水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基技术

1、组长：刘锦伟成员：王仁磊 王鑫 王永腾 王友金 王忠廷 徐立飞土木工程2012-1 三组 目录CFG桩复合地基简介CFG桩复合地基的作用原理CFG桩复合地基施工复合地基的概念 复合地基的概念 复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体，并由原土和增强体共同承担由基础传来的建筑物荷载。这样一种人工地基称为复合地基。 增强体是由强度和模量相对原土高的材料组成，习惯上将纵向增强体称作桩。例如由碎石组成的纵向增强体叫碎石桩;由水泥和土搅拌形成的纵向增强体叫水泥土桩;由水泥、粉煤灰、碎石组成的纵向增强体叫水泥粉煤灰碎石桩。 需要特别指出的是，不论是碎石桩、水泥土桩，还是强度和模量很大的水泥粉煤灰碎石桩，

2、都视为天然土体中的增强体，它和原土一起形成复合土体，属属地基范畴地基范畴。而桩基础的桩是深基础的一部分，与上述的增强体(习惯上叫桩)是有本质区别的。 复合地基的概念 复合桩基主要考虑对象是刚性桩体，荷载由承台传给桩体，若荷载超过桩体极限承载力，桩体下刺，从而将部分荷载传给土体。此处强调复合桩基是在桩体达到极限承载能力时土体方发挥承载作用。它是在充分发挥桩体承载能力，再对土体强度进行利用，因此可以在整体承载能力不受影响的前提下减少桩体的使用，以达到经济的目的。 复合地基主要考虑对象是土体，其可能用到的桩有散体桩、柔性桩和刚性桩。土体和桩体在垫层的协调作用下同时承担荷载，桩体没有达到极限承载能力。

3、土体受荷范围为桩体整个长度，及桩端下部。从而达到对软弱土层进行改良，增加地基承载力并减少沉降变形的目的。 CFG桩简介桩简介CFG(Cement Fly-ash Grave)CFG(Cement Fly-ash Grave)桩是由水泥、粉煤灰、碎石、桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂和水按一定配合比石屑或砂和水按一定配合比均匀搅拌形成的高粘结强度均匀搅拌形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基，既能较充分形成复合地基，既能较充分发挥桩体材料的潜力，又可发挥桩体材料的潜力，又可充分利用大然地基承载力，充分利用大然地基承载力，并能因地制宜利用地方材料，并能因地制

4、宜利用地方材料，具有工效高、成本低、工后具有工效高、成本低、工后变形小、沉降稳定快的优点。变形小、沉降稳定快的优点。（如右图所示）。（如右图所示）。 CFG桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题，于 1988年立题进行试验研究，并应用于工程实践。 CFG桩复合地基试验研究成果于1992年由建设部组织鉴定，专家们一致认为:该成果具有国际领先水平，推广意义很大。 CFG桩复合地基成套技术，1994年被建设部列为全国重点推广项目，被国家科委列为国家级全国重点推广项目。1997年被列为国家级工法，并制定了中国建筑科学研究院企业标准，现已列人国家行业标准建筑地基处理技术规范。为了进一步推广这项新技术

5、，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究，并列人“九五”国家重点攻关项目。1999年12月通过了国家验收。 该技术已在全国23个省、市广泛推广应用。和桩基相比，由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基的1/3 1/2,经济效益和社会效益非常显著。 特别是近10年来，该技术已在北方地区的高层建筑地基处理中应用，仅就目前北京和河北地区的不完全统计，已有近千栋高层建筑地基处理采用了CFG桩加固技术，其中绝大多数为2035层。由于CFG桩复合地基技术具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低廉的特点，目前已成为北京及周边地区应用最普遍

6、的地基处理技术之一。 在CFG桩复合地基中,上部结构传来的荷载是由CFG桩体、桩周土和褥垫层共同承担的。褥垫层将上部基础传来的基底压力或水平力通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩周土使二者共同受力,同时土由于桩的挤密作用提高了承载力,而桩又由于周围土体的侧应力的增加而改善了受力性能。下面就CFG桩复合地基中的桩、桩周土和褥垫层的作用机理进行分析讨论。 1.桩对桩间土的挤密作用桩对桩间土的挤密作用：对于散填土、松散粉细砂、粉土,由于振动沉管CFG桩的振动和侧向挤压作用使桩间土孔隙比减小,含水量降低,土的干密度和内摩擦角有所增加,土的物理力学性能得到改善, 从而提高桩间土的承载力。2.桩体的排水

7、作用桩体的排水作用：CFG桩复合地基在成桩初期,因 桩孔内和周边充填过滤性较好的粗颗粒填料,在地基中就形成了渗透性能良好的人工竖向排水、减压的通道,使孔隙水沿桩体向上排出,可以有效地散和防止振冲产生的超孔隙水压力的增高,加速地基的排水,这种排水作用不但不会降低桩体强度,而且可以使土体强度恢复并超出原土体天然承载力。 3.预震效应：预震效应： CFG桩复合地基成桩过程中,振冲器以一定的振动频率或冲击水平向加速激振土体,使填料和地基土在提高相对密实度的同时获得强烈的预震提高了砂土抗液化能力。4.桩的置换作用：桩的置换作用： 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,生成不溶于水的稳定

8、结晶化合物,它能使桩体的抗剪强度和变形模量大大提高,所以在荷载作用下,CFG桩的压缩性明显比桩间土小,因此基础传给复合地基的附加应力,随地层的变形逐渐集中到桩体上,出现了应力集中现象,大部分荷载将由桩周和桩端承受,桩间土应力相应减小,于是复合地基的承载力比原有地基承载力有所提高。 5.对桩周土的约束作用对桩周土的约束作用在无侧向约束的土体,受荷后其侧向变形比有侧向约束的大,从而使垂直应力集中,由于CFG桩对桩周土体侧向变形的限制,使侧向变形减小,相应地也减小了垂直变形。这里说的褥垫层不是基础施工经常做的10cm厚的素混凝土垫层，而是由粗砂、碎石等散体材料组成的散体材料。在复合地基中有如下几种作

9、用：u保证桩与桩间土共同承担荷载保证桩与桩间土共同承担荷载u调整桩、土荷载分担比调整桩、土荷载分担比u减少基础底面的应力集中减少基础底面的应力集中u调整桩、上水平荷载的分担调整桩、上水平荷载的分担1.保证桩与桩间土共同承担荷载保证桩与桩间土共同承担荷载试验资料表明,复合地基在基础荷载作用下,桩体范围内应力集中,近似于桩基的受力形态,而桩间土上的反力却仍保持着类似天然地基时的马鞍形分布。而铺设一定厚度的褥垫层后,基础荷载通过褥垫层向桩间土扩散,桩体承担竖向荷载的比例得到调整,由此产生桩体与桩间土共同承担上部荷载的作用。CFG桩复合地基不设置褥垫层与设置一定厚度的褥垫层,其桩间土承担荷载的情况有明

10、显区别,如下图所示：2.调整桩、土荷载分担比调整桩、土荷载分担比复合地基桩、土荷载分担，可用桩、土应力比n表示，也可用桩、土荷载分担比表示。当褥垫层厚度H一0，桩土应力比很大。在软土中，桩土应力比n可以超过100，桩分担的荷载相当大。当H很大时，桩土应力比接近1。此时桩的荷载分担比很小。有无褥垫层桩土应力的变化如下图所示3.减少基础底面的应力集中减少基础底面的应力集中当褥垫层厚度H=0时，桩对基础的应力集中很显著，和桩基础一样需要考虑桩对基础的冲切破坏。当H大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。一般地，当褥垫层厚度大于10cm时，桩对基础底面产生的应力集中已显著降低;当H为3ocm时

11、，应力集中已很小。所以褥垫层厚度取10一30cm为宜。4.调整桩、上水平荷载的分担调整桩、上水平荷载的分担试验表明，褥垫层厚度越大，桩顶水平位移越小即桩顶承受的水平荷载越小。大量实践表明，褥垫层厚度不小于14cm时，桩体不会发生水平折断，桩在复合地基中不会失去工作能力。5.褥垫层的合理厚度褥垫层的合理厚度褥垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，需考虑桩对基础的冲切，这势必导致基础加厚。如果基础承受水平荷载作用，可能造成复合地基中桩发生断裂。褥垫层厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。l振动沉管CFG桩施工工艺l长螺旋钻

12、管内泵压CFG桩施工工艺除上述两种常用的CFG桩施工工艺外，CFG桩施工还可根据土质情况、设备条件采用以下工艺:(1)长螺旋钻干成孔灌注成桩。适用于地下水以上、提钻不塌 孔的土层条件。(2)人工或机械洛阳铲成孔灌注成桩。适用于处理深度不大，地下水位以上的粘性土、粉土和填土地基 。(3)泥浆护壁钻孔灌注成桩。 CFG桩复合地基于1988年提出并用于工程实践，首先选用的是振动沉管CFG桩施工工艺，是由于当时振动沉管打桩机在我国拥有量最多，分布的地区也最普遍。 振动沉管CFG桩施工工艺属于挤土成桩工艺挤土成桩工艺，适用于粘性土、粉土、素填土。它具有施工操作简便、施工费用较低、对桩间土的挤密效应显著等

13、优点。采用振动沉管以提高地基承载力、CFG桩施工工艺施工的CFG桩复合地基可减少地基变形以及消除地基液化消除地基液化。存在的主要问题：存在的主要问题：l 难以穿透厚的硬土层如砂层、卵石层等。l 振动及噪音污染严重，对周围居民的正常生活产生 不良的影响。l 在临近原有建筑施工时，振动对原有建筑物可能产 生不良影响。l 施工时混合料从搅拌机到桩机进料口的水平运输一般 为翻斗车或人工运输，效率相对较低。施施工工设设备备1.CFG桩施工前的准备工作桩施工前的准备工作u施工前应具备下列资料和条件:建筑物场地工程地质勘察报告。 CFG桩布桩图。布桩图应注明桩位编号以及设计说明和 施工说明。建筑场地临近的高

14、压电缆、电话线、地下管线、地下光 缆、地下构筑物及障碍物等调查资料。建筑物场地的水准点和建筑物位置控制座标等资料。具备“三通一平”条件u施工前的主要工作程序施工前的主要工作程序:(1)确定施工机具和配套设备。设备进场、设备安装调试。(2)材料供应计划。标明所用材料的规格、技术要求和数量材料进场。(3)施工组织设计方案报审通过。人员进场、开工前对施工人员进行 安全教育。(4)施放主要轴线,确定场地标高。(5)按施工平面图放好桩位,进行桩位预检。若采用钢筋混凝土预制桩 尖,需要埋入地表以下30cm左右。确定施工打桩顺序。(6)复核测量基线、水准点及桩位、CFG桩的轴线定位点,检查施工场地 所设的水

15、准点是否会受施工影响。(7)施工前安全交底、技术交底。(8)CFG桩混合料浇注申请、开盘鉴定。(9)CFG桩施工开始。2.CFG桩施工桩施工l)设备组装。设备组装。桩机进入现场,根据设计桩长、沉管入土深度确 定机架高度和沉管长度,并进行设备组装。2)就位。桩机就位须水平、稳固,调整沉管与地面垂直,确保 垂直度偏差不大于1%。3)沉管。启动马达沉管。启动马达,开始沉管过程中注意调整桩机的稳定,严禁倾斜和错位,沉管到预定标高,停机。4)记录与投料记录与投料。沉管过程中做好记录,每沉lm记录电流表上的电流一 次。并对土层变化处给予说明。停机后立即向管内投放混合料,直到混合料与理料口齐平。5)振动拔管

16、振动拔管。启动马达,振5一105,开始拔管,拔管速率一般为1.2一1.5耐min,如遇淤泥或淤泥质土,拔管速率还应放慢。拔管过程中不允许反插。如上料不足,须在拔管过程中空中投料,以保证成桩后桩顶标高达到设计要求。6)封顶。封顶。沉管拔出地面,确认成桩符合设计要求后,用粒状材料或湿粘性土封顶。然后移机进行下一根桩的施工。7)施工过程中,抽样做混合料试块,一般一个台班做一组(3块),试块尺寸为15cmX15emK15em,并测定28d抗压强度。3.CFG桩施工中常见的几个问题桩施工中常见的几个问题l)施工扰动土的强度降低施工扰动土的强度降低振动沉管成桩工艺与土的性质具有密切关系。土的密实度对土的挤

17、密性影响很大。密实的砂土或粉土会振动松散;松散的砂土或粉土可振密实。2)缩颈和断桩缩颈和断桩在饱和软土中成桩,桩机的振动力较小,当采用连打作业时,新打桩对己打桩的作用主要表现为挤压,即使得已打桩被挤成椭圆形或不规则形,严重的产生缩颈和断桩。在上部有较硬的土层或中间夹有硬土层的土中成桩,桩机的振动力较大,对已打桩的影响主要为振动破坏。采用隔桩跳打工艺,若已打桩结硬强度又不太高,在中间补打新桩时,己打桩有时被振动开裂,且裂缝一般与水平成030角。3)桩体强度不均匀桩体强度不均匀桩机卷扬系统提升沉管速度太快时,为控制平均速度,一般采用提升一距离,停下振动一段时间,非振时,速度太快可能导致缩颈断桩。拔

18、管太慢或振时间过长,都会使得桩的端部桩体水泥含量较少,桩顶浮浆过多,而且混合料也容易产生离析,造成桩身强度不均匀。4)桩料与土的混合桩料与土的混合当采用活瓣桩靴成桩时,可能出现的问题是桩靴开口打开的宽度不够,混合料下落不充分,造成桩端与土接触不密实或桩端一桩径较小。若采用反插办法,由于桩管垂直度很难保证,反插容易使土与桩体材料混合,导致桩身掺土等缺陷。4.CFG桩施工工艺对施工质量的影响桩施工工艺对施工质量的影响1)拔管速度拔管速度试验表明,拔管速度太快将造成桩径偏小或缩颈断桩。由于国产振动沉管机拔管速度都较快,可以通过增加卷扬系统中轮组的动轮数量来改变拔管速度。2)合理桩距合理桩距试验表明,

19、其它条件相同时,桩距越小,复合地基承载力越大。从桩、土作用的发挥考虑,以桩距大于4倍桩径为宜。施工时振动可使土体密度增加,场地发生下沉;不可挤密的土则要发生地表隆起,桩距越小,隆起量越大,以至于使已打的桩产生缩颈或断桩。桩距越大,施工质量越容易控制。应针对不同的土性,分别加以考虑。3)施打顺序施打顺序在设计桩的施打顺序时,主要考虑新打桩对已打桩的影响。施打顺序大体可分为两种类型,一是连续施打一是连续施打,如图3一1(a)所示,从1号桩开始,依次2号、3号连续打下去。二是间隔跳打二是间隔跳打,可以间隔一根桩,也可间隔多根桩打。如图3一1(b)所示,先打1、3、5.后打2、4、6。4)混合料的坍落

20、度混合料的坍落度工程实践表明,混合料的坍落度过大,桩顶浮浆浮浆过多,桩体强度也会降低。坍落度控制在35cm,和易性很好,当拔管速率为1.21.5m/min时,一般桩顶浮浆可控制在10cm左右,成桩质量容易保证。5)保护桩长保护桩长所谓保护桩长是指成桩时预先设定加长的一桩长,基础施工时将其剔掉。设置保护桩长的原因是成桩时桩顶不可能正好与设计标高完全一致,一般要高出桩顶设计标高一定长度(约300一500mm)5.CFG桩施工质量控制措施桩施工质量控制措施l)施工监测施工监测(l)施工场地标高观测。施工场地标高观测。施工前要测量场地的标高,注意测点应有足够的数量和代表性。(2)桩顶标高的观测桩顶标高的观测。打新桩时对己打桩但尚未结硬桩的桩顶进行桩顶位移测量,以估算桩径缩小的数值。(3)打新桩时对已打并已结硬桩的桩顶进行桩顶位桩顶位移测量移测量,以判断是否断桩。2)逐桩静压逐桩静压 对重要工程或通过施工监测发现桩顶上升较大,且桩的数量较多