第14章--水泥粉煤灰碎石桩

地基处理GroundTreatment重庆交通大学河海学院吴文雪第14章水泥粉煤灰碎石桩法Chapter14CementFlyashGravelPile§14.3CFG桩复合地基的工程特性§14.2加固原理§14.1概述§14.4CFG桩复合地基的设计计算§14.5CFG桩复合地基的施工14.1概述14.1Introduction水泥粉煤灰碎石桩又称为CFG桩，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和而成的高粘结强度桩，桩体和桩间土、褥垫层一起组成水泥粉煤灰碎石桩复合地基。我国从20世纪70年代起就开始利用碎石桩加固地基，在砂土和粉土中消除地基液化和提高地基承载力。后来逐渐把碎石桩的应用范围扩大，用到塑性指数较大、挤密效果不明显的粘性土中，以期提高地基的承载力。但大量的工程实践表明对这类土采用碎石桩加固，承载力提高幅度不大，原因在于：碎石桩属于散体材料桩，本身没有粘结强度，主要依靠周围土体的约束来抵抗基础传来的荷载。土体越软，对桩的约束作用越差，桩传递竖向荷载的能力越弱。CFG桩是针对碎石桩承载特性的上述不足加以改进继而发展起来的。其机理在于：在碎石桩中掺加适量的石屑、粉煤灰和水泥，加水拌和形成一种粘结强度较高的桩体，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，当桩落在好土层时也能很好地发挥端阻作用，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。各种材料的作用：CFG桩的骨干材料为碎石，系粗骨料；石屑为中等粒径骨料，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。试验表明，在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；粉煤灰既是细骨料，又有低标号水泥的作用，可使桩体具有明显的后期强度；水泥则为粘结剂，主要起胶结作用。优点：（1）CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰，不配钢筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基础的1/3～1/2，经济效益和社会效益非常显著。（2）施工工艺上具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低的特点。目前该方法已经成为许多地区应用最普遍的地基处理技术之一。适用范围：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。水泥粉煤灰碎石桩复合地基属于刚性桩复合地基，具有承载力提高幅度大，地基变形小等优点。并可适用于多种基础形式：条基、独立基础、箱基和筏基等。CFG桩施工所需机具长螺旋钻机振动沉拔桩锤泥浆护壁所采用的钻机CFG桩机CFG桩地基处理CFG桩地基处理CFG桩地基处理§14.2加固机理CFG桩加固软弱地基，桩和桩间土一起通过褥垫层形成CFG桩复合地基。其加固软弱地基的主要作用有三种：1）桩体作用；2）挤密作用；3）褥垫层作用。（一）桩体作用CFG桩不同于碎石桩，是具有一定粘结强度的混合料。在荷载作用下CFG桩的压缩性明显比周围软土小，因此基础传给复合地基的附加应力随着地基的变形逐渐集中到桩体上，出现应力集中现象，复合地基的CFG桩起到了桩体作用。（二）挤密作用CFG桩采用振动沉管法施工，由于振动和挤压作用使桩间土得到挤密。经加固后地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所减小；重度、压缩模量均有所增加，说明经加固后桩间土已挤密。（三）褥垫层作用由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫，在复合地基中有如下几种作用：1.保证桩土共同承担荷载褥垫层的设置为CFG桩复合地基在受荷后提供了桩上、下刺入的条件，即使桩端落在好土层上，至少可以提供上刺入条件，以保证桩间土始终参与工作。2.减少基础底面的应力集中当褥垫层厚度H＝0时，桩对基础的应力集中很显著，和桩基础一样，需要考虑桩对基础的冲切破坏。当H大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。一般地，当褥垫层厚度大于10cm时，桩对基础底面产生的应力集中已显著降低；当H为30cm时，应力集中已很小。所以褥垫层厚度取10－30cm为宜。3.调整桩土荷载分担比复合地基桩、土荷载分担，可用桩、土应力比n表示，也可用桩、土荷载分担比表示。当褥垫层厚度H＝0，桩土应力比很大。在软土中，桩土应力比n可以超过100，桩分担的荷载相当大。当H很大时，桩土应力比接近1。此时桩的荷载分担比很小。4.调整桩、土水平荷载的分担试验表明，褥垫层厚度越大，桩顶水平位移越小，即桩顶承受的水平荷载越小。大量实践表明，褥垫层厚度不小于10cm时，桩体不会发生水平折断，桩在复合地基中不会失去工作能力。褥垫层的合理厚度由上述知，①褥垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，需考虑桩对基础的冲切，这势必导致基础加厚。如果基础承受水平荷载作用，可能造成复合地基中桩发生断裂。②褥垫层厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。③褥垫层厚度大，能够充分发挥桩间土的承载能力。若褥垫层厚度过大，会导致桩土应力比等于或接近1。此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去了意义。这样设计的复合地基，其承载力不会比天然地基承载力有较大的提高，而且建筑物的沉降也大。综合以上分析，结合大量的工程实践，同时考虑到技术上可靠、经济上合理，褥垫层厚度取10～30cm为宜。14.4CFG桩复合地基工程特性14.4FeaturesofCFGCompositeFoundation1、承载力提高幅度大、可调性高2、适应范围广3、刚性桩的性状明显4、桩体的排水作用5、时间效应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些。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时，采用CFG桩复合地基比较容易满足要求。2、适应范围广对基础型式而言，CFG桩既可以适用于条形基础、独立基础，也可用于筏板基础和箱形基础。对于土性而言，CFG桩可用于填土、饱和及非饱和粘性土，既可用于挤密效果好的土，也可用于挤密效果差的土。地基土是具有良好挤密效果的砂土、粉土时，振动可使土挤密，桩间土的承载力可有较大幅度的提高，CFG桩是适用的。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桩用于不可挤密土时，承载力的提高只与置换作用有关。而塑性指数高的饱和软黏土，成桩时土的挤密分量为零。承载力的提高唯一取决于桩的置换作用。由于桩间土承载力太低，土的荷载分担比太低，因此不宜采用复合地基。3、刚性桩的性状明显对于柔性桩和散体材料桩，如碎石桩、砂石桩等，它们主要是通过有限的桩长（6－10m）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。而CFG桩像刚性桩一样，可全长发挥侧阻，桩端落在好的土层上时，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。4、桩体的排水作用CFG桩在饱和粉土和砂土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生超静孔隙水压力。另外，刚刚施工完的CFG桩将是一个良好的排水通道，孔隙水将沿着桩体向上排除，直到CFG桩桩体结硬为止，这样的排水工程可延续几小时。由工程实践知，排水作用对减少因孔隙水压力消散太慢引起地面隆起和增加桩间土的密实度大为有利。5、时间效应利用振动沉管桩机施工，将会对周围土产生扰动。特别是对灵敏度较高的土，会使结构强度破坏，强度降低。施工结束后，随着恢复期的增长，结构强度会有所恢复。复合地基承载力的提高，既包含了桩间土结构强度的恢复，也包括了桩、土间相互作用的加强。6、桩体强度和承载力的关系当桩体强度大于某一数值时，提高桩身强度等级对复合地基承载力没有影响。因此复合地基设计时，不必把桩体强度值设计得很高。一般取桩顶应力的3倍即可。7、复合地基变形小复合地基模量大、建筑物的沉降量小是CFG桩复合地基的重要特点之一。大量工程实践表明，建筑物的沉降量一般可控制在2－4cm。对于上部和中部有软弱土层的地基，采用CFG桩加固时，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。一、设计思想：当CFG桩桩体强度用得较高时，具有刚性桩的性状，有的设计人员常将其与桩基础相联系。现讨论CFG桩复合地基与桩基础的区别。桩基础是常用的基础类型，桩在桩基础中既可承受竖向荷载，也可承受水平荷载，众所周知，桩是一种细长构件，它传递水平荷载得能力远远小于传递竖向荷载的能力，设计时采用桩基础承受竖向荷载是扬其长，使其承受水平荷载是用其短14.5CFG桩复合地基设计计算14.5DesignofCFGCompositeFoundation在桩基础中，桩只存在向下刺入的可能。当承台承受竖直荷载时，对于摩擦桩，桩端向下刺入，承台发生沉降变形，桩间土可以发挥一定的承载作用，且沉降变形越大，桩间土的作用越明显；桩距越大，桩间土发挥的作用也就越大。对于端承桩，承台沉降变形一般很小，桩间土承载能力很难发挥。但即使是摩擦桩，桩间土承载力的发挥占承载力的百分比也很小，且难定量预估。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。因此竖向承载力设计首先是将土的承载力充分发挥，不足的部分由CFG桩来承担。由于CFG桩复合地基置换率不高，基础下桩间土承受的荷载是一个不小的数值。总的荷载扣除桩间土承担的荷载才是CFG桩承受的荷载。显然，与传统的桩基础设计思想相比，桩的数量可以大大减少，再加上CFG桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺加料，大大降低了工程造价另外CFG桩不仅用来加固软弱地基，对于较好的地基土，若建筑物荷载较大，天然地基承载力不足或变形不能满足要求，就可以采用CFG桩进行加固处理。在设计中，CFG桩不仅可以采用同一桩长，也可以根据设计条件和地质条件采用不同桩长间隔布置，甚至采用CFG桩和其他桩型组合，如CFG桩与夯实水泥土桩、碎石桩等间隔布置，形成多元复合地基（也称多桩型复合地基）。二、设计参数：CFG桩复合地基设计主要确定一下5个设计参数分别为桩长、桩径、桩间距、桩体强度、褥垫层厚度及材料。设计时除满足地基承载力和变形条件外，还要考虑以下诸多因素并进行综合分析来确定设计参数。即设计时必须明确地基处理是为了解决地基承载力问题、变形问题还是液化问题，解决问题的目的不同，采用的工艺、设计方法、布桩型式均不同。CFG桩复合地基设计中设计参数确定如下：①桩长。CFG桩复合地基要求桩端落在好的土层上，这是CFG桩复合地基设计的一个重要原则。因此，桩长是CFG桩复合地基设计时首先要确定的参数，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。设计时应根据勘查报告分析各土层，确定桩端的持力层和桩长，并计算单桩承载力。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。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、土性与施工机具。一般设计要求的承载力高时s取小值，但必须考虑施工时相邻桩之间的影响，就施工而言，希望采用较大的桩距和较长的桩长，因此s的大小应综合考虑。A、对挤密性好的土，如砂、粉土和松散的填土等，桩距可取较小值。B、对单、双排布桩的条形基础和面积不大的独立基础等，桩距可取较小，反之，筏基、箱基以及多排布桩的条基、设备基础等，桩距应适当放大。C、地下水位高、地下水丰富的建筑场地，桩距也应适当放大。④桩体强度。原则上，桩体配比按桩体强度控制，桩体试块抗压强度应满足下式要求：式中：桩体混合料