CFG樁復合地基在道路軟基問題中的設計與應用

李雪臣 王 賓 朱文偉 劉永鵬

(1.云南建工鋼結構有限公司，云南 昆明 650501； 2.西南林業大學土木工程學院，云南 昆明 650224)

CFG樁復合地基在道路軟基問題中的設計與應用

李雪臣1王 賓1朱文偉1劉永鵬2

(1.云南建工鋼結構有限公司，云南 昆明 650501； 2.西南林業大學土木工程學院，云南 昆明 650224)

從介紹CFG樁復合地基的工作機理與特點入手，著重闡述了CFG樁復合地基的設計概要與施工技術，并對施工中出現的問題進行了歸納總結，同時提出了針對性的改進建議，以促進CFG樁復合地基技術在道路上的推廣應用。

CFG樁，設計，應用

CFG樁是Cement Fly-ash Gravel Pile的簡稱，譯為水泥粉煤灰碎石樁，它是由水泥、碎石、粉煤灰加水拌和之后形成的一種較高粘結強度的樁體。該技術是20世紀80年代末由中國建筑科學研究院地基所研發，歷經20多年的科研與工程實踐，目前，此項技術已經成熟。它已經不僅僅應用于房屋與廠房建筑中，而是廣泛應用于市政道路、公路、高鐵等各建筑行業地基處理中。

1 CFG樁復合地基技術的工作機理與特點

CFG樁的工作機理是足夠剛度的基礎、CFG樁、樁間土、褥墊層共同作用，構成復合地基，共同承擔荷載。而共同承擔荷載是通過設置一定厚度的褥墊層來實現的，這也是CFG樁復合地基技術的核心。外部荷載作用下，CFG樁樁體承擔大部分荷載，樁周摩阻力發揮充分，伴隨著荷載作用的時間增長和樁側阻力的發揮，樁端阻力逐漸增強。同時樁頂褥墊層發揮調節作用，將樁身所承擔的部分荷載轉移至樁間土來承擔，進而使樁間土與樁身進入共同工作狀態，逐漸形成復合地基，共同承擔荷載與變形。

和其他類型的地基處理技術相比，CFG樁具有優越的工程特性。

采用CFG樁處理地基，可適用于不同的基礎形式和不同土體的性質，并且CFG樁樁長可根據工程要求設定，變化范圍可從幾米到20多米，調整空間相當的大，并且在全樁長度范圍內發揮樁側阻力，樁所承擔的荷載可占到總體荷載的40%～75%左右，使復合地基的承載力得到很大幅度的提高。

另一方面，大量的工程實踐表明，采用CFG樁處理軟土地基，建筑物的沉降量一般可控制在20 mm～50 mm，而路基設計規范對普通路基工后沉降量的要求是小于30 cm，可見此項技術在路用上的應用是非常的優良。

再者，CFG樁處理軟土地基如若遇到飽和的粉土和砂土時，由于樁機沉管、拔管的振動，使得土體內產生了超孔隙水壓力。在超孔隙水壓力作用下，透水性不好土層中的孔隙水順著剛施工完CFG樁體排出，這樣對樁間土的密實起到很大的幫助；在利用振動沉管機在高靈敏度的土體中施工時，由于振動沉管施工對周圍土體產生擾動，會使得土體結構破壞、喪失或降低土體強度。但隨著施工結束，成樁后，樁間土承載力有所增長，結構強度也將逐漸恢復。

此外，CFG樁樁體組成材料在拌和的過程中，摻入適量的粉煤灰，作為活性混合料，可改善混凝土的工作性和耐久性。減少了工業廢料粉煤灰對環境的污染，并且變廢為寶，符合中央提倡的建立環境友好型社會的要求。

2 CFG樁復合地基設計概要

CFG復合地基的設計。

路用CFG樁復合地基的設計主要體現在以下5個設計參數中，分別是樁長、樁徑、樁間距、樁體強度、褥墊層厚度以及材料。可先假定樁長、樁半徑、樁間距等設計參數值，如果能滿足承載力與沉降的要求，表明假設成立。反之，需重新調整設計參數值。

1)樁長l。

樁長可根據地層的勘查報告，在了解各土層厚度的前提下，并根據設計規范的要求來確定。樁長值一定要大于該工點各軟弱土層厚度的疊加值。

2)樁徑d。

CFG樁的樁徑取決于所采用的成樁設備，一般為 350 mm～600 mm。

3)樁間距s。

樁間距的大小受設計要求的復合地基承載力、復合地基的變形、土性以及成樁設備等多因素的影響，一般取3倍～5倍的樁半徑。

4)面積置換率m。

5)單樁承載力特征值的計算。

根據《建筑地基基礎設計規范》，當采用單樁載荷試驗時，應將單樁極限承載力除以安全系數2；當無單樁載荷試驗時，可按式(1)估算：

(1)

其中，μp為樁的周長，m；qsi，qp分別為樁周第i層土的側阻力、樁端端阻力特征值，kPa，由當地靜載荷實驗結果統計分析計算;li為第i層土的厚度，m；Ap為單樁的斷面面積，m2。

6)復合地基承載力特征值的計算。

根據《建筑地基基礎設計規范》，CFG 樁復合地基承載力特征值應通過現場地基載荷試驗確定，初步設計時也可按式(2)估算：

(2)

其中,fspk為復合地基承載力特征值，kPa；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為單樁截面面積，m2；β為樁間土強度折減系數，宜按地區經驗值，如無經驗時可取0.75～0.95，天然地基承載力較高時取大值；fak為天然地基承載力特征值，kPa。

為了工程的安全和質量，考慮到各土層性質的不確定性，在實際使用時需對理論計算結果進行折減。

7)樁體強度。

根據規范要求樁體強度：

(3)

其中,fcu為樁體混合料試塊(邊長150 mm立方體)標準養護28 d立方體抗壓強度平均值，kPa；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為單樁截面面積，m2。

8)地基沉降量。

CFG樁復合地基的變形包括兩個方面，加固區沉降與樁端下臥層沉降。目前沒有精確計算復合地基的沉降的公式，故多采用經驗公式。

表1 振動沉管樁機施工中易出現的問題與解決方案

9)褥墊層厚度。

褥墊層的設置是CFG樁復合地基的核心技術，在基礎下設置適當厚度的褥墊層，可以使樁和樁間土共同作用，承擔荷載。即使樁端落在較好的土層上，也能保證一部分荷載作用在樁間土上，使其正常工作。

大量工程實踐證明，如果褥墊層的厚度過薄，樁間土作用體現不出來；反之，如果厚度過厚，雖然能夠發揮樁間土的作用，但是CFG樁的設置就無實際意義，這時的復合地基與天然地基無太大的差別。總結可知，褥墊層的厚度應在技術和經濟兩方面都考慮的前提下，選擇0.45倍～0.50倍的樁徑為宜。

10)材料的要求。

a.水泥。水泥采用強度等級32.5級及以上的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，其性能必須符合GB 175-2007通用硅酸鹽水泥的規定。b.水。宜采用飲用水。若施工地點水資源較為豐富，可就近取用，但取用前必須經化驗并符合規定：硫酸鹽(以三氧化硫計)含量不超過2 700 mg/L；含鹽量不得超過5 000 mg/L；不得采用酸性水，pH值不得小于7。c.碎石。含有一定量的石屑：碎石粒徑多采用20 mm～50 mm。d.砂。采用的砂應潔凈，含泥量不大于5%。

3 應用

3.1 施工設備

工地上樁機一般為振動沉管樁機和長螺旋樁機。

振動沉管樁機主要由振動錘、樁管、拉索、架身、吊斗、卷揚機、滑輪組、樁尖等組成。其中，樁尖可分為兩種，一是鋼筋混凝土或是素混凝土預制樁靴，二是在樁管底部采用活瓣樁尖。

長螺旋樁機主要由長螺旋鉆機、混凝土泵和強制式混凝土攪拌機等組成。

3.2 施工程序

施工場地在三通一平的前提下，參照CFG樁布樁圖將樁位在場地上放出，對于采用預制樁靴的振動沉管樁機，還應預先埋設樁靴至地表以下30 cm。樁機就位，并按要求沉管與地面垂直。啟動馬達，振動沉管樁機沉管開始(長螺旋樁機成孔開始)，作用至設計深度后，停機(停止鉆進)向管內投放混合料(長螺旋樁機泵送混合料)。振動沉管樁機再次啟動馬達，留振5 s～10 s后，進行拔管至地表；長螺旋樁機待鉆桿芯管充滿混合料后拔管，拔樁應連續。

無論哪一種施工機械，拔管時都應注意掌握拔管速度。應根據施工設備的性能和實際的工況進行控制。

完成樁體，施工樁機移位。

3.3 施工中易出現的問題及建議

根據施工設備的不同，出現的問題也各不相同。在此主要以施工中經常遇到的振動沉管樁機和長螺旋樁機為例闡述。表1與表2分別是振動沉管樁機與長螺旋樁機施工質量易出現的問題與解決方案。

另外，由于場地內地質情況較為復雜，可采用不同的樁型和材料的組合，一方面降低了工程的造價，另一方面也適應實際的工況，應用效果較好，實踐證明，路肩到邊坡坡腳范圍內填方路堤

對地基的附加應力呈漸變規律，越接近坡腳附加應力越小，相應的路基沉降也隨之變小，因此在該范圍內，CFG樁的樁間距可大于路基寬度范圍內的樁間距。

表2 長螺旋樁機施工中易出現的問題與解決方案

4 結語

CFG樁復合地基技術已經在工民建業內應用多年，為其在公路上的應用提供了寶貴的經驗。但由于房屋建筑和道路在結構物和服務對象存在較大差異，所以筑路技術人員不能完全照搬此類技術在工民建中的實踐，還需要我們不斷努力發展CFG樁復合地基技術在道路上的應用。

[1] 閆明禮，張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

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[3] JGJ 79-2002,建筑地基處理技術規范[S].

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CFG pile composite foundation in roadof the profile design and application of soft foundation problem

LI Xue-chen1WANG Bin1ZHU Wen-wei1LIU Yong-peng2

(1.YunnanConstructionEngineeringSteelStructureCo.,Ltd,Kunming650501,China;2.CivilEngineeringCollege,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

This paper introduces the working mechanism and characteristics of CFG pile composite foundation, this article emphatically elaborated the design outline and construction of CFG pile composite foundation, has carried on the induction summary to the problems in the construction, and put forward the corresponding suggestion. So as to enhance the extensive application of CFG composite foundation technique in roads.

CFG pile, design, application

2014-07-16

李雪臣(1986- )，男，碩士； 王 賓(1975- )，男； 朱文偉(1977- )，男； 劉永鵬(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2014)27-0093-03

TU473.1

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