CFG桩复合地基的地基处理技术及其发展现状-彭东林

1、CFGi复合地基的地基处理技术及其发展现状摘要：CF(M复合地基处理技术目前已被国内外广泛应用在工程中，本文通过介绍CFG桩复合地基在当前的发展现状和CFGS复合地基的地基处理技术,以及CF就复合地基的优点，描述其施工工艺及其施工中遇到常见的问题如何处理，进一步反映其提高地基承载力，控制沉降方面的作用，由此说明CFGS在建筑工程中的应用价值。关键词:CFG桩复合地基应用价值一、研究背景1复合地基的概述复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体天然地基土体或被改良的天然地基土体和增强体两部分组成的人工地基。根据地基中增强体的方向又可

2、分为水平向增强体和竖向增强体复合地基。其示意图如图1-1a和1-1b所示。水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料格等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩，竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为三类散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度，单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料桩复合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。柔性桩复合地基的桩

3、体刚度较小，但桩体具有一定粘结强度，柔性桩中部强度较高的桩如粉喷桩已较强地表现出桩的性状，柔性桩复合地基的承载力由桩体和桩间土共同承担。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰土桩、石灰桩、水泥土桩等。刚性桩复合地基的桩体通常以水泥为主的胶结材料，有时由混凝土、或由混凝土和其他掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩土共同作用，通常在桩顶设置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基具有更高的承载力和压缩模量，而且复合地基承载力也具有较大的调整幅度。复合地基工程实践发展很快，但复合地基设计和计算理论尚不成熟，已有的一些简化模型和计算方法差异较大，很难统一。可见，复合地基理论远远落后

4、于工程实践的发展，因此应加强复合地基设计计算理论和方法的研究。复合地基计算理论方面，既包括复合地基承载力和沉降计算的一般理论，又指各种形式的复合地基承载力和沉降计算理论和方法。要发展各种形式的复合地基承载力和沉降计算理论，需要加强对各种形式的复合地基荷载传递机理的研究，进一步理解基础刚度、桩土相对刚度、复合地基置换率、复合地基加固区深度、荷载水平等对复合地基应力场和位移场的影响，提高各类复合地基应力场和位移场的计算精度。基于以上原因，对桩复合地基的工作性状做进一步的研究，不仅有现实的实际意义，同时在理论上也很有价值。2 CFGtt复合地基的产生与发展2.1 CFG桩复合地基概述CF(M全称水泥

5、粉煤灰碎石桩，是由碎石、石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和，用各种成桩机械在地基中制成的强度为C5-C30勺桩。CFGS复合地基是由桩、桩间土和褥垫层一起构成的刚性桩复合地基。CFGfi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。CFGS复合地基成套技术，1992年通过部级鉴定，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，现已列入国家行业标准建筑地基处理技术规范JGJ79-20023J0为进一步推广这项技术，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究

6、，并列入“九五”国家重点攻关项目。199处12月通过国家验收。该技术己在全国23个省、市广泛应用,已经成为多层至30层以下高层建筑地基处理的主要技术之一。据不完全统计，该技术己在1000多个工程中应用。和桩基相比，由于水泥粉煤灰碎石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显著。2.2 研究现状尽管CFGfi复合地基近年来在我国大量推广应用，并取得了良好的社会效益和经济效益。但CF(M复合地基理论尚不成熟，较实践远远落后。刚性桩复合地基的设计思想由中国建筑科学研究院黄熙龄院士首先提出，中国建筑科学研究院地基基础研究

7、所1992年开发成功的CF就复合地基即最早的刚性桩复合地基。为了提高复合地基承载力、减小沉降，将碎石桩中掺入水泥、粉煤灰和石屑，于是形成了粘结强度较高的CF(fi0在荷载作用下，桩身的压缩变形极小，荷载通过桩周摩阻力和桩端阻力向深层传递，因此承载力的提高幅度很大。为了保证桩土能共同作用，在桩顶铺设一定的厚度的砂石褥垫层，以利于桩顶向上刺入，由桩体、桩间土和褥垫层一起构成CF所复合地基。阎明礼等对CF(M复合地基进行了系统的研究4。阎明礼等探讨了CF就复合地基在水平荷载作用下的承载性状50吴春林讨论了CF所复合地基承载力的简易计算方法60董必昌等从CF(fi复合地基沉降变形模式出发，推导出一种考

8、虑桩一土一垫层相互作用的沉降计算方法以及桩土应力比公式，并讨论了参数取值问题70张小敏等利用可靠度理论对从国内外收集到的CF所复合地基承载力试验数据进行了概率统计处理。借助无量纲计算模式，计算不同载荷组合下CF所复合地基承载力的可靠度指标,并分析了各随机变量对可靠度指标的影响程度8o随着土工计算机技术的发展，采用数值方法分析复合地基的作用机理的研究工作也不少。谢定义采用有限元一无界元三维非线性分析程序对桩式复合地基进行了分析，可用于各类桩式复合地基。杨涛建议采用复合本构有限元计算复合地基沉降。张忠坤采用有限元法对柔性单桩竖向加载、大面积荷载作用下复合地基及路堤荷载作用下复合地基进行了分析，探讨

9、了临界桩长问题，得出了临界桩长不仅与桩土模量比有关，而且也与荷载分布有关的结论。李宁采用数值试验模型，对不同种类的复合地基进行了全面系统的数值仿真，探讨了单桩复合地基相互作用的机理、荷载传递的性状及附加应力的分布规律网。邢仲星采用平面三维三角形单元和邓肯一张模型对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基进行了有限元分析。温晓贵对复合地基进行了三维线性的数值分析。郝小员等对人工神经网络及BPW络模型作了简要介绍，并对水泥喷粉桩复合地基承载力及其影响因素的非线性关系进行了分析。提出利用地域己有水泥喷粉桩复合地基承载力及影响因素的资料建立人工神经网络模型进行承载力的设计计算。通过实例验证，该模型可达到较理想的

10、效果，可以实现水泥喷粉桩复合地基承载力的合理设计计算，为今后该类复合地基承载力的设计提供了可借鉴的方法10。二、cf（M复合地基的地基处理技术原理及施工工艺11-131CFGft复合地基概况CF（M复合地基由CF（M、桩间土和褥垫层一起形成复合地基。CFG4复合地基粘结强度桩是复合地基的代表，目前多用于高层和超高层建筑中。CF就是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩问士、褥垫层一起形成复合地基。CFG4复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩

11、顶应力比桩问士表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上CF所不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价。1.1 材料的选择：1.1.1 粉煤灰粉煤灰是燃煤发电厂排出的一种工业废料。它是磨至一定细度的粉煤灰在煤粉炉中燃烧（11001500。C）后，由收尖器惧的细灰（简称干灰）。其主要化学成分有SiO2、A12O3、Fe2O3CaG口MgO,其中粉煤灰的活Tt决定于各种粒度A12O邵口SiO2、的含量，CaO寸粉煤灰的活性也极为有利。粉煤灰的粒度组成是影响粉煤灰质量的主要指标，一般粉煤灰越

12、细，球形颗粒越多，因而水化及接触界面增加，容易发挥粉煤灰的活性。1.1.2 碎石碎石是不溶于地下水或不受侵蚀影响的硬骨料，一般采用砾石、碎石等，具粒径为2050mm密度为2.7t?m3松散密度为1.39t?m3含水率0.96%,含泥量不得大于5%。1.1.3 石屑石屑是掺入一定数量的石屑是填充碎石的孔隙，使其级配良好。石屑宜选用与同一种碎石原料进行加工，掺入的数量应由试验确定，不能随意添加。其各项参数如下：粒径2.510mm密度2.7t?m3松散密度1.47t?m3含水率1.05%,含泥量不得大于5%。1.1.4 水泥一般采用42.5号普通硅酸盐水泥，质量优良。2褥垫层的意义按照传统的CF所复

13、合地基理论，褥垫层是其重要组成部分，复合地基许多特性都与褥垫层有关。这里所说的褥垫层不是基础施工经常做的10cnS的素混凝土垫层，而是由粒状材料组成的散体垫层。2.1设置褥垫层的必要性CF所复合地基有无褥垫层，其区别主要是桩间土的承载力发挥的过程不同。当设置褥垫层时，桩间土一开始就承担了较大比例的荷载，在正常使用状态下，建筑物荷载主要由桩和桩间土共同承担；而不设褥垫层时，荷载一开始主要由桩来承担，桩问土基本不承担或承担很少。在正常使用状态下，建筑物荷载主要由桩来承担。当复合地基承载力达到极限时，无论是其承载力的大小以及桩、土的荷载分担比都是相同的，故可取消褥垫层。2.2不设置褥垫层的情况取消垫

14、层，让桩顶直接与基础接触，实际上就是在正常使用状态下充分发挥桩的承载力，使其接近极限，而让桩间土强度为作安全储备，这样虽然桩的安全系数、于2（一般1.1 左右），但地基土的安全系数却较高，复合地基总的安全度并没有降低，就象桩基础在正常使用状态下，其摩阻力和端承力发挥程度不一样、其各自的安全系数也不一样，类似于“复合桩基”的设计思想。3 CFGtt复合地基的优点3.1 适用性广，承载力提高幅度大CF所复合地基技术适用于非饱和及饱和的粉土、粘性土、填土、砂土、淤泥质土等地质条件，处理后，复合地基的承载力与原地基承载力相比，可提高2-5倍。3.2 施工简便，工期短CF所施工方法一般为长螺旋钻成孔泵送

15、混凝土法，施工时，没有钢筋笼制作等工序,成孔成桩一次完成减少了成桩时间，加快了施工速度。3.3 保护环境CF所施工时，不需泥浆护壁，没有泥浆外运，既节约了资金，又无环境污染，对市内施工，非常适合。4 CFGtt在复合地基中的优势4.1 承载力提高幅度大、可调性强CF所桩体可以从几米到20多米，并且可全桩长发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总荷载的百分比可在40%-75脸间变化，使得复合地基承载力提高幅度大并具有很大的可调性。当地基承载力较高时，荷载又不大，可将桩长设计得短一点，荷载大时，桩长可设计得长一点。特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一般5难以满足设计要求，CF

16、所复合地基则比较容易实现1.2 适应范围广对基础形式而言，CF(M既可以适用于条形基础、独立基础，也可以用于筏板基础和箱型基础。就土性而言，CFG4可用于饱和、非饱和粘性土，既可以用于挤密效果好的土,又可用于挤密效果差的土。1.3 桩体的排水作用明显CF(M在饱和粉土和沙土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生超孔隙水压力。较好透水层上面还有透水性较差的土层时，刚刚施工完得CFCtt将是一个良好的排水通道，孔隙水将沿着桩体向上排出，知道CF(fi体结硬为止。1.4 复合地基变形小复合地基模量大、建筑物沉降量小事CF所复合地基重要特点之一，大量工程实践表明，建筑物沉降量一般可控制在2-4厘

17、米。对于上部和中间有软土层的地基，用CF就加固,桩端放在下面好的土层上，可以获得模量很高的复合地基，建筑物的沉降都不大。5 CFGtt基的施工5.1 CFG桩施工设备在此，以长螺旋钻管泵压CF所为例，此施工工艺是由长螺旋钻机、混凝土泵和强制式混凝土搅拌机组成的完整体系，在现代施工中，步履式长螺旋钻机及商品混凝土比较普遍。长螺旋钻机是施工工艺中的核心部分，目前长螺旋钻机根据其成孔深度分为12、16、18、24米和30米等机型，施工前应根据设计桩长确定施工所采用的设备。其次，进行商品混凝土浇筑时如需采用接泵的，需配备泵管。5.2 施工前准备5.2.1 材料CFGS原材料包括砂、石、水泥、粉煤灰和外

18、加剂，在进场前需确定原材料的种类、品质，并将原材料送至相关部门进行检测。由于现阶段建筑施工多使用商品混凝土，所以需将商品混凝土样品及时送检。5.2.2 施工现场在降水方面，CFGS施工要求地下水应降至基底标高0.5-1.0米，确定降水深度时还应考虑电梯井、集水坑等的深度。在基坑开挖方面，具开挖深度应根据基底设计标高和保护土层厚度确定。当保护土层厚度为50厘米、褥垫层厚度为15厘米时，开挖标高为素混凝土垫层底标高以上35厘米，以此类推。其开挖范围考虑到目前国产长螺旋钻机情况，基底开挖平面尺寸以建筑物的底板边缘为基准向四周均扩出1.0米。若施工图纸上已经标注具体做法及数据，应根据图纸施工。另外施工

19、现场应做好“三通一平”等保障工作。5.2.3 施放桩位在CF(M施工前应根据图纸，确定建筑物的控制轴线，并将CF(M的准确位置施放到CFG桩作业面上。施放的桩位应明显、易找、不易被破坏，如有些工地采用有一定直径和深度的白灰点表小桩位。5.2.4 施工资料施工前应准备好工程地质勘查报告、建筑物场地临近的高压电缆及地下管线障碍物等调查资料、地基处理方案、施工组织方案、CF价复合地基施工图、施工中各种记录、报审、报验表格等。5.3施工过程5.3.1 钻机就位CFGS施工时，钻机就位后，应用钻机塔身的前后和左右的垂直标杆检查塔身导杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，确保CFGS垂直度容许偏差不大于1

20、%5.3.2钻进成孔钻孔开始时，关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触及地面时，启动钻机，开始钻进。一般先慢后快，这样便于及时修正。若发现钻杆摇晃或难钻时，应放慢进尺，否则较易导致桩孔偏斜、位移，甚至使钻杆、钻具损坏。钻进的深度取决于设计桩长，当钻头到达设计桩长预订标高时，于动力头地面停留位置相应的钻机塔身处做醒目标记，作为施工时控制桩长的依据。施工时还要考虑施工作面的标高差异，作相应增减。5.3.3 灌注及拔管CFGS成孔到设计标高后，停止钻进，开始泵送混合料，当钻杆芯管充满混合料后开始拔管，严禁先提管后泵料。成桩的提速宜控制在2-3米/分钟。成桩过程宜连续进行，应避免因后台供料慢而导致停机待料

21、。若施工中因其它原因不能连续灌注，须根据勘察报告和已掌握的施工场地的土质情况，避开饱和砂土、粉土层，灌注成桩完成后，用水泥袋盖好桩头，进行保护。施工中每根桩的投料量不得少于设计灌注量。5.3.4 移机当上一根桩施工完毕后，钻机移位，进行下一根桩的施工，由于CFGS排出的士较多,穿将临近的桩位覆盖，有时还因钻机支撑是支撑脚压在桩位旁是原标定的桩位发生移动,因此，下一根桩施工时，还应根据轴线或周围桩的位置对需施工的桩位进行复核，保证桩位准确。5.3.5 弃土清运CFG桩施工完毕，待桩体达到一定强度，一般七天左右，方可进行开槽清土。清土包括CFGt钻孔土清运和保护土层清运两部分，对于CFGS桩较长且

22、处理面积较大的楼座，由于人工清运效率低，可采用机械和人工联合清运。采用挖掘机清土时，须严格控制标高，防止挖断工程桩和扰动桩工作面以下保护土层，禁止在打桩工作面上行走，挖掘机清理完大片弃土后，人工将桩身保护桩长大部分挖除，或使其与桩身断开，一般留下30厘米的保护桩长，打桩弃土清运完毕后，其下50厘米保护土层采用人工挖除。5.3.6 桩头处理弃土工作完毕后，需将桩顶设计标高以上桩头截断，首先找出桩顶标高位置，在同一水平面按同一角度对称放置2个或4个钢钎，用大锤同时击打，将桩头截断，最好采用截桩机截桩，其次，桩头截断后，用钢钎、手锤等将桩顶从四周向中间修平至桩顶设计标高，允许偏差为0-±2

23、0厘米。5.3.7 褥垫层的处理CFGS复合地基检验完毕且满足设计要求后，可进行褥垫层施工。褥垫层材料多为粗砂、中砂或碎石，也可为细石混凝土，碎石粒径多为8-20毫米，其厚度一般为10-30毫米，具体情况根据施工图纸酌定。5.3.8 柱帽施工单独使用CFGS加固软弱地基时，应截桩头设桩帽。在桩顶设置高0.3m,长1.0m,宽1.0m的现浇C30®筋混凝土桩帽；截桩不得造成桩顶标高以下桩体断裂和扰动桩间土。A.前期施工中存在的问题：a）挖掘机清理场地时容易把CF（MJg断.b）采用涨裂法截桩头容易使CFGS水平断裂.c）投入的人力、设备较多.B.CFG桩帽混凝土完全湿揭法a）边施工CF

24、Gft边在施工地段侧用小型挖掘机把CFG06工时旋至地面的弃土装入小型农用液压汽车拉出场地，使CFGS头露出地面。b）消除桩顶被污染的混凝土，并夯实桩头混凝土。6CFGK施工常见问题及处理6.1 堵管堵管是长螺旋钻管内泵压CFGS成桩工艺常遇到的主要问题之一。它直接影响CFGS的施工效率，增加劳动强度，造成材料浪费，若故障排除不畅时，使已搅拌的CFGS混合料失水或结硬，增加再次堵管几率，给施工带来很多困难。若因混合料配合比不合理，和易8性不好而发生堵管，需注意细骨料和粉煤灰两种材料的掺入量，特别是注意粉煤灰掺入量宜控制在60-80千克/立方米。若因混合料搅拌质量有缺陷，需确保混合料能顺利通过刚

25、性管、高强柔性管、弯管和变径管到达钻杆芯管内，同时控制好混合料坍落度，宜控制在16-20厘米。若因设备缺陷而导致堵管，需保证管件连接顺畅，确保弯管与高强柔性管等连接紧密，保证垫圈无破损。此外施工人员操作不当也会导致堵管现象发生。6.2 窜孔在饱和细砂层、粉砂层中施工常遇窜孔现象。在一般情况下，完成一根桩所需时间为30-40分钟，完成1号桩后，在2号桩钻进成孔过程中，1号桩混合料尚未凝固而流向2号桩钻孔中，所以发现已完成的1号桩突然下落，有时甚至达两米以上，当2号桩泵入混合料时,泵送压力加大，迫使2号桩的混合料又流向1号桩恢复到原设计标高。这种现象叫窜孔。因此可采取增大桩距的设计方案，增大桩距的

26、目的在于减少打桩机器的剪切扰动，避免不良影响。改进钻头，提高钻进速度。减少打桩推进排数，如将一次打好几排改为2排或1排，尽快离开已打成的桩，减少对已打桩扰动能量的积累。必要时采用隔桩、隔排跳打方案，但跳打要求及时清除成桩时排出的弃土，否则会影响施工进度。6.3 断桩桩基施工完毕，发现桩身裂缝的所在部位，应分析原因，得出自身问题是在施工时，由于提钻速度较快，空气未全部释放出来，致使桩身产生断面裂缝，另外是混合料的搅拌时间不够，和易性差，出现蜂窝麻面桩。外部原因是土建施工时机械挖基坑平整土方时，被挖掘机和铲车碰断。解决方案是，浅部断桩，对断桩单独进行处理，剔除上部断桩，用与桩身相同的混合料按桩径设

27、计标高补桩。如果是外部原因土建单位用机械施工，造成大范围的浅部断桩，应与设计单位、监理单位、建设单位共同制定方案。一般情况下，在原定检测方案的基础上，选择几根断桩进行单桩复合地基静载荷试验，对比完整性桩和断桩试验结果，确定断桩是否能够使用，如果确定复合地基承载力和变形能满足设计要求，可不进行处理，如不符合要求，需进行设计方案论证。但在CF所施工时，要特别注意浅部的施工质量，在开挖基坑时，在桩顶标高以上1砒，一定采用人工开挖，以免碰断桩身，保证CFG4的完整性和质量。桩头断桩后进行接桩，当桩顶高程低于施工图标识高程时，如开槽或剔除桩头必须进行补桩，可采用比桩体强度高一等级的豆石混凝土接桩至施工图标识桩顶标高，注意在接桩过程中保护好桩间土。7桩头质量问题多为夹泥、气泡、碎不足、浮浆太厚等,1）及时清除或外运桩口出土。般是由于操作控制不当造成。控制措施:2）保持钻杆顶端气阀开启自如，控制拔管速度，防止碎中积气造成桩顶碎含气泡。3）桩顶浮浆多因孔内出水或碎离析造成，应将钻头再次打入钻孔混合料下1m左右,超灌排除浮浆后才终孔成桩。三、结束语建筑上遇到的复杂地质情况使基础工程越来越重要，其工程造价占整个工程总投资的比例也越来越大，深基坑支护、地下连续