CFG桩在某工程应用的分析

余术刚

郑州大学综合设计研究院有限公司（450000）

CFG桩在某工程应用的分析

余术刚

郑州大学综合设计研究院有限公司（450000）

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的英文缩写，它是20世纪80年代末出现的一种地基处理技术，随着我国工程建设的大量兴起，CFG桩应用也越来越广泛。CFG桩有着施工快、成本低等优点，目前，在多高层建筑以及工业厂房，高速公路路基处理，软土地区控制沉降中都有着广泛的应用，取得了良好的经济效益和社会效益。但在工程实际中也存在一些问题，文章就洛阳某工程CFG桩的适用性进行分析，得出一定的结论。

CFG桩；工程实践；褥垫层；沉降

1 地质条件

拟建项目位于洛阳市洛南新区，由3栋高层住宅楼和一个地库组成。拟建场地地形较为平坦，各勘探点孔口标高变化在155.05～158.77 m，最大高差为3.69 m。拟建场地地貌单元属于洛河Ⅰ级阶地前缘。

根据野外钻探、室内土工试验及原位测试成果进行综合分析，拟建场区地层分布上覆为第四纪冲洪积作用所形成的黄土状粉土及粉质黏土层，中间为砂及砂卵石层，下伏为上第三系黏土岩，地表为受人类活动影响所形成的填土层。根据本次勘察成果，参考区域地质资料，可将本次勘探深度内的地基土分为以下几层，现自上而下分述。

1.1 素填土（Q4ml）

黄褐色，以粉质黏土、粉土形成的素填土为主，含有草根、砖渣、灰渣等，表层分布。土质松散，均匀性、结构性差。层厚0.00～3.60 m。

1.2 黄土状粉土夹粉黏质土（Q42al+pl）

褐黄～黄褐色,粉质黏土呈可塑～硬塑状态;粉土呈稍湿～饱和、稍密～中密状态。具有针状及大孔隙，含有白色钙丝、青砖块、红砖屑及炭末等，局部夹细砂薄层，个别区域混卵砾石夹层。粉质黏土无摇振反应，稍有光泽，干强度中等，韧性中等；粉土摇振反应中等，无光泽，干强度低，韧性低。该层沉积时间相对较短,为新近堆积黄土。压缩系数平均值= 0.26 MPa-1，属中压缩性土。层厚0.80～4.60 m,层顶标高156.04～157.67 m。

细砂（Q42al+pl）：褐黄色，稍湿～饱和，稍密,矿物成份为长石、石英、云母，以细砂为主，局部地段分布有粗砂，局部夹有卵砾石和粉土薄层。呈透镜体状分布。层厚0.50～2.20 m。层顶标高153.31～155.27 m。

1.3 卵石（Q4al+pl）

杂色，湿～饱和，中密为主，局部密实，岩性成份主要为石英砂岩及火成岩，卵石含量约为70%，颗粒呈亚圆形,一般粒径3～8 cm,最大粒径超过15 cm。充填物多为圆砾、中粗砂及少量黏性土。卵石磨圆度较好，分选性一般，级配一般。层厚0.60～3.90 m，层顶标高148.77～155.35 m。

1）卵石（Q4al+pl）：杂色，湿～饱和，稍密～中密。岩性成份主要为石英砂岩及火成岩，卵石含量约为60%，颗粒呈亚圆形，一般粒径3～6 cm，最大粒径超过15 cm。充填物多为圆砾、中粗砂及少量黏性土。卵石磨圆度较好，分选性一般，级配一般。呈透镜体状分布。层厚0.50～3.80 m，层顶标高149.81～155.57 m。

2）圆砾（Q4 al+pl）：杂色，湿～饱和，松散～稍密，岩性成份以石英砂岩及火成岩为主。圆砾石含量约65%，颗粒呈亚圆形，一般粒径1～3 cm，充填物以砂、黏性土为主，局部夹有黏性土薄层。磨圆度较好，分选性一般，级配一般。呈透镜体状分布。层厚0.50～2.70 m，层顶标高149.89～155.24 m。

1.4 黏土岩（N）

黄褐～红褐色，成岩作用较差，似硬黏土状。泥质结构，厚层构造，可见倾角12～170的层理，岩体基本质量等级为Ⅴ类。以黏粒为主，部分段含砂粒和砾石，可见黑色铁锰质斑点及灰绿色高岭土条纹，局部富含钙质及砂岩块。该层强度不均匀，上部成岩作用差，呈硬黏土状，下部成岩作用稍好，岩芯多呈柱状，并且强度因钙化胶结程度不同而差异较大，遇水易软化，失水易崩解。层顶标高148.42～150.89 m。该层未钻穿，勘察最大揭露厚度34.50 m。根据区域工程地质资料，该黏土岩层厚度大于50 m。

图1 勘探点平面布置图

图21 -1剖面图

图33 -3剖面图

根据野外钻探，现场原位测试及室内土工试验成果，依据国家有关规范，并结合地区建筑经验，综合确定各地基土层的承载力特征值及变形参数如表1所示。

根据设计方提供的“岩土工程勘察任务委托书”，主楼为剪力墙结构、框剪结构，筏板基础，平均基底压力分别为600 kPa，设有2～3层地下室，地下室基底标高为-10.6 m。假定建筑物±0.00标高为157.60 m,则高层建筑筏板基础底标高为147.00 m，根据工程地质剖面图，基础持力层为（4）黏土岩层。根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的有关规定，（4）黏土岩承载力不作修正，由于（4）黏土岩承载力不能满足高层荷重要求，故不宜采用天然地基方案。根据场地的岩土工程地质条件，结合建筑物的荷载特点，本工程高层建筑也可采用刚性桩复合地基方案，基础采用复合地基上的筏板基础。

表1 各地基土承载力特征值及压缩模量

刚性桩采用CFG桩，建议采用泥浆护壁冲击成孔的施工工艺，以（4）黏土岩作为桩端持力层，由于（4）黏土岩层的性质与土层比较接近，设计时不按嵌岩桩进行单桩承载力估算。

2 CFG桩工作原理

CFG桩与桩基的主要区别在于褥垫层，上部荷载传到基底，通过褥垫层的变形，将荷载分配给桩和桩间土，使二者共同受力，同时土体受到桩的挤密而提高承载力，而桩又由于周围土的侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。当褥垫层厚度较小时，桩承担的竖向荷载比例就较大，反之，当褥垫层厚度较大时，桩间土承担的竖向荷载比例就越大。桩和桩间土共同承担荷载就需要适当厚度的褥垫层。

如不设褥垫层，当桩端位于坚硬土层时，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，桩间土承载力很难发挥。当桩端落在一般黏土层上时，基础承受荷载后，开始绝大部分荷载仍由桩承担，随着时间的增加，基础和桩的沉降不断增加，同时基础下土分担的荷载不断增加，即存在一个桩所承担的荷载逐渐向桩间土转移的过程。基础和桩之间设置了一定厚度的褥垫层后，在上部荷载作用下,桩间土的抗压刚度远小于桩的抗压刚度，桩顶出现应力集中，当桩顶压力超过褥垫层局部抗压强度时，褥垫层局部（与桩接触部分）会产生压缩量，基础和褥垫层整体也会产生向下位移压缩桩间土，此时，桩间土承载力开始发挥作用，并产生沉降直至应力平衡。由此可见设置褥垫层后，可以保证基础通过褥垫层的塑性调节作用将部分荷载传到桩间土上，从而达到桩土共同承担荷载的目的。

桩间土承担荷载的比例，由褥垫层的厚度决定。当不设褥垫层时，桩对基础底板的应力集中很显著，设计时应考虑桩对基础底板的冲切破坏（类似桩基），褥垫层厚度越大应力集中现象越不明显，当达到一定厚度时，基底反力就等同于天然地基的反力。通过试验研究，当褥垫层厚度为100 mm时，CFG桩对基底产生的应力集中已明显降低，当厚度为300 mm时，应力集中已很小，也就是说，垫层超过一定厚度后，基础底板设计时可以不考虑桩对基础应力集中的影响。建筑地基处理技术规范(JGJ 79—2012)建议CFG桩褥垫层厚度为桩径的40%～60%，这与上述原理相一致。

图4 CFG桩复合地基示意

3 CFG桩实用性分析

本工程基础持力层为第（4）黏土岩,强度较高，在上部荷载作用下，桩间土的抗压强度与桩的抗压强度相当，桩顶应力集中现象不明显，随着褥垫层的压缩，桩和桩间土压缩量相当，由于桩间土面积远大于与桩接触面积，要保持应力平衡，桩受力是主要的。褥垫层的调节作用失效，桩土共同承担荷载的目的也未达到。设置CFG桩的效果不明显。复合地基受力模式如图5所示。

图5 复合地基受力模式

[1]JGJ79—2012,建筑地基处理技术规范[S].

[2]邓跃光,黄荣.CFG桩复核地基的原理和设计[J]地质灾害和环境保护,2002(3)：9.

[3]李宁.复合地基中褥垫层作用机理研究[J].岩土力学,2000, 21(1)：10-15.