水泥粉煤灰碎石桩法

1、.,1,8 水泥粉煤灰碎石桩法,8.1.1 CFG桩复合地基的概念,水泥粉煤灰碎石桩（Cement-Flyash-Gravel pile）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（简称CFG桩），桩、桩间土和褥垫层一起构成复合地基。 水泥粉煤灰碎石桩系高粘结强度桩，需设置褥垫层，以保证桩、土共同承担荷载形成复合地基。,CFG桩复合地基组成示意图,8.1 概述,2,.,8.1.2 CFG桩复合地基的应用与发展,CFG桩是建设部“七五”计划课题，于1988年立题进行试验研究。1994年被列为国家级重点推广项目。80年代末至90年代初。CFG桩多采用振动沉管打桩机施工。90年代中期

2、，在北京开始应用长螺旋钻管孔内泵压CFG桩混合料成桩工艺，并在全国推广。 CFG桩可全桩长发挥侧阻，桩端落在好的土层时可很好地发挥端阻，形成的复合地基置换作用强，复合地基承载力提高幅度大，复合模量高，地基变形小。 CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配钢筋，可充分发挥桩间土的承载力，工程造价仅为桩基的1/31/2，经济效益和社会效益显著。 CFG桩采用长螺旋钻孔管内泵压成桩工艺，具有无泥浆污染、无振动、低噪声等特点，且施工速度快、工期短、质量容易控制。,3,.,8.1.3 CFG桩复合地基工程特性,（1）承载力提高幅度大、可调性强 CFG桩桩长可从几米到20多米，可全桩长发挥桩的侧阻力，

3、桩承担的荷载占总荷载40%75%。 （2）刚性桩性状明显 CFG桩具有较大的刚性。不仅能充分发挥侧阻力，当桩端落在好土层上时，还具有明显的端承作用。 （3）桩体排水作用 当上部土层透水性较差时，CFG桩形成一个良好的排水通道，孔隙水沿着桩体向上排出，直到CFG桩体硬结为止。 （4）桩体强度和承载力的关系 CFG桩桩体强度不宜太高，一般取桩顶应力的3倍即可。 （5）复合地基变形小 CFG桩复合地基模量大、地基沉降量小。当软弱土层较厚时，将桩端落在较硬土层，可以有效减小沉降。,4,.,CFG 桩法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用

4、性。应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。 适用范围广，既可适用于条基、独立基础，也可适用于箱基、筏基；既有工业厂房，也有民用建筑。,8.1.4 CFG桩的适用范围,5,.,8.1.5 CFG桩与碎石桩的区别,（1）概念上区别 水泥粉煤灰碎石桩桩体材料除了碎石以外，还有水泥、粉煤灰的成份，桩身具有高粘结强度。 （2）承载机理区别 CFG桩为复合地基刚性桩，桩身可在全长范围内受力，能充分发挥桩周摩阻力和端承力；而碎石桩为散体材料桩，桩身无粘结强度，依靠周围土体的约束力来承受上部荷载。 （3）桩土应力比区别 CFG桩的桩土应力比较高一般在1040，具有很大的可调性，在软土中n100；而碎石桩桩

5、土应力比一般为1.54.0。 （4）适用土类区别 CFG桩用于加固填土、饱和及非饱和粘性土、松散砂土、粉土等，对塑性指数高的饱和软粘土使用要慎重；而碎石桩宜处理砂土、粉土、粘性土、填土以及软土，对不排水抗剪强度小于20kPa软土使用要慎重。,6,.,8.1.6 CFG桩的勘察要求,对拟建建筑场地要根据国标岩土工程勘察规范GB50021-2009进行工程地质勘察并提供其勘察报告。 (1)工程地质勘察内容 1)查明岩土埋藏条件及物理力学性质, 持力层及下卧层尤其是软弱土层的埋藏深度和厚度、性状及变化情况以及应力历史； 2)查明水文地质条件，地下水位的埋藏(包括地下水位线位置、流向、地下水类型等)地

6、下水对混凝土的腐蚀作用等； 3)查明特殊性土，如膨胀土、湿陷性土或液化土层的特性； 4)确定各层土的地基承载力标准值，预测地基的沉降及其均匀性； 5)提供采用CFG桩设计所需的岩土工程技术参数，确定和估算单桩承载力，可提出CFG桩的长度和建议的施工方法。,7,.,(2)勘探点间距 应根据拟建建筑物的等级、体型及平面形状等布置勘探点，勘探点的布置应能控制持力层的层面坡度、厚度及性状，其间距可根据岩土工程勘察等级确定(岩土工程勘察等级)。一般勘察点的间距位1530m、层面高差比较大时，间距应小些。 (3)勘探深度 应取勘探孔总数的1312作为控制性勘探孔，深度为桩尖以下或参见详细勘察阶段的控制性勘

7、探孔深度表。,8,.,(4)室内实验 做土的物理力学常规实验项目。 (5)勘察报告 除按国家标准勘察规范提供勘察报告外，尚需针对cFG桩处理方法特别增加一些内容。 1)提供各土层的桩侧向阻力和桩端阻力。桩侧向阻力一做按灌注桩施工工艺提供，桩端阻力按灌注桩和打入桩分别提供； 2)若有填土，应说明填土材料的构成、尤其对施工可能造成困难的工业垃圾或块石等予以说明。当基础底标高在境土层时，要提供填土承载力标准值； 3)提供基础底面以下土层的灵敏度，作为褥垫层铺设施工时能否选用动力夯实法的主要依据。,9,.,8.2 加固机理,一 桩、土受力特性,1）桩土共同作用,基础传来的荷载，先传给褥垫层，再由褥垫层

8、传递给桩与桩间土。上部传来的荷载大部集中在桩顶，当桩顶压应力超过褥垫层局部抗压强度时，桩体向上刺入，褥垫层产生局部压缩。,a）复合地基受力前 b） 复合地基受力后 CFG桩复合地基桩土共同作用示意图,10,.,2）桩、土荷载分担,总荷载记为P ; 桩体承担的荷载记为P p； 桩间土承受的荷载记为Ps。,P=Pk时，桩土承担荷载各占50%。PPk后，桩承担荷载超过桩间土。,11,.,a) 桩身摩阻力 b) 桩土位移 c) 桩轴力随深度变化 竖向荷载作用下桩传递轴向力的特征,3）桩传递轴向力的特征,4）桩间土应力分布 刚性基础下桩间土上的应力分布情况是在基础边缘应力较大，在基础中间部分较小，内外区

9、的平均应力比在1.251.45之间。,12,.,8.2.2 复合地基变形特性,1）变形模式,复合地基加固区范围内土层压缩量s1、下卧层压缩量s2和褥垫层压缩量s3。,2）复合地基土的变形性状,复合地基和天然地基不同 深度处土的位移曲线,复合地基s-z曲线比较平缓，复合地基桩间土变形小于天然地基变形；随着荷载增加，复合地基变形大于天然地基变形。,3）复合地基中桩的变形性状,与自由单桩相比，在荷载相同的情况下，复合地基中桩的变形大于自由单桩变形。,13,.,8.2.3 CFG桩复合地基各组成要素的主要作用,1）褥垫层作用,（1）保证桩与土共同承担荷载 通过褥垫层塑性调节作用把一部分荷载传到桩间土上

10、，保证桩和桩间土始终参与工作并满足变形协调条件。 （2）减小基础底面的应力集中 当褥垫层厚度H=0时，桩对基础底板的应力集中显著。 当褥垫层厚度H100mm时，桩对基础产生的应力集中现象显著降低；当褥垫层厚度H=300mm时，应力集中已经很小。当褥垫层超过一定厚度后，在基础底板设计时可不考虑桩对基础应力集中的影响。,14,.,2）桩的作用,（1）承担基础传来的荷载 （2）对地基土产生一定的挤密作用,3）CFG桩复合地基加固作用,（1）置换作用 CFG桩桩体弹性模量远大于桩间土弹性模量，CFG桩承担荷载远大于桩间土承担荷载，土被CFG桩置换是复合地基承载力得到提高主要原因。 （2）排水作用 CF

11、G桩桩体的渗透系数远大于桩间土层渗透系数。,15,.,8.3 设计计算,8.3.1 CFG桩复合地基布桩基本要求,1）平面布置 对可液化地基及饱和软粘土地基宜在基础处设12排砂石护桩。最外排桩中心至基础边缘距离不宜小于1倍桩径，且不大于1.5倍桩距。 2）CFG桩参数设计 （1） 桩径 CFG桩桩径350600mm。 （2） 桩距 根据复合地基承载力、土性、施工工艺确定桩距，s取36倍桩径。,CFG桩桩距选择,16,.,（3）桩长,在满足承载力和变形要求的前提下，可以通过调整桩长来调整桩距，桩越长，桩间距可以越大。,3）褥垫层设计 褥垫层厚度150300mm。桩径、桩距较大时，褥垫层厚度应取高

12、值。,8.3.2 CFG桩复合地基承载力计算,1）复合地基承载力特征值,17,.,2）单桩竖向承载力特征值,18,.,8.3.3 CFG桩桩体强度与配合比设计,1）桩体强度计算,2）桩体材料中水泥掺量及其他材料的配合比确定,以28d混合料试块的强度 确定桩身混合料的水灰比,19,.,混合料中粉灰比的用量计算,碎石与石屑的用量计算,石屑率的计算,20,.,8.3.4 CFG桩复合地基沉降计算,1）复合地基沉降计算公式,（1）分层计算法,21,.,（2）复合模量法,22,.,2）复合土层压缩模量Esp,3）地基变形计算深度zn,当无相邻荷载影响，基础宽度在130m范围内时，基础中点的地基变形计算深

13、度可按下列简化公式计算：,表8.3 z取值,23,.,8.4 施工技术,8.4.1 CFG桩施工所需机具,8.4.2 CFG桩成桩工艺 1）长螺旋钻孔灌注成桩工艺,长螺旋钻孔灌注成桩、长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩和振动沉管灌注成桩等。选择施工工艺时应综合考虑设计要求、地基土性质、地下水埋深及对场地周边环境的影响等因素。,步履式全螺旋钻孔机,适用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等密实以上的砂土。施工处理深度一般小于30m，常用桩径在400420mm。,24,.,2）长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩工艺,优点：低噪音、无泥浆污染；成孔制桩时不产生振动，避免了新打桩对已打桩产生的不良的

14、影响；成孔穿透能力强，可穿透硬土层，诸如砂层、圆砾层和粒径不大于60mm的卵石层；施工效率高。 钻机就位钻进成孔连续压灌混合料提升钻杆成桩钻机移位。,适用于粘性土、粉土、砂土，以及对噪声要求严格的场地。,25,.,3）振动沉管灌注成桩工艺,施工操作简单、费用低、对桩间土挤密效果显著、可消除地基液化。,施工处理深度一般小于30m，常用桩径在360420mm。,振动沉管灌注桩施工存在问题： 难以穿透砂层、卵石层等硬土层； 施工噪音较大，不适宜在城市居民区施工； 当临近已有建筑物施工时，振动对建筑物可能产生不良影响； 当施工顺序不当时，还有将邻桩挤断的可能。 施工工艺流程：钻机就位沉管成孔钻杆内灌注

15、混合料提升钻杆并补投混合料成桩钻机移位。,26,.,8.4.3 施工注意事项,1）CFG桩施工 施工时按配合比配置混合料。长螺旋钻孔、管内泵压混合料工的坍落度160200mm，振动沉管法坍落度3050mm。 沉管灌注成桩施工拔管速度控制在1.21.5m/min左右，遇淤泥或淤泥质土，拔管速度应适当放慢。 成桩过程中，抽样做混合料试块，测定其立方体抗压强度。 施工桩顶标高宜高出设计桩顶标高不少于0.5m。 施工垂直度偏差不应大于1%；满堂布桩基础，桩位偏差不应大于0.4倍桩径；条形基础，桩位偏差不应大于0.25倍桩径，单排布桩桩位偏差不大于60mm。 施打顺序分为连续施打和隔桩跳打。,27,.,

16、2）清土和截桩 保护桩长是指成桩时预先设定的加长的一段桩长，可取0.50.7m，上部用粘土封顶。待强度达到设计要求、复合地基检测完成后截掉桩头。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。 3）褥垫层施工 宜采用静力压实法，当基础底面下桩间土含水量较小时，可采用动力夯实法，夯填度（夯实后褥垫层厚度与虚铺厚度比值）不得大于0.9。,28,.,8.5 质量检验,主要检查施工记录、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。 CFG桩施工前应对水泥、粉煤灰、砂及碎石等原材料进行检验。施工中应对桩身混合料的配合比、混合料坍落度、提拔钻管速度、成孔深度、混合料灌入量

17、等进行质量控制。 打桩过程中随时检测地面是否发生隆起，打新桩时对已打但尚未固结桩的桩顶进行位移测量，以估算桩径缩小量；对已打并结硬桩的桩顶进行桩顶位移测量，以判断是否断桩。一般当桩顶位移超过10mm，需开挖进行检查。,8.5.1 施工质量检验,29,.,8.5.2 CFG桩复合地基常见的质量通病分析,1)成孔过程中常出现的问题 斜孔:主要是由于钻机不稳或钻杆垂直度不够。 孔底虚土:由于孔底为砂土层或砂层，其粘结性差，成孔后不能随钻杆的抬升带到孔外。 2)下料过程中常出现的问题 堵管: 成因一:碎石粒径偏大，或水泥因存放时间过久或受潮而结块。 成因二:弯管处选用了小直径的异径接头。 成因三:由于

18、施工不当使地下水涌入砂石回灌。 成因四:冬季施工时材料受潮结冰，经拌和后仍不能将冰块消除。 打不开活瓣，不下料或下料不畅:这种情况常发生在软土施工中，由于土的粘结性和流塑性使活瓣不能打开。,30,.,3)成桩过程中常见问题 缩颈 成因一:在饱和软土中成桩时，由于己打桩尚未成型，新打桩对已打桩进行挤压导致己打桩变形，造成缩颈。 成因二:灌注混合料时拔管太快或振捣不到位，在桩身某个位置出现桩径突然变细的现象。 断桩 成因一:在上部有较硬的土层或中间有硬土层中，采用隔行跳打工艺成桩，盯出于桩距过近，已打桩强度不太高而被振裂。 成因二:如果通过检测发现断桩的部位多位于桩顶0.5m-1.5m以内，则可判

19、定断桩是由于开挖基坑时方法不当导致浅层断桩。 水葫芦桩:主要是由于配合比不合理或搅拌不均匀。在下料时，输送管中的混合料发生离析，比重小的水和粉煤灰被其他粒料挤至桩体四周，使得桩体的某个部位偏向四周的区域没有骨料，而是充满了水和粉煤灰随着时间推移粉煤灰沉积于空桩下部。 窜桩:常是由于桩距太近且地基土层中含有较厚的砂夹层所致。,31,.,桩头部分的混合料与泥土夹杂:主要是由于混合料坍落度大、钻孔完成时提钻速度太快，使钻头泥土与CFG桩混合料同时落入孔内。 蜂窝状桩柱:出现这种现象是由于混合料和易性不好或振捣不到位所致。 桩体强度不均匀:主要是灌注混合料时拔管太慢或振捣时间过长，使得桩端部桩体水泥含

20、量太少，桩顶浮浆较多，而且混合料也容易产生离析，造成桩身强度不均。 短桩 成因一:根据打桩记录桩长达到设计要求，但桩头不出土。这是由于技术人员测量标高错误，或由于隔行打第二遍桩时原地面标高发生了变化而没有重新测量标高所致。 成因二:打桩时因停泵时间过早，停泵时混合料自身压力不够，致使桩头缩颈或桩头未达到设计标高。,32,.,8.5.3 CFG桩复合地基施工质量的控制措施 1)深入了解地质情况选用合理的成桩工艺，严格按施工要求施工 在施工过程中，成桩的施工工艺对CFG桩复合地基的质量至关重要，不合理的施工工艺将造成重大的质量问题，甚至导致质量事故，而要选择确定合理的施工工艺必须深入了解地质情况。

21、同时，CFG桩复合地基区别于桩基的主要特点就是:充分考虑利用桩间土的承载力，所以施工中应减少扰动土而引起土的强度降低。CFG桩成桩工艺中，选用哪一类成桩机和什么型号，与土的性质具有密切关系，要视工程的具体情况而定。 所以，在施工准备阶段，应根据地质情况合理地选用施工机械。这是确保CFG桩复合地基施工质量的有效途径,33,.,选择好施工工艺后，要严格按要求施工，把握各个施工要点，各个施工环节，因此在施工准备阶段在确定的施工方案时，设计好相应的技术和质量保证措施，做到心中有数。 2)采用正确的打桩顺序 在饱和软土中成桩，桩机的振动力较小，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，使

22、已打桩被挤扁形成椭圆状或不规则形状，严重的产生缩颈和断桩。此时，应采用隔桩跳打施工方案。 在饱和的松散粉土中施工，由于松散粉土振密效果好，先打桩施工完后，土体密度会有显著增加。而且，打的桩越多，土的密度越大。在补打新桩时，一是加大了沉管难度，二是非常容易造成已打桩断桩。此时，隔桩跳打方法不宜采用。 当满堂布桩时，不宜从四周转向内推进施工，宜从中心向外推进施工，或从一边向另一边推进施工。但仅凭打桩顺序的改变并不能完全避免新打桩的振动对己结硬的己打桩产生影响。此时，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。,34,.,3)严格控制拔管速率 控制混合料泵送量与拔管速度相匹配，不得停泵

23、待料。拔管速率太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩，而拔管速率过慢又会造成水泥浆分布不匀，桩顶浮浆过多，桩身强度不足和形成混合料离析现象，导致桩身强度不足。因此，施工时应严格控制拔管速率。正常的拔管速率应控制在1.21.5 m/min，一般桩顶浮浆可控制在10 cm左右。 4)控制好混合料的坍落度 大量工程实践表明，坍落度的大小对CFG桩施工质量影响最为显著。混合料坍落度过大，会形成桩顶浮浆过多，形成硅的离析和泌水，桩体强度也会降低；而且会导致混凝土流动性降低，频繁堵管。坍落度控制在35cm时，和易性好，成桩质量容易控制。 5)设置保护桩长,35,.,每根桩在加料时，要比设计桩长多加0.5m桩长的混

24、合料。用插入式振捣棒对桩顶混合料加振35s，提高桩顶混合料密实度。上部用土封顶，增大混合料表面的高度，已沁增加了自重压力，可提高混合料抵抗周围土挤压的能力。在上部基础施工时再将保护桩长剔除掉，确保成桩与设计标高一致。同时褥垫层铺设应保证桩顶以下3050mm；即桩体嵌入褥垫层3050mm。褥垫层铺设宜采用静力压实法，当基础底面下桩间土的含水量较小时，也可采用动力夯实法，夯填度(夯实后的褥垫层厚度与虚铺厚度的比值)不得大于1%。,36,.,施工垂直度偏差不应大于1%，对满堂布桩基础，桩位偏差不应大于0.4倍桩径，对条形基础，桩位偏差不应大于0.25倍桩径，对单排布桩桩位偏差不应人于60mm。 6)

25、加强施工过程中的检测和反馈 在施土过程中，应加强检测，及时发现问题，以便针对性地采取有效措施。重点应做好施工场地和已打桩桩顶标高观测，经纬仪跟踪进行桩轴线的控制，及时抽查浇筑质量，对承压水压力较高的场地应钻探深井降低水压力，褥垫层施工前桩间浮土必须清除干净等几方面的检测工作。,37,.,8.5.4 竣工质量检测,一般28d天后对CFG桩及复合地基进行检测，检测包括低应变对桩身质量的检测和静载荷试验对承载力的检测。 检测数量：静载荷试验数量取CFG桩总桩数的0.5%1.0%，但不少于3点；低应变检测数量一般取CFG桩总桩数的10%。选择试验点时应本着随机分布的原则进行选择。,1）CFG桩的检测

26、CFG桩单桩静载荷试验按建筑桩基技术规范 执行。 CFG桩低应变检测桩身质量评价分为四类： 类桩：完好桩； 类桩：有轻微缺陷，但不影响原设计桩身结构强度的桩； 类桩：有明显缺陷，但应采用其它方法进一步确认可用性的桩； 类桩：有严重缺陷或断桩。,38,.,褥垫层的厚度与铺设方法。褥垫层的底标高与桩顶设计标高相同，铺设厚度610cm，铺设面积与载荷板面积相同。 当p-s 曲线不存在极限荷载时按相对变形值确定复合地基承载力，取s/b=0.01对应的荷载作为CFG桩复合地基承载力标准值。 3）桩间土检验 用标准贯入、静力触探和钻孔取样等试验对桩间土进行处理后的对比试验。对砂性土地基可采用标准贯入动力触

27、探等方法检测挤密程度。,2）CFG桩复合地基的检测,39,.,拟建某学院教学楼为5层，框架结构,基础采用钢筋混凝土独 立柱基础,基础以采用碎石桩、CFG桩二次复合的人工地基为持 力层。根据设计要求，A区CFG桩复合地基承载力特征值 fspk280kPa，复合土层压缩模量sp12MPa。,8.6 工程应用实例,【例1】,40,.,土的工程特性指标,41,.,CFG桩设计所需的参数建议值,42,.,根据以上计算，取Ra=220kN,1） CFG桩加固地基方案设计,（1）初步确定桩长与桩径 设计桩直径为d=400mm；初选桩长4m，桩端座落在第2-2层粘土上。 （2）确定单桩承载力特征值 按类似摩擦

28、桩单桩承载力特征值计算：,43,.,桩顶应力 p Ra/Ap220/0.1256=1800kN/m2 则桩体抗压强度为 fcu3p =5.4MPa,（3）桩体强度验算 根据建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)规定：桩体试块抗压强度平均值应满足：,44,.,式中：fsk桩间土承载力特征值，取值120kPa; 桩间土强度发挥系数，取0.75。 经计算，m0.114 ，为了安全m取值0.12。 则fspk=289.4kPa280kPa，满足要求。,（4）复合地基置换率 建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)中。,45,.,复合地基压缩模量满足设计要求。,（5）复合地基压缩模量验算 复合

29、地基压缩模量Esp等于天然地基压缩模量的倍,46,.,以柱基J-1d为例： S4.004.0016.00m2， n15.28个 为保证质量及安全，取n16；,（6）桩数计算及布桩 本工程CFG桩在基础范围内按正方形或矩形、三角形布桩。根据经验及规范要求，边桩中心到基础边缘距离不宜小于400mm。 桩数根据以下公式计算：,47,.,R c水泥标号（MPa），42.5级为42.5 MPa； C水泥用量（kg）；W水的用量（kg）；fcu5.4MPa；取fcu =6MPa。 一般情况下，混合料密度为2.2g/cm3；如振动沉管施工中，混合料的坍落度为3cm时；需水量为189kg/m3。 则可得出水泥用量C=86.3 kg。,（7）桩体混合料