CFG桩在淤泥质土中的配合比改进实践

汪旻磊

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概述

1.1 CFG桩简介

CFG桩即水泥粉煤灰碎石桩，主要的软土加固原理是利用振动打桩机击沉300～600 mm桩径的桩管，在管内一边振动一边填充由粉煤灰、碎石、水、水泥按一定比例配合而成的材料，在管内形成半刚性的桩体，与桩顶褥垫层和原地基形成复合地基，从而达到减少沉降、提高地基承载力的效果。也可通过长螺旋钻成孔，钻孔至设计标高后停止钻进并泵送混合料。

1.2 CFG桩适用范围

1.2.1 适用的地质条件

CFG桩法属于挤密、置换法。主要适用于处理黏性土、粉土、沙土和桩端具有相对硬土层、承载力标准值不低于70 kPa的淤泥质土、非欠固结人工填土等地基情况。

1.2.2 适用的构筑物条件

CFG桩因其较为灵活的配合比，对于各种环境均具有较好的适应性，在市政道路桥梁、建筑物及各种管线基础的施工中有着较为广泛的应用。

1.2.3 CFG桩在厚淤泥质土路基中改良问题的背景由来

CFG桩在小型构筑物、各类管线、涵洞基础中均有较大范围的应用，在福建沿海部分地区甚至成了主流的软基桩基础类的处理措施。福建地区尤其是东南部沿海区域水网密集，地质情况中受河水冲刷和淤积影响，表面层常为2～3 m的黏土层，其下则普遍存在由一层或多层8～12 m的淤泥或淤泥质土。CFG桩在桩身强度，水泥、粉煤灰和水的配合比上均有较高的灵活性，如何调整和改良CFG桩身配合比，使之更能适应淤泥和淤泥质土较厚的地质环境，并在工程经济性、施工质量、实际使用效果之间取得较好的平衡。

2 CFG桩配合比的相关计算

CFG桩的配料一般应根据成桩相关要求、混合料坍落度和桩身设计强度确定；桩体的设计强度应取28 d无侧限抗压强度。

（1）水量W。由坍落度具体适配确定，一般从当地经验水量为基础开始调试。

（2）一般水泥用量计算：

式中：fcu为混合料28 d强度，MPa，由150 mm的立方体试块测得；为水泥强度，MPa；C为单方水泥用量，kg；W为单方用水量，kg。

（3）粉煤灰用量F：

（4）石屑用量G1和碎石用量G2：

式中：G1为单方石屑用量，kg；G2为单方碎石用量，kg；λ为石屑率，通常取值范围为0.25～0.33。

3 工程现场CFG桩桩体配合比试验及试桩结构分析

3.1 工程现场地质标高情况

福建的某市政道路工程现场地质分布和物理参数情况见表1。

表1 桩基设计参数表

3.2 工程现场CFG桩基本参数及布置方案

3.2.1 桩基布置方案

桩径0.5 m，有效桩长14 m（根据现场施工及地质情况有一定幅度的变化）。桩距2.0 m，采用梅花形布桩；CFG桩类型仍属于加固土桩、摩擦桩。桩端持力层选用粉质黏土层。桩身强度要求同C15水泥混凝土。

3.2.2 桩基参数计算

（4）桩身强度检验：Rp2=ηquAp=0.4×6.9×106×0.252×π=542（kN），显示采用 C15等级以上的水泥混凝土强度，并可满足摩擦桩所需要的单桩承载力强度需要。

3.3 工程现场试桩检验情况

3.3.1 初步试验

工程先期采用满足设计要求的强度C15进行试桩。试桩桩位布置按照设计要求采用不小于4排的梅花形，桩间距2.0 m。试桩配合比见表2。

表2 试桩配合比

CFG桩施工方法采用振动灌注桩施工工艺，严格按照混凝土配合比进行配料。振动成管的混合料坍落度控制在70～90 mm，成桩后桩顶的浮浆厚度不大于200 mm。拔管按照匀速控制在0.6～0.8 m/min，在淤泥层拔管速度施工放慢。

3.3.2 初步试桩结果

（1）试块强度。现场留置的3块试块其28 d强度为 17.2 MPa、17.0 MPa、21.1 MPa。

（2）桩身完整性。28 d后桩身取芯报告则显示在所有C15强度试桩样本中，仅有20%的试桩样本达到Ⅰ类桩（桩身完好），而剩余80%的试桩样本则处于Ⅲ、Ⅳ类桩（桩身存在明显或者严重缺陷，对桩身结构承载力有较大影响）。桩身完整性检测结果显示C15强度试桩整体成桩率低，未能达到要求。

（3）桩身承载力。C15强度试桩样本要求达到的最大试验荷载为660 kN。试验中每级荷载增量为66 kN，当最大荷载加载至396 kN时，沉降-荷载曲线呈缓变形，桩顶总沉降达到72.8 mm，遂停止加载，桩体竖向抗压极限承载力取沉降等于40 mm时的最大荷载值316 kN，未能达到设计要求的单桩极限荷载660 kN的要求。

3.4 结果分析与改进措施

3.4.1 结果分析

原设计要求工程CFG强度应达到桩身C15级别强度，但通过现状实际试桩结果却不令人满意。在与CFG成桩效果相关的几项试验中，除复核地基承载力基本满足要求外，桩身完整性检测和单桩承载力均未能达到原设计要求。

从结果中可以发现，C15试桩样件问题主要为成桩的完整性不足，并且由于桩身完整性缺陷，致使试桩样本的单桩承载力受到损失。

通过对试桩样本和成桩过程的观察记录，发现C15试桩样件在成桩过程中存在一定的离析现象，即骨料与砂浆分离。考虑到工程所在区域较厚的淤泥和淤泥质土地质层，在成桩后的拔管过程中易对桩体混合料产生影响，土层较高的含水量进一步加剧了桩体混合料和易性不良的问题，致使出现桩体散体和断桩问题。

3.4.2 改进措施

通过对试桩问题的分析及查阅相关文献资料后，明确了以提高桩体混合料和易性为主要的改进方向。结合现状为淤泥质土的地质条件对现状结合料的影响，最终明确了以调整CFG桩配合比、提高桩体混合料中水泥掺量、减少粉煤灰掺量的调整方案，以期能在加强混合料和易性的同时进一步提高桩体自身的强度等级。新试验的桩身强度采用C20、C25强度。C20、C25强度的试桩配合比见表3。

表3 C20、C25强度的试桩配合比

3.5 改进后的试桩结果

（1）试块强度。C20的现场留置试块28 d强度值为 23.0 MPa、22.1 MPa、31.2 MPa；C25 试块 28 d强度值为 27.6 MPa、26.6 MPa、39 MPa。

（2）桩身完整性。28 d后桩身取芯报告则显示在所有C20强度试桩样本中，85%的试桩样本达到Ⅰ类桩（桩身完好），15%的试桩样本为Ⅳ类桩；C25强度样本全部达到Ⅰ类桩。C20、C25强度下的桩身完整性有显著提升，能符合设计和施工要求。

（3）桩身承载力。在改善桩身混合料配合比、提高桩身强度、保证桩身完整性后，C20试桩和C25试桩最大荷载均加至660 kN，试验进展顺利未出现异常现象，见表4。

（4）复合地基承载力。C20强度试桩强度已能充分满足设计和施工要求的复合地基承载力130 kPa，见表5。

表4 单桩承载力检测（静载试验）结果表

表5 复合地基承载力表

4 结语

CFG桩在市政工程设计中具有施工工艺较容易掌握、施工效果良好等优点，在工程中具有广泛的应用，但CFG桩性能受其成桩效果影响较大。在我国东南沿海地区存在广泛的淤泥质土和淤泥分布，在桩体施工过程中，会对CFG桩混合量的和易性和桩身完成性产生不利影响，进而影响整体CFG桩的性能效果。针对上述情况，依据该工程实践经验可通过改良CFG桩各项成分的配合比，增加水泥含量、减少粉煤灰含量来加强桩身整体强度，提高混合料和易性，但需注意避免水泥含量过高造成整体混合料流动性变差可能引起堵管的风险，经工程实践克制，相较于传统C15强度桩长，C20～C25强度的CFG桩在淤泥和淤泥质土较厚的区域更能保证桩基的整体效果，考虑到工程经济型因素，此次工程选用C20强度作为最终的桩身强度。其他工程亦可在该工程实践基础上结合各自特点进一步有针对性地进行调整，以最大程度发挥CFG在工程中的作用。本文为CFG桩在淤泥质土中的配合比调整实践提供了一次有益的尝试。