CFG桩复合地基在道路软基问题中的设计与应用

李雪臣 王 宾 朱文伟 刘永鹏

(1.云南建工钢结构有限公司，云南 昆明 650501； 2.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224)

CFG桩复合地基在道路软基问题中的设计与应用

李雪臣1王 宾1朱文伟1刘永鹏2

(1.云南建工钢结构有限公司，云南 昆明 650501； 2.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224)

从介绍CFG桩复合地基的工作机理与特点入手，着重阐述了CFG桩复合地基的设计概要与施工技术，并对施工中出现的问题进行了归纳总结，同时提出了针对性的改进建议，以促进CFG桩复合地基技术在道路上的推广应用。

CFG桩，设计，应用

CFG桩是Cement Fly-ash Gravel Pile的简称，译为水泥粉煤灰碎石桩，它是由水泥、碎石、粉煤灰加水拌和之后形成的一种较高粘结强度的桩体。该技术是20世纪80年代末由中国建筑科学研究院地基所研发，历经20多年的科研与工程实践，目前，此项技术已经成熟。它已经不仅仅应用于房屋与厂房建筑中，而是广泛应用于市政道路、公路、高铁等各建筑行业地基处理中。

1 CFG桩复合地基技术的工作机理与特点

CFG桩的工作机理是足够刚度的基础、CFG桩、桩间土、褥垫层共同作用，构成复合地基，共同承担荷载。而共同承担荷载是通过设置一定厚度的褥垫层来实现的，这也是CFG桩复合地基技术的核心。外部荷载作用下，CFG桩桩体承担大部分荷载，桩周摩阻力发挥充分，伴随着荷载作用的时间增长和桩侧阻力的发挥，桩端阻力逐渐增强。同时桩顶褥垫层发挥调节作用，将桩身所承担的部分荷载转移至桩间土来承担，进而使桩间土与桩身进入共同工作状态，逐渐形成复合地基，共同承担荷载与变形。

和其他类型的地基处理技术相比，CFG桩具有优越的工程特性。

采用CFG桩处理地基，可适用于不同的基础形式和不同土体的性质，并且CFG桩桩长可根据工程要求设定，变化范围可从几米到20多米，调整空间相当的大，并且在全桩长度范围内发挥桩侧阻力，桩所承担的荷载可占到总体荷载的40%～75%左右，使复合地基的承载力得到很大幅度的提高。

另一方面，大量的工程实践表明，采用CFG桩处理软土地基，建筑物的沉降量一般可控制在20 mm～50 mm，而路基设计规范对普通路基工后沉降量的要求是小于30 cm，可见此项技术在路用上的应用是非常的优良。

再者，CFG桩处理软土地基如若遇到饱和的粉土和砂土时，由于桩机沉管、拔管的振动，使得土体内产生了超孔隙水压力。在超孔隙水压力作用下，透水性不好土层中的孔隙水顺着刚施工完CFG桩体排出，这样对桩间土的密实起到很大的帮助；在利用振动沉管机在高灵敏度的土体中施工时，由于振动沉管施工对周围土体产生扰动，会使得土体结构破坏、丧失或降低土体强度。但随着施工结束，成桩后，桩间土承载力有所增长，结构强度也将逐渐恢复。

此外，CFG桩桩体组成材料在拌和的过程中，掺入适量的粉煤灰，作为活性混合料，可改善混凝土的工作性和耐久性。减少了工业废料粉煤灰对环境的污染，并且变废为宝，符合中央提倡的建立环境友好型社会的要求。

2 CFG桩复合地基设计概要

CFG复合地基的设计。

路用CFG桩复合地基的设计主要体现在以下5个设计参数中，分别是桩长、桩径、桩间距、桩体强度、褥垫层厚度以及材料。可先假定桩长、桩半径、桩间距等设计参数值，如果能满足承载力与沉降的要求，表明假设成立。反之，需重新调整设计参数值。

1)桩长l。

桩长可根据地层的勘查报告，在了解各土层厚度的前提下，并根据设计规范的要求来确定。桩长值一定要大于该工点各软弱土层厚度的叠加值。

2)桩径d。

CFG桩的桩径取决于所采用的成桩设备，一般为 350 mm～600 mm。

3)桩间距s。

桩间距的大小受设计要求的复合地基承载力、复合地基的变形、土性以及成桩设备等多因素的影响，一般取3倍～5倍的桩半径。

4)面积置换率m。

5)单桩承载力特征值的计算。

根据《建筑地基基础设计规范》，当采用单桩载荷试验时，应将单桩极限承载力除以安全系数2；当无单桩载荷试验时，可按式(1)估算：

(1)

其中，μp为桩的周长，m；qsi，qp分别为桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值，kPa，由当地静载荷实验结果统计分析计算;li为第i层土的厚度，m；Ap为单桩的断面面积，m2。

6)复合地基承载力特征值的计算。

根据《建筑地基基础设计规范》，CFG 桩复合地基承载力特征值应通过现场地基载荷试验确定，初步设计时也可按式(2)估算：

(2)

其中,fspk为复合地基承载力特征值，kPa；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为单桩截面面积，m2；β为桩间土强度折减系数，宜按地区经验值，如无经验时可取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值；fak为天然地基承载力特征值，kPa。

为了工程的安全和质量，考虑到各土层性质的不确定性，在实际使用时需对理论计算结果进行折减。

7)桩体强度。

根据规范要求桩体强度：

(3)

其中,fcu为桩体混合料试块(边长150 mm立方体)标准养护28 d立方体抗压强度平均值，kPa；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为单桩截面面积，m2。

8)地基沉降量。

CFG桩复合地基的变形包括两个方面，加固区沉降与桩端下卧层沉降。目前没有精确计算复合地基的沉降的公式，故多采用经验公式。

表1 振动沉管桩机施工中易出现的问题与解决方案

9)褥垫层厚度。

褥垫层的设置是CFG桩复合地基的核心技术，在基础下设置适当厚度的褥垫层，可以使桩和桩间土共同作用，承担荷载。即使桩端落在较好的土层上，也能保证一部分荷载作用在桩间土上，使其正常工作。

大量工程实践证明，如果褥垫层的厚度过薄，桩间土作用体现不出来；反之，如果厚度过厚，虽然能够发挥桩间土的作用，但是CFG桩的设置就无实际意义，这时的复合地基与天然地基无太大的差别。总结可知，褥垫层的厚度应在技术和经济两方面都考虑的前提下，选择0.45倍～0.50倍的桩径为宜。

10)材料的要求。

a.水泥。水泥采用强度等级32.5级及以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，其性能必须符合GB 175-2007通用硅酸盐水泥的规定。b.水。宜采用饮用水。若施工地点水资源较为丰富，可就近取用，但取用前必须经化验并符合规定：硫酸盐(以三氧化硫计)含量不超过2 700 mg/L；含盐量不得超过5 000 mg/L；不得采用酸性水，pH值不得小于7。c.碎石。含有一定量的石屑：碎石粒径多采用20 mm～50 mm。d.砂。采用的砂应洁净，含泥量不大于5%。

3 应用

3.1 施工设备

工地上桩机一般为振动沉管桩机和长螺旋桩机。

振动沉管桩机主要由振动锤、桩管、拉索、架身、吊斗、卷扬机、滑轮组、桩尖等组成。其中，桩尖可分为两种，一是钢筋混凝土或是素混凝土预制桩靴，二是在桩管底部采用活瓣桩尖。

长螺旋桩机主要由长螺旋钻机、混凝土泵和强制式混凝土搅拌机等组成。

3.2 施工程序

施工场地在三通一平的前提下，参照CFG桩布桩图将桩位在场地上放出，对于采用预制桩靴的振动沉管桩机，还应预先埋设桩靴至地表以下30 cm。桩机就位，并按要求沉管与地面垂直。启动马达，振动沉管桩机沉管开始(长螺旋桩机成孔开始)，作用至设计深度后，停机(停止钻进)向管内投放混合料(长螺旋桩机泵送混合料)。振动沉管桩机再次启动马达，留振5 s～10 s后，进行拔管至地表；长螺旋桩机待钻杆芯管充满混合料后拔管，拔桩应连续。

无论哪一种施工机械，拔管时都应注意掌握拔管速度。应根据施工设备的性能和实际的工况进行控制。

完成桩体，施工桩机移位。

3.3 施工中易出现的问题及建议

根据施工设备的不同，出现的问题也各不相同。在此主要以施工中经常遇到的振动沉管桩机和长螺旋桩机为例阐述。表1与表2分别是振动沉管桩机与长螺旋桩机施工质量易出现的问题与解决方案。

另外，由于场地内地质情况较为复杂，可采用不同的桩型和材料的组合，一方面降低了工程的造价，另一方面也适应实际的工况，应用效果较好，实践证明，路肩到边坡坡脚范围内填方路堤

对地基的附加应力呈渐变规律，越接近坡脚附加应力越小，相应的路基沉降也随之变小，因此在该范围内，CFG桩的桩间距可大于路基宽度范围内的桩间距。

表2 长螺旋桩机施工中易出现的问题与解决方案

4 结语

CFG桩复合地基技术已经在工民建业内应用多年，为其在公路上的应用提供了宝贵的经验。但由于房屋建筑和道路在结构物和服务对象存在较大差异，所以筑路技术人员不能完全照搬此类技术在工民建中的实践，还需要我们不断努力发展CFG桩复合地基技术在道路上的应用。

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[4] 邵爱平，付明勇.高速公路软土地基CFG桩处置方案优化[J].公路与汽运，2007(5)：23-24.

[5] 黄建国，马玉龙.不同工程地质条件下CFG桩的设计问题[J].山西建筑，2013，39(8)：41-42.

CFG pile composite foundation in roadof the profile design and application of soft foundation problem

LI Xue-chen1WANG Bin1ZHU Wen-wei1LIU Yong-peng2

(1.YunnanConstructionEngineeringSteelStructureCo.,Ltd,Kunming650501,China;2.CivilEngineeringCollege,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

This paper introduces the working mechanism and characteristics of CFG pile composite foundation, this article emphatically elaborated the design outline and construction of CFG pile composite foundation, has carried on the induction summary to the problems in the construction, and put forward the corresponding suggestion. So as to enhance the extensive application of CFG composite foundation technique in roads.

CFG pile, design, application

2014-07-16

李雪臣(1986- )，男，硕士； 王 宾(1975- )，男； 朱文伟(1977- )，男； 刘永鹏(1989- )，男，在读硕士

1009-6825(2014)27-0093-03

TU473.1

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