第四章-深层密实法——CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)

第四章深层密实法4.6CFG桩一.概述定义：CFG桩是水泥、粉煤灰碎石桩(CementFlyashGravel)的简称，由碎石、石屑、粉煤灰掺适量水泥加水拌合，用振动打桩机或其他成桩设备制成的一种具有一定粘结强度的桩。组成：桩体主体材料为碎石，石屑为中等粒径骨料，可改善级配，粉煤灰具有细骨料和低标号水泥作用。强度：桩体强度在C5-C20之间变化，一般为C5-C10。CFG桩是在碎石桩的基础上发展起来的，属复合地基刚性桩，严格的说，是一种半柔半刚性桩.适用范围：填土、饱和及非饱和粘性土、松散的砂土、粉土等。对于塑性指数高的饱和软粘土使用要慎重。应用范围：条形基础、独立基础、筏板基础与箱形基础。优点：工艺简单，与普通振动沉管灌注桩一样无场地污染、振动影响小少量水泥，可就地取材受力特性与水泥搅拌桩类似。工程特性：适用范围广承载力提高幅度大且可调性强复合地基变形小荷载传递性好CFG桩地基技术施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低，已成为应用较为普遍的地基处理方法。CFG桩与碎石桩对比：发展:CFG桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题，于1988年提进行试验研究，并应用于工程实践。CFG桩复合地基成套技术，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，现己列入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)。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，据不完全统计，该技术已在1000多个工程中应用。二.材料配合比及力学性能石屑掺量的影响碎石料之间一般为点接触，接触比表面积越小，桩体抗剪强度较低。在碎石料中掺入中等粒度的石屑后，可使级配良好，增大接触比表面积，提高桩体的抗剪强度。石屑掺量用石屑率S表示：112(%)GSGG石屑率都存在一个最佳值，过大或过小对坍落度和强度都不利。两者的最佳值比较接近，都在25~30%范围内。不同水泥、粉煤灰掺量的影响抗压强度R28与灰水比C/w成正比。混合料的应力-应变关系三.CFG桩复合地基作用机理1.桩体作用由于桩体材料高于软土地层，在荷载作用下，CFG桩的压缩性明显比桩间土小，因此基础传给复合地基应力，随着地层变形逐渐集中到桩体上，大部分荷载由桩体承受，桩间土应力明显减小，于是复合地基承载力高于天然地基。2.褥垫作用此处的褥垫层，是厚度为100-300mm的粒状材料组成的散体垫层。CFG桩和桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基。褥垫层为桩向上刺入提供了条件，并通过垫层材料的流动补给，使桩间土与基础始终保持接触。在桩土共同作用下，地基土的强度得到一定发挥，相应地减少了对桩的承载力要求。3.加速排水固结作用CFG桩在饱和粉土和砂土中施工时，由于成桩和振动作用，会使土体产生超孔隙水压力。刚施工完的CFG桩为一个良好的排水通道，孔隙水沿桩体向上排出，直到CFG桩体变硬（发生化学反应）为止。4.振动挤密作用CFG桩采用振动沉管法施工时，由于振动和挤密作用使桩间土得到挤密，特别在砂土层这一作用更明显。砂土在高频振动下，Dr增加，e降低，ρd、φ增大，改善土的物理性能，抗液化能力有所提高。5.减载作用CFG桩桩体材料主要由粉煤灰组成，粉煤灰的干密度为0.6-0.8g/cm3，饱和重度一般为14kN/m3，比天然土体重度小30%左右。显然，对排土成桩工艺，在加固土层范围内，复合地基土层有效重度将比原土有明显的降低，这种减载作用对减小建筑物的沉降是有利的。6.桩对土的约束作用在群桩复合地基中，桩对桩间土的具有阻止土体侧向变形的作用。相同荷载水平条件下，无侧向约束时土的侧向变形大，从而使垂直向变形加大;而由于桩对土体侧向变形的限制，减少了侧向变形，也就减小了垂直变形，使复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。四.褥垫作用保证桩土共同承担上部荷载复合地基设计的一个基本思路是桩土共同承担荷载，这也是复合地基与桩基础的一个根本区别。而桩土共同作用的条件是桩身的压缩量与桩端的刺入量之和等于桩间上的压缩量。其中桩身的压缩量受桩身的强度和刚度影响，根据资料统计，碎石桩等柔性桩复合地基的桩土应力比n值一般在1.4-4.0之间，而CFG桩复合地基的n值高达25-35，甚至更大，反应出CFG桩的桩身强度和模量远高于桩间土。CFG桩的复合地基的褥垫由碎石、级配砂石、粗砂等散体材料组成。基础CFG桩垫褥复合地基设计原则：变形协调，保证桩和土变形一致。CFG桩复合地基，基础通过厚度为H的褥垫层与桩和桩间土相联系。若基础和桩之间不设置褥垫层(即H=0)，桩和桩间土传递垂直荷载与桩基相类似。当桩端落在坚硬土层上，基础承受荷载后，桩顶沉降变形很小，绝大部分荷载由桩承担，桩间土的承载力很难发挥。对褥垫厚度H=0，桩端落在一般粘性土上，基础承受荷载后，桩和桩间土受力随时间的变化如图所示。随着时间的增加，基础和桩的沉降变形不断增加，基础下桩间土分担的荷载不断增加．桩承扭的荷载相应减少，即有一个桩所承担的荷载逐渐向桩间土转移的过程。基础和桩之间设置一定厚度的褥垫层后，复合地基中桩和桩间土荷裁的分担如图.当荷载一定时，桩顶平均应力σp和桩间土应力σs不随时间增长而变化，即使桩端落在好的土层上，σp、σs也均为一常值。这是因为褥垫层的设置，可以保证基础始终通过褥垫把一部分荷载传到桩间土上。调整竖向桩与土荷载的分担作用复合地基的竖向桩土荷载分担主要通过桩土应力比来体现，由于CFG桩的桩身模量远高于桩间土，一般桩土应力比很大。但是通过设置褥垫层，借助褥垫的调节作用，可以根据需要人为地改变桩土荷载分担比例，这一特性使CFG桩的应用具有很大的灵活性。1）褥垫厚度具有调节桩土应力比的作用，随着褥垫层厚度的增加，桩土应力比相应减小，即褥垫层的厚度越大，桩间土承载力发挥的水平也越高。2)褥垫层粒径的大小也具有调节桩土应力比的作用，而且，粒径越大，桩土应力比越高，粒径越小，桩土应力比越小。减少基础地面应力集中由于CFG桩具有刚性桩的特点，在未设置褥垫层时，桩顶必然对基础底面产生应力集中，这可能导致两个方面的结果，一是当桩体的刚度足够高时，桩顶可能对基础产生冲切破坏；二是当桩体的刚度不够时，则可能导致桩顶的压碎。设置一定厚度的褥垫层，由于褥垫层产生应力分散作用，使得基底应力扩散范围增大，应力集中现象减小，基础的厚度和配筋量可以相应缩小，同时，使桩顶免除被压碎的危险。减少桩体承受的水平荷载CFG桩为不配筋的素硷桩，其抵抗水平荷载的能力较一般加筋刚性桩(如钢筋硅桩)低许多。若没有设置褥垫层，则水平荷载主要由桩来分担。但是，当在基础与CFG桩之间铺设了褥垫层以后，由于褥垫的作用，桩体本身与基础之间没有连接，基础受水平荷载作用力则由基础对土抗力、侧面摩阻力及基底系数摩擦力来平衡，使得基础水平荷载传到桩体的水平荷载减少，水平位移减小。当△H增大到一定数值时，桩承受的水平荷载变得很小，水平荷载主要由桩间土承担。结论：褥垫厚度越大，桩顶水平位移越小，桩顶受到的水平力越小。调整地基变形由于褥垫层厚度的不同，可以影响桩土荷载的分担，根据这一原理，在CFG桩复合地基的应用中，可以通过调整褥垫层厚度，消除由于地基的不均匀性，使复合地基达到协调变形。工程中合理的垫层厚度为10～30cm。（一）设计思路抵抗荷载Q由三个部分组成：•基础底面摩阻力Ft•基础两侧面摩阻力Fl•土抗力R五.CFG桩复合地基设计计算CFG桩设计原则：充分发挥桩体承载力。（二）设计参数（1）桩径：350～600mm。（2）桩距：根据土性和挤密效果来确定，一般桩距3～5d。桩间距的大小取决于设计要求的地基承载力、布桩形式、场地地质条件以及造价、施工机具等因素，但还要考虑到施工的可行性，新打桩对已打桩是否会产生不良影响，下表为桩间距选用参考值。（3)复合地基承载力(1)dkspkskpRfmmfA或[1(1)]spkskfmnf桩间土强度提高系数桩间土强度折减系数dkR单桩承载力标准值9.0~75.0天然地基承载力较高则取大值⑷单桩承载力①由单桩静载确定：kRRudk/uR静载试验极限承载力k安全系数75.1~5.1k强度折减系数，可取0.3～0.33；28R桩体28天立方体试块强度桩周长pusiq第I层极限摩阻力pq极限端阻力取两式计算较小者②计算确定pdkARR28kAqlquRppisipdk/)(⑸变形计算•按现行规范《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)中的有关规定进行;•复合土层的分层方法与天然土层的分层方法相同，但需计算各复合土层的压缩模量;•变形计算经验系数可根据地区沉降观测资料及经验确定;•地基变形计算深度除满足《建筑地基基础设计规范》(GB50007一2002)中地基变形计算深度的有关规定外，还必须大于复合土层的厚度。•CFG桩复合地基变形S包括三个部分：加固土体的压缩变形S1，下卧层变形S2及褥垫层变形S3，S3很小，可忽略不计。S=S1+S2⑹褥垫层厚度一般取15~30cm为宜。当桩距过大时并考虑土性，褥垫层厚度还可适当加大(最大可达50cm)。⑺褥垫层材料褥垫层材料选用碎石、级配砂石(限制最大粒径)粗砂、中砂，最大粒径不宜超过30mm;也可选用级配良好的砂夹石，其中卵石或碎石含量占全重的30~50%:若使用粉细砂时，应掺入25~30%的卵石或碎石。铺设褥垫层时应考虑压实系数的影响。⑻桩体标号原则上桩体配比按标号控制，最低标号按3倍桩顶应力来确定。⑼桩的平面布置一般只在基础底板平面范围内布桩，沿轴线对称布置，不需要设保护桩。如施工条件允许，根据建筑物性质和地质条件，也可设一排保护桩，仍然对称设置为宜。2、保护桩长：成桩预留一定长度桩长（500～1000mm），基础施工时将其剔掉。3、虚铺厚度：/HhH褥垫层设计厚度压实系数，一般0.87～0.9。六.CFG桩施工1、施工顺序：粘土：跳打；松砂、粉土、填土：连打。振动沉管打桩机混凝土桩尖活瓣桩尖步履式螺旋钻孔机4、桩头处理基槽开挖至设计标高后，多余的桩头需要凿除，凿除桩头时宜采取如下措施：1、找出桩顶标高位置；2、用钢钎等工具沿桩周向桩心逐次凿除多余的桩头，直到设计标高，并把桩顶找平；3、不可用重锤或重物横向击打桩体；4、桩头凿至设计标高处，桩顶表面不可出现斜平面。如果在基槽开挖和凿除桩头，造成桩体断裂至桩顶设计标高以下，必须补救。假如断裂面距桩顶标高不深，可用C20混凝土接桩至设计桩顶标高。七.质量检验（一）施工质量控制1．施工监测（1）打桩过程中随时测量地面是否发生隆起，因为断桩常常和地表隆起相联系。（2）打新桩时对已打但尚未结硬桩的桩顶进行桩顶位移测量，以估算桩径的缩小量。（3）打新桩时对已打并结硬桩的桩顶进行桩顶位移测量，以判断是否断桩。一般当桩顶位移超过10mm，需开挖进行查验。2．逐桩静压对重要工程或施工监测发现桩顶上升量较大且桩数较多时，可对桩进行快速静压，将可能断裂并脱开的桩连接起来。这一技术在沿海地区称为“跑桩”。这一技术对保证复合地基中桩很好地传递垂直荷载是很有意义的。需要指出，CFG桩断桩并不脱开，不影响复合地基的正常使用。3．静压振拔技术所谓静压振拔是指沉管时不启动马达，借助桩机自重将沉管沉至预定标高，填料后启动马达振动拔管。对饱和软土采用这一技术对保证施工质量是有益的。4．大直径预制桩尖的采用在软土地区，当桩长范围内桩端有可能落在好的土层上时，可采用比通常用的更大的预制桩尖。桩尖的直径增大到沉管外径的1.5~2.0cm倍，称之为“大头桩尖”，其目的是为了获得更大的端阻力。（二）质量检验水泥粉煤灰碎石桩地基检验应在桩身强度满足试验荷载条件时，并宜在施工结束28d后进行。试验数量宜为总桩数的0.5~1%，且每个单体工程的试验数量不应少于3点。（1）桩间土检验。桩