第三章 深层密实法 第六节 CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)

地基处理第八讲CFG桩第三章深层密实法一、概述第六节CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)1概念：水泥粉煤灰碎石桩，简称CFG(CementFly-ashGravel)桩。是由碎石和适量的石屑，粉煤灰和少量水泥，加水拌和后用成桩机具制成具有一定粘结强度的柔性桩。过调整水泥掺量及配比，可使桩体强度等级在C5~C20之间变化。2适用土类CFG桩复合地基适用于可塑-硬塑状粘性土、粉土、砂土、碎石土的地基处理工作。对于素填土、淤泥质土、流-软塑状粘性土应慎用。可按地区经验或经试验确定其有效性后使用。3优点：CFG地基加固方法吸取了振冲碎石桩法和水泥搅拌桩法的优点,表现在五个方面。①施工工艺与普通振动沉管灌注桩一样,工艺简单，与振冲碎石桩相比，无场地污染，振动影响也较小;②仅需少量水泥而桩体强度增强效果好，便于就地取材，基础工程不会与上部结构争“三材”；③受力特性与水泥搅拌桩类似；④沉降量和差异沉降控制效果好。CFG桩的材料强度等级与普通灌注桩相近，在竖向受力时，其单桩承载力、沉降量与同等条件下的灌注桩相差无几，因此其绝对沉降量在复合地基中是最小的几种形式之一。此外，由于有褥垫层的变形协调作用，基础的局部倾斜、相邻柱基的沉降差也得以减小。因此其沉降量和差异沉降量控制效果好。⑤适应范围广以地基形式而言，CFG桩既可适用于条形基础、独立基础，也可用筏基和箱形基础；就土性而言，CFG桩可用于处理黏性土、粉土、砂土和填土；CFG既可用于挤密效果好土，也可用于挤密效果差的土。当CFG桩用于挤密效果好的土时，承载力的提高既有挤密作用、又有置换作用；当CFG桩用于不可挤密土时，承载力的提高只有置换作用。对淤泥质土和天然地基承载力较低的土(fka≤50kPa)，应按地区经验或通过现场试验确定CFG桩的适用性。基础10cm素混凝土垫层褥垫层土层桩体图3-6-1CFG桩图4CFG桩与碎石柔性桩的比较：①CFG桩身具有一定的粘结性，单桩承载力效果好，能充分发挥桩周摩阻力和端承力，故可通过改变桩长调节承载力；②CFG桩对复合地基承载力调节幅度大，最高可提高4倍以上；碎石桩为散体材料桩，桩身无粘结强度，主要依靠桩周土约束力来承受上部荷载，桩长超过有效长度之后，增加桩长对提高不大。碎石桩对复合地基承载力提高幅度只有0.5~1倍。③CFG桩可通过增加桩长，减少地基变形；④CFG桩的桩土应力比较高，一般在10～40，故桩周围压对应力应变特征影响较少，即以桩体为主；⑤CFG桩对多层及高层建筑物适用。碎石桩桩长超过有效长度之后，对地基变形影响较小。碎石桩桩土应力比一般只有为1.5～4.0，增加桩长对提高复合地基承载力意义不大，只有提高置换率，而提高置换率又会给施工造成很多困难。碎石桩较少用于高层建筑物地基。二、材料配合比对桩体力学性能的影响特征1粉煤灰粒度大小及配比，是影响粉煤灰质量的主要指标。由于原煤种类，煤粉细度以及燃烧条件的不同，对粉煤灰粒度及配比的影响均很大。球形颗粒影响粉煤灰的活性。此外，由于球形颗粒在水泥浆体中起润滑作用。所以粉煤灰中如果圆滑的球形颗粒占多数，就具有需水量小，活性高的特点。一般粉煤灰越细，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。2碎石、石屑和水泥1)碎石。自身强度大、利用成本小，因此构成CFG桩的骨料。2)石屑。渗入石屑是填充碎石间的孔隙，使其级配良好，增加颗粒间的接触面，提高联结强度。CFG桩中若不掺和中等粒度的骨料石屑，粗骨料碎石间多数为点接触。接触比表面积小，整体联结强度必然较低，受力一旦达到联结强度的极限，桩体就会破坏；而掺加石屑后将使填料级配良好，接触比表面积增大，有效提高了桩体抗剪强度。3)水泥。化学胶凝、粘结与固化剂作用。水泥的掺入，使得呈散体状态的碎石、石屑、粉煤灰被充分粘结为一个整体，大大提高了桩体强度。3配比试验及其力学性能粉煤灰、石子、石屑、水泥的成分配比，对桩体强度、和易性有很大影响，主要通过室内试验确定。试验内容主要包括：不同石屑掺量的配比试验；不同水泥、粉煤灰掺量的配比试验；不同龄期及养护条件的配比试验。物理力学性能测试。在各种配比试验条件下，开展相应的力学性能测试，以获得最佳成分配比参数。力学性能测试主要内容包括不同养护龄期条件下的抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度、静力受压弹性模量等参数。4石屑掺量的影响①对强度的影响：碎石料之间为点接触，接触比表面积小，桩体抗剪强度较低。掺入中等粒度的石屑后，级配变得良好，增大基础比表面积，提高桩体的抗剪强度；②对塌落度和强度的影响：石屑掺入率存在一个最佳值，过大或过小对塌落度和强度都不利，最佳值在25～30％范围内。5不同水泥、粉煤灰掺量的影响①对于某一石屑率，不同水泥、粉煤灰掺量得出的混合料的立方抗压强度R28与灰水比C/W成正比；②增加粉煤灰的掺量，要保证30mm的塌落度（？），混合料需水量要增加。塌落度的概念：用一个上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭状的桶,叫塌落度桶,灌入混凝土后捣实,然后拔起桶,混凝土因自重产生塌落现象，用桶高(300mm)减去塌落后混凝土最高点的高度，称为塌落度(mm).如果差值为30mm,则塌落度为30,一般允许有一定的幅度,所以就有了比如塌落度30~50这样的技术指标了.塌落度T与石屑率S的关系曲线抗压强度R28与石屑率S的关系曲线三、加固机理1、桩体作用CFG桩不同于碎石桩，是具有一定粘结强度的混合料。在荷载作用下CFG桩的压缩性明显比其周围软土小，因此基础传给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上，出现应力集中现象，复合地基的CFG桩起到了桩体作用。据南京造纸厂复合地基载荷试验结果，在无褥垫层情况下，CFC桩单桩复合地基的桩体应力比n=24.3～29.4；四桩复合地基桩土应力比n=31.4～35.2；而碎石桩复合地基的桩土应力比n=2.2～2.4，可见，CFG桩复合地基的桩土应力比明显大于碎石桩复合地基的桩土应力比，表明其桩体作用非常显著。当CFG桩用于挤密效果好的土时，由于CFG桩采用振动沉管法施工，其振动和挤压作用使桩间土得到挤密，重度、压缩模量均↑↑，复合地基承载力的提高既有挤密又有置换。当CFG桩用于不可挤密的土体时，其承载力的提高只是置换作用。2、挤密与置换作用3、褥垫层的调整匀化的作用由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫，在复合地基中有四种作用：1)保证桩、土共同承担荷载。褥垫层的设置为CFG桩复合地基在受荷后提供了桩上、下刺入的条件，即使桩端落在好土层上，至少可以提供上刺入条件，以保证桩间土始终参与工作。2)减少基础底面的应力集中。在基础底面处桩顶应力σp与桩间土应力σs之比随褥垫层厚度的变化急剧减小(图3-6-2)。当褥垫层厚度大于10cm时，桩对基础产生的应力集中已显著降低。当褥垫层的厚度为30cm时，σp／σs只有1.23。图3-6-2σp/σs与褥垫层厚度关系曲线3)褥垫厚度可以调整桩土荷载分担比。荷载一定时，褥垫越厚，土承担的荷载越多。荷载水平越高，桩承担的荷载占总荷载的百分比越大。表3-6-1表示6桩复合地基测得的Pn/P总值随荷载水平和褥垫厚度的变化。表3-6-1桩体承担荷载占总荷载百分比图3-6-3表示基础承受水平荷载时，不同褥垫厚度、桩顶水平位移Up和水平荷载Q的关系曲线，显示褥垫厚度越大，桩顶水平位移越小，即桩顶受的水平荷载越小。图3-6-3不同厚度垫层时Q-Up曲线1—垫层厚2cm；2—垫层厚10cm；3—垫层厚20cm；4—垫层厚30cm褥垫的合理厚度？4)褥垫层厚度可以调整桩、土水平荷载分担比。确定褥垫的合理厚度的基本原则1）褥垫厚度过小。桩对基础产生的应力集中过于显著。①桩对基础有冲切作用，势必需要加厚基础；如果基础承受水平荷载，可能造成复合地基桩发生断裂；③桩间土承载能力也不能充分发挥，必然增加桩的数量或桩长。2）褥垫厚度过大(尽管桩间土承载能力可以充分发挥）。①如果厚度过大，不仅造成浪费，且几乎等同于换土回填；②褥垫层下复合地基表面的桩土应力比n很小，意味着浅层地基土承担了较高的荷载，而浅层地基土的强度往往又较低。尽管浅层土分担的荷载会很快向桩转移(桩顶部存在负摩阻力区？)，但浅层土压缩变形造成的过大沉降量，实际上使复合地基中设置的桩失去意义。褥垫厚度的合理性在于既要保证桩在水平荷载作用下不会发生断裂，又要合理发挥桩和桩间土的承载能力。负摩阻力软弱土层较好土层地面下沉正摩阻力负摩阻力正摩阻力中性点四、设计要点1、处理范围。可只在基础范围内布置。2、桩径。350～600mm3、桩距。桩距应根据设计要求的复合地基承载力、土性、施工工艺等确定，宜取3～7倍的桩径。具体选用时可参考表3-6-2。表3-6-2CFG桩桩距选用参考值4、桩位布置。可按等边三角形及正方形布桩。5、褥垫层。桩顶与基础间设置的褥垫层厚度取15～30cm；垫层材料最大粒径≤30mm(可用中～粗砂、级配砂石等)。6、要通过现场复合地基试验确定地基承载力特征值fspk，初步设计时，可按下试计算：Ra—单桩竖向承载力特征值；m——面积置换率；β—桩间土承载力折减系数，按地质经验取值，或取0.75～0.95，天然地基承载高者取大值；fsk—处理后桩间土承载力特征值；Ap—桩的截面积（m2）；skPaspkfmARmf)1((2)无试验资料时：up—桩周长；n—桩长范围内所划分的土层数；qsi,qp—桩周第i层土的侧向阻力，桩端阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得。Li—第i层土之厚度.ppniisipaAqlquR17、单桩竖向承载力特征值Ra的取值原则(1)当采用单桩载荷试验时，应将原桩极限承载力除以安全系数2；8、桩体试块抗压强度均值式中fcu——桩体混合料试块（边长150mm立方体）标准养护28d立方体抗压强度平均值（kPa）PacuARf39、沉降变形计算。处理后的变形计算按现行国标GB5007有关规定执行，且计算深度要大于复合土层的厚度。复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量ξ的倍，ξ值可按下式确定:fspk—复合地基承载力特征值(kPa)fak—基础底面下天然地基承载力特征值(kPa)akspkff表3-6-3地基沉降变形计算经验系数yS式中：Ai——第层土附加应力系数沿土层厚度的积的分值(平均附加应力系数乘以厚度再乘以压力);Esi——基础底面下第i层土的压缩模量值(MPa),桩长范围内的复合土层按复合土层的压缩模量取值变形计算经验系数ψS根据当地沉降观测资料及经验确定,也可采用表3-6-3中的经验统计数值影响CFG桩复合地基沉降变形的因素包括三部分：①加固深度范围内的土层s1；②下卧层S2；③褥垫层S3。S3可以忽略。假定加固区复合各分层土体与天然地基各分层均为均值土层，于是总沉降量为：其中，n1、n2分别为加固区分层数与总分层数；△pi为荷载p在第i层产生的平均附加引力；hi为第i层土的分层厚度；变形计算经验系数ψS；Esi基础底面下第i层土的压缩模量值；ξ为fspk(复合地基承载力特征值)与fak(基础底面下天然地基承载力特征值)之比)(1211121ninniisiiisiishEphEpsssakspkff五、施工要点1施工工艺水泥粉煤灰碎石桩的施工，应根据现场条件选用下列施工工艺：(1)长螺旋钻钻孔灌注成桩，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。(2)长螺旋钻钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，适用于粘性土、粉土、砂土，以及对噪声或泥浆污染要求严格的场地。(3)振动沉管灌注成桩，主要适用于粉土、粘性土及素填土地基。2施工要求长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩施工和振动沉管灌注成桩施工除应执行国家现行有关规定外，尚应符合下列要求：(1)施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验，施工时按配合比配制混合料。长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工的坍落度宜为160～200mm，振动沉管灌注成桩施工的坍落度宜为30～50mm，振动沉管灌注成桩后桩顶浮