CFG桩复合地基原理与施工技术讲义讲稿

CFG桩复合地基原理与施工技术CFG桩复合地基概述桩体材料及有关参数加固机理及设计CFG桩施工

1.CFG桩复合地基概述CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩(CementFlyashGravelPile)的简称，由碎石、石屑、粉煤灰掺适量水泥加水拌合，用振动沉管打桩机或其它成桩机具制成的一种具有一定粘结强度的桩。桩体主体材料为碎石，石屑为中等粒径骨料，可改善级配，粉煤灰具有细骨料和低标号水泥作用。通过调整水泥掺量和配合比，桩体强度可在C5～C20之间变化，一般为C5～C10。CFG桩是在碎石桩的基础上发展起来的，属复合地基刚性桩。复合地基根据材料特性可分为：

散体材料桩复合地基——桩周土强度柔性桩复合地基——桩周土强度、桩身材料强度刚性桩复合地基——桩周土强度CFG桩由于自身具有一定的粘结性，故可在全长范围内受力，能充分发挥桩周摩阻力和端承力，桩土应力比高一般为10～40。复合地基承载力的提高幅度较大，并有沉降小，稳定快的特点。CFG桩可用于加固填土、饱和及非饱和粘性土、松散的砂土、粉土等。对塑性指数高的饱和软粘土使用要慎重。

2.桩体材料及有关参数

CFG桩由碎石、粉煤灰、水泥、石屑加水拌和形成。各种材料之间的配合比对混合料的强度及和易性有很大影响。一般水泥采用32.5Mpa普通水泥，碎石粒径20～50mm,石屑粒径2.5～10mm,混合料密度2.1～2.2t/m3。石屑掺量的影响碎石料之间一般为点接触，接触比表面积小，桩体抗剪强度较低。在碎石料中掺入中等粒度的石屑后，可改善级配，增大接触比表面积，提高桩体的抗剪强度。石屑的掺量可用石屑率S来表示：G1、G2—单位立方混合料中石屑和碎石的质量。

根据有关试验资料，在相同水灰比(W/C)和粉煤灰水泥之比(F/C)条件下，石屑率S与坍落度和强度之间的关系，石屑率都存在一个最佳值，过大或过小对坍落度和强度都不利。两者的最佳值比较接近，都在25%～30%范围内。不同水泥、粉煤灰掺量的影响对某一石屑率，不同水泥、粉煤灰掺量得出的混合料的立方抗压强度与水灰比W/C成反比。当石屑掺量为最佳石屑率时，控制混合料坍落度为30mm，根据不同水泥、粉煤灰掺量的配合比实验，如果增加粉煤灰的掺量，为了保证30mm的坍落度，混合料的需水量得增加；反之，需水量得减小。施工时，混合料要严格按设计配合比配备，搅拌时间不少于1min，碎石和石屑含杂质不超过5%。长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工的坍落度宜为160～200mm,振动沉管灌注桩施工的坍落度宜为30～50mm。

3.加固机理

3.1一般原理CFG桩复合地基的加固机理包括置换作用和挤密作用，其中以置换作用为主。当CFG桩用于挤密效果好的土层时，既有置换作用，又有挤密作用，当用于挤密效果差的土层时，只有置换作用。CFG桩与碎石桩的差别之一在于CFG桩可全长受力，桩土应力比大，而且具有很大的可调性，在软土中可高达100左右。CFG复合地基中由桩承担的荷载一般为40%～75%，提高承载力的幅度可达4倍或更高。3.2褥垫垫与CFG桩桩的共同作用用褥垫由散体材材料组成，可可提供向上贯贯入的条件来来调整桩土应应力比，实现现桩土协调变变形。CFG桩褥垫垫有如下几种种作用：保证桩、土共共同承担荷载载在桩基中，当当承台承受竖竖向荷载时，，对摩擦桩，，承台产生沉沉降，使桩间间土发挥一定定的承载能力力，且变形越越大，桩距越越大，作用越越明显，但与与桩间土承载载能力相比，，所占比例很很小；对端承承桩，承台沉沉降变形一般般很小，桩间间土承载能力力很难发挥。。CFG复合地地基的设计原原则是充分利利用桩间土的的垂直和水平平承载能力。。由于CFG桩复合地基基的置换率一一般不大于10%，其余余不小于90%的基底面面积为桩间土土，总荷载扣扣除桩间土承承担的荷载后后就是CFG桩应承担的的荷载。显然然，遵循这一一设计原则，，可大量减少少桩的数量，，再加上CFG桩不消耗耗钢筋，桩体体利用工业废废料和石屑作作为掺合料，，水泥用量少少，可大大降降低工程造价价。减少基础底面面的应力集中中根据实测的桩桩土应力比ｎｎ与褥垫层厚厚度ΔH的变化关系系，当褥层层厚度很小小时，桩对对基础底面面产生应力力集中。但但当褥垫厚厚度大于10cm时，应力集集中明显降降低(桩土应力比比约为6)，当褥垫层层厚度为30cm时，桩土应应力比降为为1.23。褥垫厚度可可调整桩土土荷载分担担比由有关试验验测得的结结果，当荷荷载一定时时，褥垫越越厚土承担担的荷载越越多；褥垫垫厚度一定定时，荷载载越大，桩桩承担的荷荷载所占比比例增大。。褥垫层厚度度可以调整整桩、土水水平荷载分分担比有有关实验验表明，褥褥垫厚度越越大，桩顶顶水平位移移越小，当当褥垫厚度度不小于10cm时，桩体不不会发生水平折断断。3.3CFG桩荷荷载传递特特征桩基中，桩桩顶以下桩桩各部位的的位移都大大于相应部部位土的位位移，桩侧侧土体对桩桩产生与桩桩位移相反反方向的侧侧阻力，即即正摩擦力力。桩的最最大轴力发发生在桩的的顶部。CFG桩复复合地基则则不同，任任一荷载下下桩顶的沉沉降、桩间间土表面以以及基础的的沉降均不不相同。在某一深度度Z0范围内，土土的位移大大于桩的位位移。土对对桩产生的的摩擦力方方向与桩沉沉降方向一一致，即所所谓的负摩摩擦力。Z0处桩的位移移和土的位位移相等，，该断面所所处位置为为中性点。。当Z〉Z0时，桩的位位移大于土土的位移，，土对桩产产生的是正正摩阻力。。由于褥垫层层的设置．．无论桩端端落在软土土层还是硬硬土层。从从加荷一开开始就存在在一个负摩摩擦区。在在桩基中，，负摩擦对对桩的承载载能力会产产生不利的的影响，而而在CFG桩复合地地基中，土土对桩的负负摩擦作用用对复合地地基并非有有害．它对对提高桩间间土的承载载力，减少少复合地基基的沉降变变形起着有有益的作用用。3.4CFG桩复复合地基设设计一、设计内内容CFG桩复复合地基的的设计内容容包括桩径径、桩距、、桩长、承承载力计算算、变形计计算和褥垫垫厚度。⑴桩径一般桩径为为350～～600mm，由施施工设备的的桩管决定定。CFG桩常采用用振动沉管管法施工。。⑵桩距桩距的大小小取决于设设计要求的的地基承载载力、布桩桩形式、土土质与施工工机具等，，但还要考考虑到施工工的可可行性。⑶复合地地基承载力力β—桩间土土强度折减减系数，无无经验时可可取β=0.75～0.95。⑷单桩承承载力CFG桩单单桩承载力力可按以下下方式确定定：①由单桩静静载试验确确定：Ra=Ru/k②计算确定定，按下式式估算：⑸褥层厚厚度一般取15～30cm为宜。。⑹沉降计计算复合地基总总沉降量分分为加固区区的沉降和和未加固区区的沉降.未加固区的的沉降—分分层总和和法加固区的沉沉降—应应力力修正法(沉降折减减法)复合模量法法桩身压缩量量法4.CFG桩施工4.1CFG桩施施工工艺概概述CFG桩复复合地基于于1988年提出并并用于工程程实践，，首先选选用的是振振动沉管施施工工艺，，这是因为为振动沉管管打桩机在在我国拥有有量较多，，分布也较较广。90年代末末期，中国国建科院研研制了专门门用于打设设CFG桩桩的长螺旋旋钻管内泵泵压CFG桩施工设设备。目前，用于于工程实践践的设备和和工艺有：：振动沉管施施工工艺长螺旋钻管管内泵压CFG桩施工工艺艺长螺旋钻孔孔灌注桩施施工工艺人工或机械械洛阳铲成成桩工艺泥浆护壁钻钻孔灌注桩桩施工工艺艺4.2振振动沉管施施工工艺施工准备施工前应具具备的资料料和条件:⑴场地工程地地质勘察报报告;⑵CFG桩布桩图。。应注明桩桩位编号、、设计说明明和施工说说明。⑶场地邻近的的高压电缆缆、地下管管线、地下下构筑物和和障碍物等等调查资料料。⑷场地的水准准控制点和和线路控制制坐标。施工技术措措施：⑴确定施工工机具和配配套设备；；⑵制定材料料供应计划划。标明所所用材料的的规格、技技术要求和和数量；⑶进行试成成孔，复核核地质资料料以及设备备、工艺的的适用性，，核定或调调整技术参参数；⑷按施工平平面图放好好桩位；⑸确定施打打顺序；⑹复核测量量基线、水水准点及桩桩的轴线定定位点，检检查场地所所设的水准准点是否受受施工影响响；⑺打桩机沉沉管表面应应有明显的的进尺标记记。施工流程(1)沉管：①根据设计桩桩长、成管管入土深度度确定机架架高度和沉沉管长度，，并进行设设备组装；；②桩机就位，，桩管保持持垂直，垂垂直度偏差差不大于1%；③若采用预制制钢筋砼桩桩尖，需埋埋入地表以以下300mm左右；④开始沉管。。启动马达达，沉管到到预定标高高、停机。。⑤记录激振电电流变化情情况。一般般可1m记录一次。。(3)拔管管：①拔管前，，应在原位位留振约10s再振振动拔管。。②控制拔管管速度，一一般1.2～1.5m/min较合适适。拔管过过快易造成成局部缩颈颈或断桩；；拔管太慢慢、振动时时间过长，，会使桩顶顶浮浆增厚厚，易使混混合料离析析。(2)投料料：沉管至设计计标高后须须尽快投料料，直到管管内混合料料与钢管投投料口齐。。若投料量量不够，应应在拔管过过程中空中中投料，以以保证成桩桩桩顶标高高满足设计计要求。(3)拔管管：①拔管前，，启动马达达在原位留留振约5-10s再再拔管。②控制拔管管速度，一一般1.2～1.5m/min较合适适。拔管过过快易造成成局部缩颈颈或断桩；；拔管太慢慢、振动时时间过长，，会使桩顶顶浮浆增厚厚，易使混混合料离析析。⑷沉管拔出出地面，确确认成桩符符合设计要要求后，用用粒状材料料或湿粘性性土封顶。。⑸施工过程程中，抽样样做混合料料试块，一一般一个台台班一组，，尺寸150mm××150mm×150mm,并测定28天抗压强强度。施工常见问问题及对策策施工常见问问题⑴施工扰动对对土强度的的影响根据振动沉沉管成桩工工艺对土密密实性的影影响，可将将地基土分分为三类：：挤密效果好好的土：松散填土土、粉土、、砂土等；；可挤密的土土：塑性指数不不大的松散散的粉质粘粘土和非饱和粘性性土；挤密效果差差的土：塑性指数高高的饱和软软粘土和淤淤泥质土。土的密实度度对土的挤挤密性影响响很大：密实的砂土土或粉土，，产生剪胀胀，由密变变松。松散的砂土土或粉土，，孔隙减小小，由松变变密。⑵缩径和断断桩在饱和软软土中施工工施工时，，在地基土土中将产生生超孔隙水水压力，沿沿水平方向向衰减较快快。当采用用连打作业业时，孔隙隙水压力来来不及消散散，对邻桩桩产生挤压压，使得已已打桩被挤挤成椭圆形形或不规则则形，严重重的会产生生缩径和断断桩。在上部有较较硬的土层层或中间夹夹有硬土层层的土中成成桩，施工工产生的振振动力较大大，邻桩易易出现振动动破坏。采采用隔桩跳跳打工艺，，若已打桩桩结硬但强强度不高，，在中间补补打新桩时时，已打桩桩有时会被被振裂。⑶桩体强度度不均桩机卷扬机机提升沉管管速度太快快，为控制制平均速度度，提升——留振缩径、断桩桩离离析桩桩身强度度不均⑷桩料与土土的混合采用活瓣桩桩靴成桩，，当桩靴开开口打开的的宽度不够够，混合料料下落不充充分桩桩端与接触触不密实或或桩端较小小。若采用反插插法，桩管管垂直度难难保证，桩桩身易掺土土。对策1、控制拔拔管速度太快缩缩径、、断桩太慢混混合料料离析，桩桩顶浮浆多多现场试验：：沉管φ377mm，投料料量1.8m31.2m/min开开挖桩径380mm2.5m/min开开挖挖桩径360mm0.8m/min桩桩顶浮浆多多，桩身强强度低合理的拔管管速度：1.2——1.5m/min注意：拔管管速度指线线速度，不不是平均速速度。除启动后5-10s，拔管管过程中不不再留振，不得反反插。若桩机卷扬扬速度较快快，可增加加卷扬系统统中动滑轮轮数量或通通过电动机机-减速箱箱系统调整整。2、合理布置置桩距桩距的确定需需要考虑以下下因素：承载力、沉降降；施工影响响；经济性⑴试验表明，，其它条件相相同时，桩距距越小，复合合地基承载力力越高；当桩桩距＜4d，，提高幅度不不明显。故，，从桩土作用用考虑，桩距距一般≥4d。⑵挤密效果好好的土，施工工振动使土体体密度增加，，场地下沉;不可挤密土土,地表隆起起,桩距越小小，隆起量越越大。桩距越越大，施工质质量越容易控控制。3、确定施打打顺序连续施打间隔跳打在确定施打顺顺序时，要考考虑土性和桩桩距。软土中，桩距距较大，可采采用隔桩跳打打；在饱和松松散粉土、粉粉砂中施工，，若桩距小，，不宜采用隔隔桩跳打。松松密密，加大沉管管难度和易形形成断桩。对大面积布桩桩，采用由中中心向外或一一边向一边推推进的施工顺顺序，不应由由外向中心推推进土体隆起、断断桩4、混合料坍坍落度坍落度过过大，桩桩顶浮浆多，，桩身强度降降低过小，和易性性差混合料坍落度度控制在3——5cm，和和易性好，拔拔管速度合理理，浮浆可控控制在10cm，质量容