CFG桩在泵站工程中的设计与应用

鲍晓波，王 羽，程 静

（1.中水淮河规划设计研究有限公司 安徽 合肥 230601；2.河南省水利第一工程局，河南 郑州 450000）

0 引言

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，主要由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成高黏结强度桩。适用于处理黏性土、粉土、砂土和自重固结已完成的素填土地基，对塑性指数高的饱和软黏土应慎重采用。CFG桩与桩间土、褥垫层一起，利用CFG桩的黏结性、全长范围内受力、桩周摩阻力、桩端端承力和桩间土的承载能力形成复合刚性地基。

1 工程概况

朱集站为引江济淮工程江水北送段的梯级泵站之一，设计调水流量为55m3/s。泵站安装2350ZLQ18.3 -4.2 型立式轴流泵机组4台，总装机6，000kW。主要建筑物为1级建筑物。

副厂房布置在主泵房右侧，长25.60m，宽15.20m，分6层布置，地下2层、地上4层，地面高程31.70m。底板建基面高程为22.60m，坐落于第2-1层轻粉质壤土，地基允许承载力为160 kPa，该持力层厚度约为4m。下卧第⑤层粉细砂、第⑥层中重粉质壤土，允许地基承载力为210，160kPa，土层厚度约为9.10m。

2 CFG桩基础处理设计方案

2.1 基础处理方案比选

经计算，副厂房上部建筑物完建期基底应力为186kPa，小于经埋置深度修正后的地基允许承载力。但主泵房与副厂房间存在8m多的高程差，主泵房施工时两侧土方被挖除，考虑泵站防渗安全应采用黏性土回填。副厂房部分基础为回填的黏性土，后期沉降量大，难以作为副厂房的承载力土层，为防止副厂房地基土层的不均匀沉降引起的建筑物倾斜、开裂，拟对副厂房地基进行基础处理。

根据土层条件及建筑物布置，考虑主泵房与副厂房间高程差较大，换填水泥土量大，且部分基础坐落在回填土上，主泵房、副厂房间易产生不均匀沉降，因此副厂房地基处理未采用换填水泥土处理。另外，下卧层粉细砂层厚度较大，标准贯入击数29.10 ～42.90 击，水泥搅拌桩施工难度较大，因此也未考虑该方案。

基础处理方案对CFG水泥粉煤灰碎石桩和钢筋混凝土灌注桩2个方案进行了比选：①灌注桩是指通过机械钻孔、钢管挤土等方法在地基中形成桩孔，并在孔内布置钢筋笼、灌注混凝土而形成的桩，上部荷载一般由灌注桩来承担，不考虑桩间土的复合承载力作用，桩身能够抵抗水平荷载，具有适用地基范围广、噪声小、沉降变形小等优点，但造价偏高、施工工艺较复杂、质量控制要求较高；②CFG桩具有工程造价低、施工速度快、易于控制质量等优点，CFG桩与桩间土和褥垫层一起构成复合地基，但桩身基本不能抵抗水平荷载。

根据工程实际情况，副厂房四周地面高程一致，基本不受水平荷载影响，桩间土地承载力较高，宜充分利用桩与土体形成复合承载力作用，并且CFG桩整体造价较低。综合考虑，工程副厂房基础采用CFG桩处理。

2.2 CFG桩基础处理设计

副厂房基础CFG桩处理初步拟定桩底高程12m，桩底位于第⑤层粉细砂，桩长10.30m，桩直径采用0.60m，矩形布置，桩间距为2.50m，桩体混凝土强度采用C20。桩顶与副厂房底板间设置300mm厚褥垫层，材料采用水泥掺量为10%的水泥土，褥垫层范围超出副厂房底板500mm。

设计计算的目的为根据拟定的CFG桩长、间距、地质勘探资料，计算CFG桩单桩承载力，以及与桩间土体形成的复合承载力fspk，应满足fspk≥pk，其中pk为基础底面的平均压力值。根据地勘资料，其中第2-1层轻粉质壤土、第⑤层粉细砂地CFG桩极限侧阻力标准值qsik分别为38，55kPa，桩端土层为第⑤层粉细砂，极限端阻力标准值qpk为600kPa。

由《建筑地基处理技术规范》公式（1）计算。

式中：u—桩的周长（m）；qsi—桩周第i层土的侧阻力特征（kPa）；lpi—桩长范围内第i层土的厚度；αp—桩端端阻力发挥系数，按地区经验确定；qp—桩端端阻力特征值（kPa）。计算得到单桩竖向承载力特征值Ra=407kN，该特征值为靠主泵房侧回填土中的CFG桩，不考虑上部回填土的侧阻力作用，仅考虑原状土第⑤层粉细砂的侧摩阻作用和桩极限端阻力作用。

再根据规范中黏结强度增强体复合地基公式（2）计算出复合地基承载力fspk=193kPa，其中面积置换率m=4.52%。

式中：λ—单桩承载力发挥系数，可按地区经验取值；Ra—单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap—桩的截面积（m2）；β—桩间土承载力发挥系数，可按地区经验取值。因复合地基承载力fspk已满足上部建筑承载力的要求，所以未再按照《建筑地基基础设计规范》中的公式进行地基承载力深度修正。

3 CFG桩施工工艺

3.1 施工前准备

施工前进行了CFG桩配合比试验，每立方米材料配合比见表1，其中水泥采用42.5 级普通硅酸盐水泥。

表1 CFG桩材料配合比表

施工工艺设备选用长螺旋钻孔机进行成孔，然后用液压拌合料输送泵进行压灌。

3.2 施工流程和工艺

3.2.1 测量放样

依据主控制点，测定各轴线控制点，按照复验合格后的各轴线控制点进行桩位放样，具体放样时采用双控法，保证桩位误差≤20mm。

3.2.2 设备安装及调试

长螺旋钻孔机进场后，应及时进行安装及调试，确保成孔钻机行走平稳，运转正常。

3.2.3 钻机就位、成孔

钻机就位后应调整平稳，保证钻具垂直，并将钻头锥尖对准桩位中心。同时检查钻头两侧阀门，成孔阶段应保证钻头两侧阀门密闭。钻孔开始时，关闭钻头阀门，先慢后快，同时检查钻孔的偏差并及时纠正。桩身垂直度容许偏差≤1%。

3.2.4 制备桩料

长螺旋钻孔压灌浆的施工配合比应以实验室试验报告提供的材料配合比为标准，压灌CFG桩混合料采用现场拌制。

3.2.5 压灌成桩

当钻机钻孔达到要求深度后，停止钻进，同时启动拌合料输送泵向钻具内输送桩料，待桩料输送到钻具底端将钻具慢慢上提0.10 ～0.30m，以观察拌合料输送泵压力有无变化，以判断钻头两侧阀门已经打开，输送桩料顺畅后，方可开始压灌成桩工作，严禁先提管后泵料。提升速度要与泵送速度相适应，确保中心管内有0.10m3以上的拌合料，成桩时的拨管速度控制在1.20 ～1.50m/min。压灌成桩时，边泵送桩料边提拨钻具。压灌成桩过程中提钻与输送桩料应自始至终密切配合，钻具底端出料口不得高于孔内桩料的液面。成桩过程中应连续进行，压灌成桩必须一次连续灌注完成。考虑桩头部位成桩质量不易控制，压灌成桩桩顶高程高于设计桩顶0.50m，后期成桩后凿除0.50m的桩头超高。

3.3 CFG桩质量检测

设计参数指标：CFG桩复合地基承载力≥180kPa，单桩承载力≥330kN，桩体质量及承载力检验应在施工结束后28d进行。依据规范要求，CFG桩进行了复合地基静载荷试验和单桩静载荷试验，并抽取了CFG桩总数的30%，进行低应变动力试验检测桩身完整性。静载荷试验加载采用压重平台反力装置，采用慢速维持荷载法检测，试验时通过千斤顶进行逐级加载，荷载的大小由压力显示仪（负荷传感器〉控制。低应变动力试验采用反射波法，应用应力波特征法来检验桩身质量。经检测CFG桩各项指标均满足设计要求，桩身完整均为Ⅰ类桩。

4 结语

朱集站副厂房基础采用CFG桩进行基础处理，CFG桩与桩间土、褥垫层形成了复合地基，沉降稳定、均匀，副厂房与主泵房间的不均匀沉降满足规范要求，经长期运行副厂房未出现开裂、止水破坏等问题，说明设计方案合理，CFG桩在处理粉细砂地基中有良好的应用效果。