CFG桩与夯实水泥土桩复合地基在工程中的应用

随着工程建设的飞速发展，地基处理手段也日趋多样化，复合地基由于其充分利用桩间土和桩共同作用的特有优势和相对低廉的工程造价得到了越来越广泛的应用。本工程应用CFG桩和水泥土桩复合地基，充分发挥了CFG桩的高承载力性能和水泥土桩的抗变形性能，并通过褥垫层的设置发挥桩间土的承载力。

1. 基本原理

　　CFG桩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。CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称(即cement fIying-ash gravel pile)。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，和桩间士、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩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，桩顶应力比桩间士表面应力大。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CFG桩不配筋，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。
夯实水泥土桩是用人工或机械成孔，选用相对单一的土质材料，与水泥按一定配比，在孔外充分拌和均匀制成水泥土，分层向孔内回填并强力夯实，制成均匀的水泥土桩。桩、桩间土和褥垫层一起形成复合地基。夯实水泥土桩作为中等粘结强度桩，不仅适用于地下水位以上淤泥质土、素填土、粉土、粉质粘土等地基加固，对地下水位以下情况，在进行降水处理后，采取夯实水泥土桩进行地基加固，也是行之有效的一种方法。夯实水泥土桩通过两方面作用使地基强度提高，一是成桩夯实过程中挤密桩间土，使桩周土强度有一定程度提高，二是水泥土本身夯实成桩，且水泥与土混合后可产生离子交换等一系列物理化学反应，使桩体本身有较高强度，具水硬性。处理后的复合地基强度和抗变形能力有明显提高。
　　复合地基设计中，基础与桩和桩间土之间设置一定厚度散体粒状材料组成的褥垫层，是复合地基的一个核心技术。基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。若不设置褥垫层，复合地基承载特性与桩基础相似，桩间土承载能力难以发挥，不能成为复合地基。基础下设置褥垫层，桩间土载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使桩端落在好土层上，也能保证荷载通过褥垫层作用到桩间土上，使桩土共同承担荷载。
　　由基体（天然地基土体）和两种增强体三部分组成的人工地基，既能发挥CFG桩高承载力和良好的排水作用的特点，又因CFG桩的插入而使水泥土桩的侧限约束作用得到增强。同时，由于设置了夯实水泥土桩，地基土的变形能力可得到有效的改善，并同时提高了土体的抗剪强度，亦可使CFG桩避免产生刺入破坏的可能。

2. 工程概况

　　河南科技大学综合实验楼的主楼为12层，另才有1层地下室，副楼8层，均为框架结构。地基采用CFG桩与水泥土桩复合地基进行加固处理，两种桩总桩数约为3600余根。复合地基承载力设计值350kpa。CFG桩采用长螺旋钻成孔，桩身强度为20MPa；水泥土桩采用机动洛阳铲成孔，桩身强度为5MPa：褥垫层采用5~10m砾石，厚度为0.2m。

2.1 工程地质条件

　　在建的河南科技大学综合实验楼位于洛阳市涧西区西苑路北侧。场地地形较平坦，地貌单元属涧河II级阶地。其工程地质条件如表1所示。

编号
土层名
厚度（m）
承载力标准值（kpa）
极限侧阻力标准值qsik(kpa)
极限端承力标准值pqk(dqa)
1
填土
0.50-3.10
—
—
—
2
黄土状粉质粘土及粉土（新近堆积）
4.70-7.00
100
36
—
3
黄土状粉制粘土
0.70-1.70
160
40
—
4
黄土状粉制粘土及粉土
1.50-2.10
180
42
—
5
黄土状粉制粘土
1.00-2.40
150
48
—
6
黄土状粉制粘土及粉土
2.50-4.50
180
50
—
7
黄土状粉制粘土及粉土
2.60-4.90
170
46
500
8
黄土状粉制粘土及粉土
2.00-4.10
155
40
350
9
黄土状粉制粘土及粉土
3.00-5.20
180
52
550
10
卵石
7.50
650
—
2100

2.2 平面布置综合实验楼占地45×143.4m2，主楼高52.5m，平面形状为长方形，主楼东、西两侧各有一副楼，高38m。复合地基所采用的桩的类型有3种：CFG桩，水泥土长桩，水泥土短桩。布桩时考虑桩受力的合理性，尽量利用桩间土应力σs产生的附加应力对桩侧阻力的增大作用。通常σs越大，作用在桩上的水平力越大，桩的侧阻力越大。此复合地基采用夯实水泥土短桩与CFG桩成排间隔布置，CFG桩与水泥土短桩间隔0.75m，并在褥垫层周围采取水泥土长桩围护的隔水措施。主楼的CFG桩有效桩长不小于12m，水泥土桩短桩有效桩长不小于7.5m，水泥土桩长桩有效桩长不小于12m，副楼的CFG桩有效桩长不小于14.5m，水泥土桩短桩的有效桩长不小于7m，水泥土桩长桩的有效桩长不小于14.5m，桩径均为0.5m。由于此场地19.3m处出现地下水位，而设计的CFG桩达到地下26m，这就需要降水处理。CFG桩复合地基的设置，不仅可以大幅度的提高地基承载力，而且具有很好的排水作用，这就无需其它的排水措施。水泥土桩体具有很高的模量，因此，用夯实水泥土桩加固的复合地基比原地基变形模量会有较大增长，抗变形能力有明显提高。

3. 试验结果分析

3.1 复合地基静载荷试验

　　受现场条件限制，试验采用对不同桩型单桩复合地基承载力按单桩处理面积加权平均的办法，评价CFG桩和水泥土桩混合地基承载力。试验有两组复合地基试验，每组试验各有一个CFG桩与一个水泥土桩单桩复合地基试验点。两组CFG桩与水泥土桩复合地基静载荷试验P-S曲线如图1所示。第一组为CFG-308#和SNT-410#，第二组为CFG-518#和SNT-632#。从P-S曲线可以看出，复合地基静载荷试验曲线基本属于渐进型的光滑曲线，不存在陡降点。取s/b=0.01(b为方形压板的宽度)对应的荷载，其值均超过最大加荷量的一半，因此取最大加荷量的一半作为CFG桩、水泥土桩的单桩复合地基承载力设计值。即CFG桩单桩复合地基承载力设计值大于550kpa，水泥土桩单桩复合地基承载力设计值大于200kpa，对两组值进行加权平均后，可知CFG桩与夯实水泥土桩混合桩型复合地基承载力不小于375kpa，复合地基承载力提高1倍，满足设计要求。分别对两组中的CFG桩及夯实水泥土桩的试验曲线作比较，两组复合地基的承载力相差不大，说明主楼部分的地基土质分布比较均匀，基底持力层的承载力和压缩模量差别不大。

3.2 单桩竖向抗压静载荷试验结果

　　试验进行了2根水泥土桩及2根CFG桩单桩静荷试验，Q-S曲线如图2所示。CFG桩单桩极限承载力不小于1000KN，地基承载力提高130%；水泥土桩单桩极限承载力不小于5000KN，地基承载力提高近20%，均满足设计要求。从曲线可以看出，4根桩的总沉降都小于10mm，远小于《规范》要求，且沉降随时间、荷载的变化都是均匀的，基本上是弹性的。由此可以看出，当Q=1000KN时，CFG桩还没有达到极限承载力状态，当Q=500KN时，水泥土桩也没有达到极限承载力状态，还有很大“储备”。由卸载曲线可以看出，桩的弹性回弹量很小，最多只有2m，说明桩体刚度很大，沉降量主要是由于桩整体下沉造成的。从单桩复合地基静荷试验的结果分析，692#CFG桩比53#CFG桩的桩间土好，382#水泥土桩比416#水泥土桩的桩间土好，单桩复合地基承载力偏高。说明桩间土的作用明显，压板下桩土协调作用效果良好。

3.3 轻便触探试验

　　为对比加固前后桩间土承载力的变化，完工后，布置了7个轻便触探点进行试验。综合分析桩间土测试结果可知，经水泥土桩与CFG桩处理后浅层桩间土的承载力基本值不低于120kpa，比地基处理前的桩间土承载力有所提高。

3.4 应变桩身完整性检测

　　本工程低应变检测CFG桩桩身完整性463根桩，检测比例约为30%。所测的463根CFG均属于完整桩或基本完整桩。主楼、副楼均没有影响正常使用的桩。

4. 结论

(1)以复合地基静压结果数据看，本工程所采用的组合型复合地基的应用，可最大限度地发挥这两种桩的优点，使复合地基的承载力得到大幅度的提高，地基变形得以降低和控制。
(2)复合地基中由于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，其受力和变形类似于素混凝土桩，具有地基承载力高、变形小、稳定快、施工简单易行、工程质量易保证等优点，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。
(3)夯实水泥土桩处理地基是一种效果明显的处理方法，用夯实水泥土桩加固后的复合地基比原地基变形模量会有较大增长，抗变形能力有明显提高。
(4)是否设置褥垫层以及垫层的材料和厚度，直接影响复合地基的桩和桩间土强度的发挥，合理的垫层厚度对提高复合地基承载力和减少沉降变形是非常有利的。
(5)由该工程证明此种地基处理方案，质量易控制，造价低，经济、社会、环境效益明显，有极大的发展潜力。