路基及支挡结构

结课论文

题    目         CFG 桩 综 述        

学生姓名           史 春 风           

学    院       土 木 建 筑 学 院      

学    号           *********          

完成时间          2009年6月         

CFG桩

第一节   概述

CFG桩是英文Cement Fly-ash Grave的缩写，意为水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的可变强度桩。通过调整水泥掺量及配比，其强度等级在C5-C25之间变化，是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型。CFG桩和桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同工作，故可根据复合地基性状和计算进行工程设计。CFG桩一般不用计算配筋，并且还可利用工业废料粉煤灰和石屑作掺和料，进一步降低了工程造价。

CFG桩的适用范围很广。在砂土、粉土、粘土、淤泥质土、杂填土等地基均有大量成功的实例。CFG桩对基础、条形基础、筏基都适用。

第二节 加固机理

1.1桩体的置换作用

CFG桩中的水泥经水解和水化反应以及与粉煤灰的凝硬反应，生成了主要成分为铝酸钙和硅酸钙水化物等不溶于水的纤维状结晶化合物，并不断延伸充填到碎石和石屑的孔隙中，将原来由点2点和点2面接触的骨料紧绕粘结在一起，使桩体的抗剪强度和变形模量大大提高。理论分析和三轴压缩试验表明，与碎石桩或石灰桩等低粘结强度桩相比，CFG桩具有较高的桩体模量、强度和承载能力;桩体的置换作用显著,承载力提高幅度较大。

1.2 褥垫层的调整均化作用

在竖向荷载作用下,CFG桩复合地基由于褥垫层的作用,桩体逐渐向褥垫层中刺入,桩顶部垫层材料在受压缩的同时,向周围发生流动; 垫层材料的流动补偿,使桩间土的承载力得到充分发挥,桩体承担的荷载相对减少,从而使基底的接触压力得到了均衡和调整,地基中的竖向应力分布均衡,其变形状况明显改善,复合地基的承载力大大提高。此外,作用在桩间土上竖向荷载的增大,提高了桩间土的压密程度,使桩侧法向应力增大,桩身侧摩阻力增加,桩体及复合地基的承载能力进一步提高。

1.3 挤密作用

在粉土、砂土和塑性指数较低的粘性土地基中,采用非排土法施工时,施工对土体的振动或挤压使土体得到挤密,提高了桩间土的强度和桩侧法向应力,使桩侧摩阻力增加,桩体的承载力加强,进而提高了复合地基的承载力。

第三节 CFG桩复合地基设计

3.1构造要求

水泥粉煤灰碎石桩可只在基础范围内布置，桩径宜取350～600mm。桩距应根据设计要求的复合地基承载力、土性、施工工艺等确定，宜取3～5倍桩径。桩长应根据施工成孔机械的最大能力和可作为桩端持力层的土层埋深及基础设计时需要的复合地基承载力标准值  和由下卧层验算得出的最小处理厚度来确定。

桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层厚度宜取150～300mm，当桩径大或桩距大时褥垫层厚度宜取高值。褥垫层材料应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。褥垫层虚铺厚度 h由下式确定

为夯填度,一般取0.87～0.90,为设计褥垫层厚度。

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,也可设一排保护校,仍然对称设置为宜。另外,对基础和筏形基础的基础边缘到校的中心距一般为一个校径,或基础边缘到校的边缘最小距离不宜小于150mm,对条形基础不宜小于75mm。

3.2 桩复合地基承载力特征值

水泥粉煤灰碎石桩复合地基承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时也可按下式估算：

式中   ——复合地基承载力特征值（kpa）

       M——面积置换率

       ——单桩竖向承载力特征值

       ——桩的截面积

β——桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75-0.95，天然地基承载力较高时取大值。

——处理后桩间土承载力特征值（kpa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。

单桩竖向承载力特征值Ra的取值，应符合下列规定：

1 当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2；

式中    ——桩的周长（m）;

        N——桩长范围内划分的土层数；

   、——桩周围第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值（kpa），可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007有关规定确定；

       ——第i层土的厚度（m）。

桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求：

式中       ——桩体混合料试块（边长150mm的立方体）标准养护28d立方体抗压强度平均值（kpa）

3.3 地基变形计算

地基处理后的变形计算应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007的有关规定执行。复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，ζ值可按下式确定：

式中     ——基础底面下天然地基承载力特征值（kpa）

变形计算经验系数根据当地沉降观测资料及经验确定，也可采用下表数值：

式中  ——第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值

      ——基础底面下第i层土的压缩模量值（Mpa），桩长范围内的复合地基按复合土层压缩模量取值。

地基变形计算深度应大于复合土层的厚度，并符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007中地基变形计算深度的有关规定。

第四节CFG桩复合地基施工

4.1 施工工艺

水泥粉煤灰碎石桩的施工，应根据现场条件选用下列施工工艺

4.1.1　长螺旋钻孔灌注成桩

适用于地下水埋藏较深的粘性土,成孔时不会发生坍孔现象,且对周围环境要求噪音、泥浆污染比较严格的场地。由于该地基中局部含有砂层,故在成孔提钻后灌注时易造成坍孔,影响成桩质量。

4.1.2 　泥浆护壁钻孔灌注成桩

适用于分布有砂层的地质条件,以及对振动噪音要求严格的场地。该方法钻孔速度较快,但是泥浆对场地的污染严重,影响后续孔的施工,且往往孔底沉渣较大也会影响成桩质量。

4.1.3 　振动沉管灌注成桩

适用于无坚硬土层和密实砂层的地质条件,以及对振动噪音不严格的场地。振动沉管成桩具有施工效率高、造价相对较低的优点,但是在遇到坚硬粘性土层时会发生成孔困难,降低施工效率,且由于振动沉管成桩是挤土成桩而非排土成桩,会造成一定程度的地面隆起而影响附近已成桩体的质量。

4.1.4 　长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩

适用于分布有砂层的地质条件,以及对噪音和泥浆污染要求严格的场地。这一工艺具有低噪音、无泥浆污染、不受地下水的影响、桩体质量容易保证等优点。

4.2 施工过程质量控制

（1）原材料的控制。原材料是否合乎技术规范要求，直接影响桩体质量的好坏。因此，必须严格控制原材料的质量。碎石必须满足 5～40 mm的连续级配要求; 黄砂必须满足 Ⅱ区中砂要求，含泥量<3%; 水泥宜采用 3215级以上普通硅酸盐水泥;粉煤灰质量标准应达到二级以上，烧失量 <8%。

（2）配合比的控制。施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验，施工时按配合比配制混合料。长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工的坍落度宜为160～200mm，振动沉管灌注成桩施工的坍落度宜为30～50mm，振动沉管灌注成桩后桩顶浮浆厚度不宜超过200mm。

（3）沉管垂直度的控制。垂直度是衡量CFG桩质量的一个重要指标,一般要求桩倾斜度 ≤l%。若倾斜度过大,势必减小有效桩长,同时更影响桩体的受力情况，满足不了既定桩体承载力的要求。因此 CFG桩施工前,应对作业面进行平整，对桩位及高程进行测量放样,桩管套入的预制钢筋混凝土尖或桩管下端的活瓣尖在下沉前,其轴线与桩管轴线应竖直一致并处于桩孔中心。这一点可在塔架上端悬挂一测锤进行校核。同时成孔设备就位后,必须平正、稳固,确保在施工中不发生倾斜移动及CFG桩的垂直度。

（4）控制拔管的速度。实践表明,拔管速度控制在 112～115 m /min是最适宜的。应该指出，这里的拔管速度不是指平均速度。除启动后留振 5 ～10秒钟之外 ,拔管过程中不再留振，也不得反插。

（5）桩距、桩长的要求。试验表明，在其它条件相同时，桩距越小，复合地基承载力越大；当桩距小于 4倍桩径时，随桩距的减小复合地基承载力的增长率明显下降，从发挥桩、土作用考虑,桩距大于 4倍桩径较适宜。桩距的大小也与土性有关,通常若土的挤密性良好,则桩距可小一些。

设计桩顶标高离地表的距离不大时 ≤15 m ,保护桩长取 50～70 cm; 桩顶标高离地表的距离较大时取70～100 cm。

（６）控制合理的褥垫层厚度。褥垫层材料多为级配砂石、碎石最大粒径一般不超过3 cm，粗砂或中砂等褥垫层厚度一般为 10～30 mm, 由设计给定。虚铺后多用静力压实,当桩间土含水量不大时,亦可夯实。当桩间土含水量较大,特别是灵敏度较高的土,要注意施工扰动对桩间土的影响,以免产生橡皮土。褥垫层宽度比基础宽度要大, 其宽出的部分不宜小于褥垫层的厚度 。

（７）控制跳打施工。在饱和软土中成桩,桩机的振动力较小,但当采用连打作业时,由于饱和软土的特性,新打桩将挤压已打桩形成椭圆或不规则形态,产生严重的缩颈和断桩。此时,应采用隔桩跳打施工方案,跳打应在相邻成型的桩达到设计强度的 60%以上时进行; 对松散性和流态淤泥质土,不宜多振,以边振边拔为宜。而在饱和的松散粉土中施工,由于松散粉土振密效果好,打桩施工后土体密度会显著增加。而且桩打的越多,土的密度越大。在补打新桩时加大沉管难度 ,非常容易造成已打桩断桩,此时，隔桩跳打不宜采用。当整面布桩时不宜从四周向内推进,须从中心向外或从一边向另一边推进施工。但仅凭打桩顺序的改变不能完全避免新打桩的振动对已打桩产生影响。应采用螺旋钻引孔的方案, 避免新打桩的振动造成已打桩的断桩。

此外，还应注意：

(1)冬期施工时混合料人孔温度不得低于5℃，对桩头和桩间 

土应采取保温措施。

   (2) 清土和截桩时，不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。

第五节CFG桩复合地基质量检验

施工质量检验主要应检查施工记录、混合料坍落度、桩数、桩位偏差、褥垫层厚度、夯填度和桩体试块抗压强度等。

水泥粉煤灰碎石桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验。

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。并应抽取不少于总桩数的10%的桩进行低应变动力试验，检测桩身完整性。

参考文献：

[1] JGJ79-2002,建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2] 王建锋,周 晖,卜. CFG桩复合地基加固机理及施工质量控制[A]. 矿业工程,2006 05 - 0008 – 03.

[3] 秦玉生,苑守成,徐国忠. 水泥粉煤灰碎石桩的设计与施工[A]. 地质与勘探, ( )

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