第七章 低强度混凝土桩复合地基法-908

1第七章低强度混凝土桩复合地基法第一节概述凡复合地基中竖向增强体是由低强度混凝土形成的复合地基。统称为低强度混凝土桩复合地基。低强度混凝土常用水泥、石子及其他掺和料（如砂、粉煤灰、石灰等）制成，强度一般处在5～15Mpa范围内。低强度混凝土桩介于碎石桩和钢筋混凝土桩之间。与碎石桩相比，低强度混凝土桩桩身具有一定的刚度，不属于散体材料桩。其桩体承载力取决于桩侧摩擦力和桩端端承力之和或桩体材料强度。当桩间土不能提供较大侧限力时，低强度混凝土桩复合地基承载力高于碎石桩复合地基。与钢筋混凝土桩相比，桩体强度和刚度比一般混凝土桩小得多。这样有利于充分发挥桩体材料的潜力，降低地基处理费用。低强度混凝土桩常采用地方材料，因地制宜配制低强度混凝土。如中国建筑科学院地基所开发的水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基、浙江省建筑科研所等单位开发的低强度水泥砂石桩复合地基、浙江大学岩土工程所开发的二灰混凝土桩地基等，均属于低强度混凝土桩复合地基法。水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）是由碎石、石屑、砂石和粉煤灰、水泥和水按一定配合比搅拌均匀，利用振动打桩机击沉直径为300～400mm的桩管，在管内边填料，边振动，填满料后振动拔管，并分三次振动反插，直至拌和料表面出浆为止。亦即这种处理方法是通过在碎石桩体中添加以水泥为主的胶结材料，添加粉煤灰是为增加混合料的和易性并有低标号水泥的作用，同时还添加适量的石屑以改善级配，使桩体获得胶结强度并从散体材料桩转化为具有某些柔性桩特点的高粘结强度桩。低强度混凝土桩复合地基法可以较充分发挥桩体材料的潜力，又可充分利用天然地基承载力，并能因地制宜，利用地方材料，因此具有较好的经济效益和社会效益。低强度混凝土桩复合地基法具有良好的发展前景。与一般的碎石桩相比，碎石桩系散体材料桩，桩本身没有粘结强度，主要靠周围土的约束形成桩体强度，并和桩间土组成复合地基共同承担上部建筑的垂直荷载。土越软对桩的约束作用越差，桩体强度越小，桩传递垂直荷载的能力越差，碎石桩和CFG桩加固效果见表7·1·1所示。碎石桩和CFG桩的对比表7·1·1碎石桩CFG桩单桩承载力桩的承载力主要靠桩顶以下有限范围内桩周土的侧向约束，当桩长大于有效桩长时增加桩长对承载力的提高作用不大。以置换率10%计，桩承担荷载占总荷载的百分比为15%～30%。桩的承载力主要来自全桩长的摩阻力及桩端承载力，桩越长则承载力越高。以置换率10%计，桩承担荷载占总荷载的百分比为40%～75%。复合地基承载力加固粘性土复合地基承载力的提高幅度较小，一般为0.5～1.0倍。承载力的提高幅度有较大的可调性，可提高4倍或更高。变形减小地基变形的幅度较小，总的变形较大。增加桩长可有效的减小变形，总的变形量小。三轴应力应变曲线应力应变曲线不是直线关系，增加围压，破坏主应力差增大。应力应变曲线是直线关系，围压对应力应变曲线没有多大的影响。适用范围多层建筑地基多层和高层建筑地基通常在碎石桩桩顶2～3倍桩直径范围为高应力区，4倍直径为碎石桩的临界桩长，当桩长超过其临界桩长，大于6～10倍桩径后，轴向力的传递收敛很快，当桩长大于2.5倍基础宽度后，即便桩端落在较好的土层上，桩的端阻力也很小。桩型对比2刚性桩与散体材料桩不同，一般情况下，不仅可全桩长发挥桩的侧摩阻力，桩端落在好的土层上也可较好的发挥端阻作用，若将碎石桩加以改进，使其具有刚性桩的某些性状，则桩的作用大大增强。复合地基承载力会大大增加。这样就在碎石桩体中，掺加适量石屑、粉煤灰和水泥加水拌和，制成一种粘结强度较高的桩，所形成的桩的刚度远大于碎石桩的刚度，但和刚性桩相比刚度相差较大，它是一种具由高粘结强度的柔性桩。CFG桩、桩间土和褥垫层一起构成柔性桩复合地基。如图7·1·1所示，如图7·1·1所示，CFG桩与素混凝土桩的区别仅在于桩体材料的构成不同，而在其变形和受力特性方面没有太大的区别。图7·1·1CFG桩复合地基示意图第二节加固机理CFG桩加固软弱地基主要有两种作用：桩体作用和挤密作用。CFG桩不同于碎石桩，是具有一定粘结强度的桩，在外荷载作用下，桩身不会向碎石桩那样出现鼓涨破坏，并可全桩长发挥侧摩阻力，桩落在好土层上具有明显的端承力，桩承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端阻力传到深层地基中，其复合地基承载力可大幅提高。图7·2·1曲线1时装长15.5m、桩端仍在淤泥质土层中的单桩复合地基试验结果，曲线2是相同桩长、桩端落在较好的土层上单桩复合地基试验结果，前者复合地基承载力为205kpa,后者承载力可达315kpa，由此可见，CFG桩没有向碎石桩那样的临界桩长，它可以像刚性桩一样把荷载传到深层地基。图7·2·1复合地基p—S曲线还有许多碎石桩和CFG桩的对比试验资料。如南京造纸厂地基处理，碎石桩和CFG桩桩径均为350mm，桩长10m，CFG桩桩顶以下6倍直径范围内桩体强度等级为C12，余下桩体强度等级为C8,试桩施工完毕后28d进行荷载试验。根据p～s曲线，对碎石桩复合地基，按s/b=0.01取值，其承载力为130kpa，对CFG桩复合地基，按s/b=0.01取值，其承载力为220kpa，原天然地基承载力为87kpa，可见CFG桩复合承载力提高幅度大，加固效果显著。另外，CFG桩复合地基变形小，沉降稳定快。根据南京5个CFG桩荷载实验数据统计分析，发现CFG桩复合地基10级荷载加荷的总时间不超过24h，这时的总沉降在20mm左右，且每级荷载加荷后第一小时的沉降量均占本级荷载总沉降量的90%以上。而同一场地一组碎石桩复合地基10级荷载加荷的总时间为59h，这时的沉降量为69mm。3二、桩体的排水作用CFG桩在处理饱和粉土和砂土地基的施工中，由于成桩过程中的沉降和拔管的震动作用（螺旋转成孔震动作用小些），会使土体内产生较大的超静孔隙水压力。刚刚施工完的CFG桩将是一个良好的排水通道，特别是在较好透水层上面还有透水性差的土层覆盖时，这种排水作用更加明显，孔隙水沿着刚完工的桩体向上排出，直至CFG桩体结硬为止。这种排水过程可延续几小时。这样的排水现象不会影响桩体的强度，反而对减小因孔压消散太慢引起地面隆起和增加桩间土的密实度大为有利。三、震动挤密作用CFG桩施工利用震动沉管法施工，由于其震动作用，将会对桩间土产生扰动和挤密，特别是对高灵度土，会使其结构强度丧失，强度降低。成桩结束后，随着恢复期的增长，结构强度逐渐恢复，新的结构强度的形成，桩间土的承载力有所提高。以南京造船厂地基采用CFG桩加固，加固前后取土进行物理力学指标试验，由表7·2·1可见，经加固后地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所减小，重度、压缩模量均有所增加，说明经加固后桩间土已挤密。加固前后土的力学指标对比表7·2·1类别土层名称含水量（%）重量（kg）干密度(t/m3)孔隙比压缩系数(MPa-1)压缩模量(MPa)加固前淤泥质粉质粘土41.817.81.251.1780.803.00淤泥质粉土37.818.11.321.0690.374.00加固后淤泥质粉质粘土36.018.41.351.0100.603.11淤泥质粘土25.019.81.581.7100.189.27第三节设计计算一、桩身材料及配比设计（一）桩身材料CFG桩是将水泥、粉煤灰、碎石、石屑加水拌和形成的混合料灌注而成，他们各自成分含量的多少对混合料的强度、和易性都有很大的影响。CFG桩中的骨干材料为碎石，系粗骨料，石屑为中等粒径骨料，在水泥掺量不高的混合料中，掺加石屑是配比试验中的重要环节。若不掺加中等粒径的石屑，粗骨料碎石间多数为点接触，接触比表面积小，联结强度一旦达到极限，桩体就会破坏，掺加石屑后，石屑用来填充碎石间的空隙，使桩体混合料级配良好，比表面积增大，桩体的抗剪、抗压强度均得到提高。有资料说，在碎石含量和水泥掺量不变的情况下，掺入石屑可比不掺入石屑强度增加50%。粉煤灰既是细骨料，又有低标号水泥的作用，可是桩体具有明显的后期强度。水泥一般采用425号普通硅酸盐水泥。一般不选用矿渣硅酸盐水和火山灰质硅酸盐水泥。水泥的质量应符合GB175-92要求。碎石的粒径一般采用20～50mm。4表7·3·1为某项工程中材料配比试验中的碎石、石屑的物理性能指标。碎石、石屑的物理性能指标表7·3·1粒径(mm)比重松散密度(kN/m3)含水量（%）碎石20～502.7013.900.96石屑2.5～102.7014.701.05注：混合料的密度一般为21.0～22.0kN/m3（二）混合料的物理化学性能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粉炉中燃烧(1000～15000C)后，由收尘器收集的细灰，亦称干灰。用湿法排灰所得粉煤灰称湿灰，由于部分活性组成先行水化，所以其活性也较干灰为低。由于煤的种类、煤粉细度以及燃烧条件的不同，粉煤灰的化学成分有较大的波动，其主要化学成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等，见表7·3·2，其中粉煤灰的活性取决于Al2O3和SiO2的含量，Cao对粉煤灰的活性也较为有利。全国粉煤灰的化学成分平均值（%）表7·3·2项目SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3烧失量全国电厂平均40～6020～304～102.5～70.5～0.750.1～1.53～30粉煤灰的粒度成分是影响粉煤灰质量的主要指标，其中各种粒度的相对比例，由于原煤种类、煤粉细度以及燃烧条件不同，产生较大的差异。由于球形颗粒在水泥将中起润滑作用，所以粉煤灰中如果圆滑的球形颗粒占多数，就具有需水量少、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多，容易发挥粉煤灰的活性。粉煤灰中未燃尽的含量、通常用烧失量表示。烧失量过大，说明燃烧不充分，影响粉煤灰质量。含碳量大的粉煤灰在掺入混合料中往往增加蓄水量，从而降低混合料的强度。不同发电厂收集的粉煤灰，由于原煤种类、燃烧条件、煤粉细度、收灰方式不同，其活性有较大的差异。由于粉煤灰的性质有所差异，对混合料的强度有较大影响，我们选择粉煤灰时要Al2O3和SiO2越多越好，烧失量越低越好。（三）桩体配比1、桩体配比设计CFG桩与素混凝土桩不同就在于桩体配比更经济。在有条件的地方应尽量利用工业废料作为拌和料，但不同地域，石屑粒径的大小，颗粒的形状及含粉量不同。如前所述，粉煤灰的质量也容易因外界因素的不同而性能各易，所以很难给出一个统一的、精度很高的配比，下面介绍的配比方法曾在实际工程中使用过的，加固效果较好。混合料中，石屑与碎石（一般粒径为3～5cm）的组成比例用石屑率表示：=211GGG（7·3·1）指标材料5式中——石屑率G1——单方混合料中石屑用料（kg/m3）G2——单方混合料中碎石用量（kg/m3）根据试验研究结果，取0.25～0.33为合理石屑率。混合料28d强度与水泥标号和灰水比有如下关系：R28=0.366bcR(WC-0.071)(7·3·2)式中：R28——混合料中28d强度(kpa)Rcb——水泥标号(kpa)C——单方水泥用量(kg/m3)W——单方用水量(kg/m3)混合料坍落度按3Cm控制，水灰比W/C和粉灰比F/C（F：单方粉煤灰用量）由如下关系W/C=0.187+0.791F/C(7·3·3)混合料密度一般为21～23kN/m3。利用以上的关系式，参考混凝土配比的用水量并加大2%～5%,就可进行配比设计。下面通过控制坍落度为3cm，混合料28d强度为10MPa的配比，对配比设计步骤做以说明。⑴用水量W参照混凝土控制坍落度3cm时，单方用水量W=189kg。⑵水泥用量C选用Rcb=42.5Mpa的普通水泥，由式（7·3·2）计算单方水泥用量。∵R28=0.366bcR(Wc-0.071)∴C=(BCRR366.028+0.071)W=(5.42366.010+0.071)×189=134.9kg⑶单方粉煤灰用量F根据（7·3·3）有F=(CW-0.187)791.0C=(9.134189-0.187)791.09.134=207.1kg⑷单方石屑用量G1和碎石用量G2混合料密度一般按