摘要：CFG 桩复合地基作为一种有效的地基处理手段，20 世纪 80 年代后在建筑地基基础、路基工程等领域应用日益广泛，取得了良好的工程效益。但是目前该技术还存在理论研究滞后于工程需要的诸多不足。本文对CFG桩复合地基的工作性状及工程应用进行分析述评，希望能为广大工程技术人员和科研人员提供有益参考和指导。
引言
近年来，随着地基处理技术的展，复合地基技术在工程中得到了越来越多的广泛应用。特别是CFG桩复合地基是近年来出现的一种新型的地基加固技术，因其费用低、施工方便、承载力高和适应性强等优点而得到广泛的推广和应用。其桩体材料是由少量的水泥、粉煤灰、石屑及碎石等材料加水拌合而成，采用螺旋钻机、洛阳铲或振动沉管桩机等设备进行成孔，是一种具有较高粘结强度的刚性桩，强度等级为 C 5 ～ C 25。桩体与周围土体及褥垫层三部分构成的承载力较高的复合地基。它适用于粘性土、粉质土、粉细砂、淤泥质土等地基的加固，对软土地基尤为明显。
一、CFG 桩复合地基工作性状
CFG 桩灌注成桩的施工工艺与普通混凝土搅拌桩的成桩工艺大致相同，灌注成桩后水泥会迅速发生化学反应，生成铝酸钙水化物、硅酸钙水化物等不溶于水的稳定结晶化合物。结晶化合物随时间不断生长、延伸并充填到碎石和石屑的孔隙中，这样就形成了具有较高强度的 CFG 桩刚性桩体 [7-9]。CFG 桩桩体成桩过程中不可避免对周边地基土产生挤密作用，桩间土受挤密约束承载力得以提高，由此桩土共同承担荷载，天然地基工作性状大幅度改善。褥垫层是 CFG桩桩土复合地基的重要组成部分，合理的褥垫层设置能充分调动桩体和桩间土的承载力，大幅度改善桩土复合地基受力性状。CFG桩工作系统的优势在于不仅充分发挥了刚性桩体的作用，而且还充分发掘了桩间土的承载潜力，地基的变形状况得到明显改善，复合地基的承载力大大提高。桩土复合地基的荷载传递模式是桩和桩间土受上部荷载作用产生变形，由于桩体压缩变形模量远大于桩间土体的压缩变形模量，桩间土体发生压缩变形大于桩体的压缩变形，从而使得桩顶平面处桩间土体位移大于桩体位移。这一应力 - 应变协调过程表现为桩间土体中的应力向桩体集中，即桩体的应力集中效应。随着荷载的进一步增加，桩侧下部摩阻力进一步发挥，当桩侧摩阻力全部发挥至极限状态后，桩端开始产生位移，桩端阻力得以发挥。此后，桩体中的应力增量全部由桩端土承担，桩底产生向下刺入。桩顶与桩端附近土体进入塑性状态。
二、CFG 桩复合地基处理技术的基本状况
（一）CFG 桩复合地基处理技术的原理
在使用复合地基技术时，不仅需要对该项技术的原理加以掌握，同时，还需要对使用该项技术时可能会遇到的问题加以了解，从而便于我们更高效的使用该项技术。桩间土与 CFG 桩共同构成了 CFG 桩复合地基，期间需要使用砂石垫褥垫层。CFG 桩的复合地基垫褥层与基础之间有效连接，不管桩端是在坚硬的土层还是在一般的土层上，都需要用到桩间土。CFG 桩复合地基的处理技术流程严格，从移机就位到旋转钻孔以及钻机成孔的整个过程中，都需要按照流程进行操作，不允许其中的任何环节存在问题，不然就会前功尽弃。与此同时，还应该及时做好复合地基的检查以及评估工作，以确保该项技术的顺利实施。
（二）CFG 桩在地基加固中的作用分析
1.对地基土具有一定的挤密作用
对于松散粉细砂、填土以及粉土来说，在受到震动管 CFG 桩的振动以及侧向压力的作用下，会减小桩间土孔隙，增加土的内摩擦角以及干密度，从而改善土的物理学性能，实现增强桩间土承载力的效果。
2.桩体的排水作用
在 CFG 桩复合地基成桩初期，因桩孔内和周边充填过滤性较好的粗颗粒填料，在地基中形成了渗透性能良好的减压的通道以及人工竖向排水，使孔隙水沿桩体向上排出，可以有效地消散和防止振冲产生的超孔隙水压力的增高，加速地基的排水，这种排水作用不但不会降低桩体强度，而且可以使土体强度恢复并超出原土体天然承载力。
3.预震效应
CFG 桩复合地基成桩过程中，振冲器以一定的振动频率或冲击水平向加速激振土体，使填料和地基土在提高相对密实度的同时获得强烈的预震。提高了砂土抗液化能力。
三、CFG桩基在工程中的应用
CFG桩复合地基设计主要依据场地工程地质条件及复合地基承载力标准值要求，确定桩长、桩径、桩间距、桩体材料强度等有关参数极为重要，试用实体工程作如下阐述。
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（一）工程地质条件
某大学院（系）办公楼群工程在勘察深度范围内，地层由上到下可分为：①素填土，棕红、褐黄、褐灰色，以黏性土为主，层厚 0.8～ 3.1m，承载力为 100kPa；②粉土，褐黄、黄色，局部夹薄层粉质粘土，层厚 0.5～ 3.1m承载力为 120kPa；③粉、细砂，灰 黄、褐 灰，层 厚 0.5～ 2.8m承 载 力 为100kPa；④中砂，褐黄、褐灰色，其最大厚度为1.8m承载力为 120kPa；⑤卵石，褐灰、褐黄色，隙间充填中细砂，层厚 2.6～ 7.5m。
（二）地基处理方案
天然地基。质粘土及粉土层作为地基利用，采用柱下钢筋条形基础或柱下交叉梁钢筋条形基础，但造价较高。采用桩基，以碎石土层作为基础持力层，但基础施工前要进行工程试桩。这样造价也很高，最终决定采用 CFG桩进行地基处理。
（三）数值模拟
采用 ANSYS 对路堤填筑施工中某 CFG桩复合地基的工作性状进行了数值分析，结果发现有限元计算所得的 CFG桩荷载 - 沉降（p - s）曲线与工程实测曲线完全吻合。研究表明荷载作用下桩土间存在相互作用，桩体侧摩阻力会迅速向桩间土扩散，并导致土体产生明显沉降变形；桩侧摩阻力在荷载传递过程中发挥主要作用，桩体的应力及位移分布与摩擦桩极为相似，明显表现出摩擦桩的承载特性；桩土应力比随着路堤荷载的增加而逐渐增大，并最终趋于稳定值。运用 PLAXIS对某山区公路 CFG桩填筑施工进行数值模拟，分析桩长、桩间距及褥垫层厚度的变化对复合地基工作性状的影响。
（四）CFG桩的设计与计算
1.单桩承载力标准值
依据公式R a = V p ni= q si l i + qp A p.（4）
取桩长 L= 5.7m。
R a = 356kN，
式中，V p 为桩的周长，m；q si 为桩周第 i 层土的侧阻力特征值，kPa；li为第 i 层土的厚度，m；q p 为桩端端阻力特征值，kPa。
2.CFG桩复合地基承载力标准值处理后 CFG桩复合地基承载力标准值满足设计要求：
f spk = mR aA p + αβ（1- m）fsk = 288kPa≥ 250kPa，（5）
式中，f spk 为复合地基承载力特征值，kPa；R a 为自由单桩承载力标准值，kN；T为桩间土强度提高系数，取 1；U为桩间土强度发挥度，取 0.8；A p为桩断面面积，m2；m 为面积置换率；fsk 为处理后桩间土承载力特征值，kPa。
3.设计参数的选取
（1）桩径。一般取 350～ 600mm。本工程选用400mm单桩承载力标准值计算，根据地质情况，选取第五层的卵石层作为持力层，按照公式计算单桩承载力标准值为 360kPa。
（2）桩长。由于第五层卵石层一倍的桩径。桩长实际是 2.2～ 7.5m。
（3）面积置换率 m 及桩距 s。由m=d 2d 2 e = 0.087，（6）式中，d为桩径；d e 为影响半径。式中采用矩形布桩，d e = 1.33 s 1 s 2。由式（6）得桩间距s=d1.13 m.本工程采用矩形及三角形布桩，桩间距为0.9～ 1.4m。
（4）桩体 强 度。桩顶 应 力 δ p = R k /A p =2834kN /m2，桩体强度按不小于 3倍桩顶应力确定，即 R28> 3W p = 8502kPa。
（5）褥垫层。褥垫层虚铺 0.23m，夯实至0.20m。
结语
CFG桩复合地基技术自 20 世纪 80 年代来得到了广泛的推广应用，在高速公路、高速铁路及工业与民用建筑地基基础工程等工程建设中发挥了越来越重要的作用。广阔的工程应用前景推动着这一新技术不断发展进步，本文对 CFG桩复合地基技术的主要研究成果进行分类述评，并指出工程推广应用中面临的新问题和亟待继续攻关解决的主要研究方向，希望能为广大工程技术人员和科研人员提供有益参考和指导。
参考文献：
[1]王维玉，赵拓，丁继辉.CFG桩复合地基动力特性和时程响应影响因素分析[J].岩土工程学报，2010，32（S2）：115-118.
[2]周同和，王非，赵宏，高广运.多桩型刚性承台下刚性长短桩复合地基载荷试验分析[J].岩土工程学报，2015，37（01）：105-111.
[3]刘俊飞，赵国堂.路基工程中CFG桩桩筏复合地基与桩网复合地基对比[J].铁道建筑，2009（07）：31-35.
论文作者:覃星河
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/18
标签：地基论文; 承载力论文; 褥垫论文; 工程论文; 荷载论文; 技术论文; 应力论文; 《基层建设》2019年第26期论文;