CFG桩复合地基的地基处理技术及其发展现状-彭东林

CFG桩复合地基的地基处理技术及其发展现状

摘要：CFG桩复合地基处理技术目前已被国内外广泛应用在工程中，本文通过介绍CFG 桩复合地基在当前的发展现状和CFG桩复合地基的地基处理技术,以及CFG桩复合地基的优点，描述其施工工艺及其施工中遇到常见的问题如何处理,进一步反映其提高地基承载力,控制沉降方面的作用，由此说明CFG桩在建筑工程中的应用价值。

[关键词]：CFG 桩复合地基应用价值

一、研究背景

1 复合地基的概述

复合地基［1］是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强,或被置换，或在天然地基中设置加筋材料,加固区是由基体天然地基土体或被改良的天然地基土体和增强体两部分组成的人工地基。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体和竖向增强体复合地基。其示意图如图1-1a和1-1b所示。

水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料,如土工聚合物、金属材料格等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩,竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为三类散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和

刚性桩复合地基。

散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的,桩身材料没有粘结强度,单独不能形成桩体,只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料桩复合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。

柔性桩复合地基的桩体刚度较小,但桩体具有一定粘结强度,柔性桩中部强度较高的桩如粉喷桩已较强地表现出桩的性状,柔性桩复合地基的承载力由桩体和桩间土共同承担。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰土桩、石灰桩、水泥土桩等。

刚性桩复合地基的桩体通常以水泥为主的胶结材料,有时由混凝土、或由混凝土和其他掺合料构成,桩身强度较高。为保证桩土共同作用,通常在桩顶设置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基具有更高的承载力和压缩模量,而且复合地基承载力也具有较大的调整幅度。

复合地基工程实践发展很快,但复合地基设计和计算理论尚不成熟,已有的一些简化模型和计算方法差异较大,很难统一。可见,复合地基理论远远落后于工程实践的发展,因此应加强复合地基设计计算理论和方法的研究。复合地基计算理论方面,既包括复合地基承载力和沉降计算的一般理论,又指各种形式的复合地基承载力和沉降计算理论和方法。要发展各种形式的复合地基承载力和沉降计算理论,需要加强对各种形式的复合地基荷载传递机理的研究,进一步理解基础刚度、桩土相对刚度、复合地基置换率、复合地基加固区深度、荷载水平等对复合地基应力场和位移场的影响,提高各类复合地基应力场和位移场的计算精度。基于以上原因,对桩复合地基的工作性状做进一步的研究,不仅有现实的实际意义,同时在理论上也很有价值。

2 CFG桩复合地基的产生与发展

2.1 CFG桩复合地基概述

CFG桩全称水泥粉煤灰碎石桩，是由碎石、石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和,用各种成桩机械在地基中制成的强度为C5-C30的桩。

CFG桩复合地基[2]是由桩、桩间土和褥垫层一起构成的刚性桩复合地基。CFG桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题,于1988年立题进行试验研究,并应用于工程实践。

CFG桩复合地基成套技术,1992年通过部级鉴定,1994年被建设部列为全国重点推广项目,被国家科委列为国家级全国重点推广项目。1997年被列为国家级工法,并制定了中国建筑科学研究院企业标准,现已列入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》〔JGJ79-2002〕[3]。

为进一步推广这项技术,国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究,并列入“九五”国家重点攻关项目。1999年12月通过国家验收。该技术己在全国23个省、市广泛应用,已经成为多层至30层以下高层建筑地基处理的主要技术之一。据不完全统计,该技术己在1000多个工程中应用。和桩基相比,由于水泥粉煤灰碎石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,工程造价一般为桩基的1/3-1/2,经济效益和社会效益显著。

2.2 研究现状

尽管CFG桩复合地基近年来在我国大量推广应用,并取得了良好的社会效益和经济效益。但CFG桩复合地基理论尚不成熟,较实践远远落后。

刚性桩复合地基的设计思想由中国建筑科学研究院黄熙龄院士首先提出,中国建筑科学研究院地基基础研究所1992年开发成功的CFG桩复合地基即最早的刚性桩复合地基。为了提高复合地基承载力、减小沉降,将碎石桩中掺入水泥、粉煤灰和石屑,于是形成了粘结强度较高的CFG桩。在荷载作用下,桩身的压缩变形极小,荷载通过桩周摩阻力和桩端阻力向深层传递,因此承载力的提高幅度很大。为了保证桩土能共同作用,在桩顶铺设一定的厚度的砂石褥垫层,以利于桩顶向上刺入,由桩体、桩间土和褥垫层一起构成CFG桩复合地基。阎明礼等对CFG桩复合地基进行了系统的研究[4]。阎明礼等探讨了CFG桩复合地基在水平荷载作用下的承载性状[5]。吴春林讨论了CFG桩复合地基承载力的简易计算方法[6]。

董必昌等从CFG桩复合地基沉降变形模式出发,推导出一种考虑桩一土—垫层相互作用的沉降计算方法以及桩土应力比公式,并讨论了参数取值问题[7]。

张小敏等利用可靠度理论对从国内外收集到的CFG桩复合地基承载力试验数据进行了概率统计处理。借助无量纲计算模式,计算不同载荷组合下CFG桩复合地基承载力的可靠度指标,并分析了各随机变量对可靠度指标的影响程度[8]。

随着土工计算机技术的发展,采用数值方法分析复合地基的作用机理的研究工作也不少。谢定义采用有限元一无界元三维非线性分析程序对桩式复合地基进行了分析,可用于各类桩式复合地基。杨涛建议采用复合本构有限元计算复合地基沉降。张忠坤采用有限元法对柔性单桩竖向加载、大面积荷载作用下复合地基及路堤荷载作用下复合地基进行了分析,探讨了临界桩长问题,得出了临界桩长不仅与桩土模量比有关,而且也与荷载分布有关的结论。李宁采用数值试验模型,对不同种类的复合地基进行了全面系统的数值仿真,探讨了单桩复合地基相互作用的机理、荷载传递的性状及附加应力的分布规律[9]。邢仲星采用平面三维三角形单元和邓肯一张模型对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基进行了有限元分析。温晓贵对复合地基进行了三维线性的数值分析。