不可挤密土，若施工速度慢，可取fsk=fak；对不可挤密土，若施工速度快，宜通过现场试验确定fsk；对挤密效果好的土，由于承载力提高幅值的挤密分量较大，宜通过现场试验确定fsk。17山东科技大学王清标2）单桩竖向承载力特征值2uaQRpp1spaAqlquRniiipcuaAfR式中up——桩的周长（m）；n——桩长范围内所划分的土层数；qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值（kPa）；qp——桩端阻力特征值（kPa）；li——第i层土的厚度（m）；fcu——桩体混合料试块标准养护28天立方体抗压强度平均值（kPa）18山东科技大学王清标8.3.3CFG桩桩体强度与配合比设计pacu3ARf式中fcu——桩体混合料试块标准养护28d立方体（边长150mm）抗压强度平均值（kPa）；Ra——单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap——桩的截面面积（m2）。1）桩体强度计算2）桩体材料中水泥掺量及其他材料的配合比确定①以28d混合料试块的强度确定桩身混合料的水灰比)071.0(366.0ccuWCRf19山东科技大学王清标②混合料中粉灰比的用量计算CFCW791.0187.0③碎石与石屑的用量计算FWCG④石屑率的计算211GGG式中1G——每m3石屑重量（kg）；2G——每m3碎石重量（kg），12GGG；——石屑率，一般取33.0~25.0。20山东科技大学王清标8.3.4CFG桩复合地基沉降计算1）复合地基沉降计算公式（1）分层计算法211s01s0s21][njjjjiniiishEphEsss式中s——CFG桩复合地基总沉降量（mm）；1n——加固区土分层数；2n——下卧层土分层数；i0s——桩间土应力s0在加固区第i层土产生的平均附加应力（kPa）；jp0——荷载0p在下卧层第j层土产生的平均附加应力（kPa）；siE——加固区第i层的压缩模量（MPa）；sjE——下卧层第j层土的压缩模量（MPa）；ih、jh——分别为加固区和下卧层第i层和第j层的分层厚度（m）；ψs——变形计算经验系数，根据当地沉降观测资料及经验确定，也可采用表7.3数值。21山东科技大学王清标（2）复合模量法niiiiiiszzEpss111s0s'][211010s21jnjsjjinispiihEphEpsss式中p0——对应于荷载效应标准组合时的基础底面处的附加压力（kPa）；zi、zi-1——基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；ii、——基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数，可查规范附录；n——地基变形计算深度范围内所划分的土层数；Esi——