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摘要：文章对CFG桩复合地基的加固机理和褥垫层的设置进行了详细阐述，并简要介绍了CFG桩复合地基的设计方法和施工中的常见问题及其质量控制措施。
关键词：CFG桩复合地基；褥垫层；加固机理
中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0169-02
CFG桩（Cement Fly-ash Gravel Pile）复合地基是20世纪90年代初出现的一种地基处理新技术。CFG桩为用少量的水泥加粉煤灰、石屑或砂及碎石，加水搅拌，用普通振动式沉管桩机施工的具有高黏结强度的桩，CFG桩与桩间土和桩顶与基底间的褥垫层共同组成复合地基，属刚性桩复合地基。与一般的柔性桩复合地基相比，用CFG桩处理地基，具有可使地基承载力提高幅度大并具有很大可调性的优点，故特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一般难以满足设计要求时，CFG桩复合地基则有明显的优势。
一、CFG桩复合地基的加固机理
（一）CFG桩复合地基的构成
CFG桩复合地基由CFG桩体、桩间土和褥垫层三部分组成，如图1所示：
（二）CFG桩复合地基的加固机理
当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的变形模量远比土的变形模量大，所以桩比土的变形小，由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，垫层中垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。同时土由于桩的挤密作用（指用沉管方法成桩时 ）而提高了承载力，而桩又由于其周围土侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。
（三）褥垫层的作用及其合理厚度
这里所说褥垫层不是基础施工经常做的10cm厚的素混凝土垫层，而是由粒状材料组成的散体垫层，其作用可以概述为以下几个方面：
1．保证桩与土共用承担荷载。若基础下面不设置褥垫层，基础直接与桩和桩间土接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩基差不多。在给定荷载作用下，桩承受较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。其时程曲线的特点是：土承担的荷载随时间增加逐渐增加；桩承担的荷载随时间增加逐渐减少。如果桩端落在坚硬土层或岩石上，桩的沉降很小，桩上的荷载向土体转移数量很小，桩间土承载力很难发挥。当基础和桩之间设置了一定厚度的褥垫层后，基础传来的荷载首先作用在褥垫层上，然后通过褥垫层将荷载传递到桩和桩间土上，然而由于桩间土的抗压刚度远小于桩的抗压刚度，桩顶产生应力集中，桩向上“刺入”，同时褥垫层产生向下的位移，压缩桩间土。因此，桩和桩间土自始至终都参与承担荷载。
2．调整桩与桩间土之间竖向荷载的分担比例。桩与桩间土的竖向荷载分担比例与面积置换率、桩的类型、桩间土的物理力学性质以及褥垫层的厚度等因素有很大的关系，其中褥垫层厚度是个不可忽视的重要因素。在其他条件不变的情况下，增加褥垫层的厚度，可以使桩顶与褥垫层接触的局部产生更大的压缩量，即桩顶向上“刺入”量加大，从而使褥垫层与桩间土接触更加紧密，因此，提高了桩间土的竖向荷载分担比例。反之，减小褥垫层的厚度，可以提高桩的竖向荷载分担比例。
3．调整水平荷载在桩与土之间的分担比例。当褥垫层厚度增大到一定值时，桩受的水平荷载很小，水平荷载主要由桩间土承担。基础受水平荷载的作用时，不会发生桩的折断。
4．减小基础底面的应力集中，降低桩对基础的冲切破坏。由前面的讨论可知，褥垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，需考虑桩对基础的冲切，势必导致基础加厚。如果基础承受水平荷载作用，可能造成复合地基中桩发生断裂。而且褥垫层厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。
β：桩顶面反力/基础底面反力；H：褥垫层厚度
图2 基礎底面应力集中与褥垫层厚度关系
若褥垫层厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近了1。此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去了意义。这样设计的复合地基承载力，不会比天然地基有较大的提高，而且建筑物的变形也大。
综合以上分析，参考大量的工程实践总结，即考虑到技术上可靠、经济上的合理，褥垫层厚度取10～30cm为宜。
二、CFG桩复合地基的设计和施工
（一）CFG桩复合地基的设计计算
1．CFG桩复合地基承载力标准值可以通过现场复合地基载荷试验确定，也可按下式计算：
fsp .k=m· Rk/Ap+α·β（ 1-m）fk （1）
式中：fsp .k———复合地基承载力标准值kPa；
m——面积置换率；
fk——天然地基承载力标准值KPa；
α——桩间土强度提高系数，可根据经验预估或实测结合；
β——桩间土强度发挥系数0.75～1.0；
Ap——桩截面面积m2；
Rk——单桩承载力标准值，kN，其值可以根据《建筑桩基技术规范》中的计算方法确定。
2．设计参数的确定
（1）桩径d：一般桩径ｄ设计成350～400mm。
（2）桩距s：一般桩距ｓ=（3～6）d，桩距的大小取决于设计要求的复合地基承载力、土的性质与施工机具。一般设计要求的承载力大时，s取小值，但必须考虑施工时新打桩对已打桩的影响，就施工而言希望采用大桩距大桩长，因此s大小应综合考虑。
（3）桩长L由（1）式可解得：
Rk=（fsp-αβ（1-m）fk）Apm（2）
在进行复合地基设计时，天然地基承载力fk是已知的，设计要求的复合地基承载力fsp也为已知。桩径d和桩距s设定后，置换率ｍ和桩的断面面积Ap 均已知。然后，可由（3）式确定桩长L：
Rk=（Up∑qsihi +qp·Ap）/k（3）
式中 ：Ｕp——桩的周长；
qsi——第ｉ层土与土性和施工工艺有关的极限侧阻力，按建筑桩基技术规范有关规定取值；
hi——第ｉ层土厚度；
qp——与土性和施工工艺有关的极限端阻力，按建筑桩基技术规范有关规定取值；
k——安全系数，k=1.5～1.75。
（4）桩体强度：Ｒ28≥3σｐ
式中：Ｒ28 ——桩体28ｄ立方体试块抗压强度；
σp——桩顶应力。
（5）褥垫层厚度一般取10～30cm为宜，当桩距过大或根据需要，褥垫层厚度也可适当加大。褥垫材料可用碎石、级配砂石 （限止最大粒径）、粗砂、中砂。
3．布桩。基础尺寸的大小和形状都会影响实际的布桩数量；此外布桩是要考虑桩受力的合理性，尽量利用桩间土应力产生的附加应力，对桩侧摩阻力的增大作用；在桩端有坚硬土层，而桩又不太长是可以考虑采用夯扩桩，即利用CFG桩体材料，夯成一个扩大头，以获得较大的端阻力；在软土地区采用CFG桩复合地基方案时，桩端一般应落在好的土层上。
（二）CFG桩施工中应注意的质量问题
1．减少施工扰动使桩间土强度降低，CFG桩复合地基区别于桩基的主要特点就是充分考虑利用桩间土的承载力，所以应尽量减小施工扰动使土的强度降低。尤其当CFG桩用于饱和软黏土时应特别慎重，一是因为CFG桩成桩时土的挤密分量为零，承载力的提高唯一取决于桩的置换率。由于桩间土承载力太小，土的荷载分担比太低，不宜再作复合地基，其次是CFG桩易发生整体失稳。由于桩间土强度很低，对CFG桩的侧限作用很小，在竖向及水平荷载作用下，极易发生整体失稳，使建筑物破坏。
2．控制成桩质量。CFG桩的主要质量问题有缩颈、断桩、桩体强度不均和不足，解决这些问题应注意以下几方面施工环节：选择正确的打桩顺序；控制拔管速率；合理的混凝土配合比；设置适当的保护桩长。
3．及时观测及时反馈。施工中要观测新打桩对已硬结的已打桩的影响，注意已打桩桩顶标高的变化，确定是否产生缩颈，还要注意观测已打桩桩顶的位移情况，并把观测的结果进行及时反馈，以便可以及时发现问题，及时解决，以保证施工质量。
（三）CFG桩复合地基的适用范围
就其上部的基础形式来看，CFG桩复合地基适用于以承受竖向荷载为主的条形基础（有地梁）、独立基础、筏形基础、箱形基础等。就其处理的地基土本身而言，CFG桩复合地基适用于处理饱和及非饱和黏性土、粉土、松散砂土、人工填土、淤泥质土及非自重湿陷性黄土地基。
三、结论
CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和褥垫层组成的。CFG桩复合地基和桩基不同，它充分利用了桩间土的承载力。褥垫层技术是CFG桩复合地基的一个核心技术，CFG桩复合地基的许多特性都与褥垫层的作用密切相关。CFG桩复合地基的设计计算方法简单易学，但是其施工中的质量隐患要引起重视。CFG桩复合地基的适用范围广泛，成本相对较低，它是一种实用性很强的地基处理技术。
参考文献
[1]叶书麟．地基处理工程实例应用手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1998.
[2]中国建筑教育协会继续教育委员会．地基处理技术[M]．北京：中国建筑工业出版社，1996.
[3]唐维国，等．CFG桩复合地基的原理设计及经济比较[J]．岩土工程界，2001．
作者简介：韩冰（1976－），男，湖北武汉人，浙江省嘉兴市规划设计研究院有限公司工程师，硕士，研究方向：市政工程。
关键词：CFG桩复合地基；褥垫层；加固机理
中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0169-02
CFG桩（Cement Fly-ash Gravel Pile）复合地基是20世纪90年代初出现的一种地基处理新技术。CFG桩为用少量的水泥加粉煤灰、石屑或砂及碎石，加水搅拌，用普通振动式沉管桩机施工的具有高黏结强度的桩，CFG桩与桩间土和桩顶与基底间的褥垫层共同组成复合地基，属刚性桩复合地基。与一般的柔性桩复合地基相比，用CFG桩处理地基，具有可使地基承载力提高幅度大并具有很大可调性的优点，故特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一般难以满足设计要求时，CFG桩复合地基则有明显的优势。
一、CFG桩复合地基的加固机理
（一）CFG桩复合地基的构成
CFG桩复合地基由CFG桩体、桩间土和褥垫层三部分组成，如图1所示：
（二）CFG桩复合地基的加固机理
当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的变形模量远比土的变形模量大，所以桩比土的变形小，由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，垫层中垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。同时土由于桩的挤密作用（指用沉管方法成桩时 ）而提高了承载力，而桩又由于其周围土侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。
（三）褥垫层的作用及其合理厚度
这里所说褥垫层不是基础施工经常做的10cm厚的素混凝土垫层，而是由粒状材料组成的散体垫层，其作用可以概述为以下几个方面：
1．保证桩与土共用承担荷载。若基础下面不设置褥垫层，基础直接与桩和桩间土接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩基差不多。在给定荷载作用下，桩承受较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。其时程曲线的特点是：土承担的荷载随时间增加逐渐增加；桩承担的荷载随时间增加逐渐减少。如果桩端落在坚硬土层或岩石上，桩的沉降很小，桩上的荷载向土体转移数量很小，桩间土承载力很难发挥。当基础和桩之间设置了一定厚度的褥垫层后，基础传来的荷载首先作用在褥垫层上，然后通过褥垫层将荷载传递到桩和桩间土上，然而由于桩间土的抗压刚度远小于桩的抗压刚度，桩顶产生应力集中，桩向上“刺入”，同时褥垫层产生向下的位移，压缩桩间土。因此，桩和桩间土自始至终都参与承担荷载。
2．调整桩与桩间土之间竖向荷载的分担比例。桩与桩间土的竖向荷载分担比例与面积置换率、桩的类型、桩间土的物理力学性质以及褥垫层的厚度等因素有很大的关系，其中褥垫层厚度是个不可忽视的重要因素。在其他条件不变的情况下，增加褥垫层的厚度，可以使桩顶与褥垫层接触的局部产生更大的压缩量，即桩顶向上“刺入”量加大，从而使褥垫层与桩间土接触更加紧密，因此，提高了桩间土的竖向荷载分担比例。反之，减小褥垫层的厚度，可以提高桩的竖向荷载分担比例。
3．调整水平荷载在桩与土之间的分担比例。当褥垫层厚度增大到一定值时，桩受的水平荷载很小，水平荷载主要由桩间土承担。基础受水平荷载的作用时，不会发生桩的折断。
4．减小基础底面的应力集中，降低桩对基础的冲切破坏。由前面的讨论可知，褥垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，需考虑桩对基础的冲切，势必导致基础加厚。如果基础承受水平荷载作用，可能造成复合地基中桩发生断裂。而且褥垫层厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。
β：桩顶面反力/基础底面反力；H：褥垫层厚度
图2 基礎底面应力集中与褥垫层厚度关系
若褥垫层厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近了1。此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去了意义。这样设计的复合地基承载力，不会比天然地基有较大的提高，而且建筑物的变形也大。
综合以上分析，参考大量的工程实践总结，即考虑到技术上可靠、经济上的合理，褥垫层厚度取10～30cm为宜。
二、CFG桩复合地基的设计和施工
（一）CFG桩复合地基的设计计算
1．CFG桩复合地基承载力标准值可以通过现场复合地基载荷试验确定，也可按下式计算：
fsp .k=m· Rk/Ap+α·β（ 1-m）fk （1）
式中：fsp .k———复合地基承载力标准值kPa；
m——面积置换率；
fk——天然地基承载力标准值KPa；
α——桩间土强度提高系数，可根据经验预估或实测结合；
β——桩间土强度发挥系数0.75～1.0；
Ap——桩截面面积m2；
Rk——单桩承载力标准值，kN，其值可以根据《建筑桩基技术规范》中的计算方法确定。
2．设计参数的确定
（1）桩径d：一般桩径ｄ设计成350～400mm。
（2）桩距s：一般桩距ｓ=（3～6）d，桩距的大小取决于设计要求的复合地基承载力、土的性质与施工机具。一般设计要求的承载力大时，s取小值，但必须考虑施工时新打桩对已打桩的影响，就施工而言希望采用大桩距大桩长，因此s大小应综合考虑。
（3）桩长L由（1）式可解得：
Rk=（fsp-αβ（1-m）fk）Apm（2）
在进行复合地基设计时，天然地基承载力fk是已知的，设计要求的复合地基承载力fsp也为已知。桩径d和桩距s设定后，置换率ｍ和桩的断面面积Ap 均已知。然后，可由（3）式确定桩长L：
Rk=（Up∑qsihi +qp·Ap）/k（3）
式中 ：Ｕp——桩的周长；
qsi——第ｉ层土与土性和施工工艺有关的极限侧阻力，按建筑桩基技术规范有关规定取值；
hi——第ｉ层土厚度；
qp——与土性和施工工艺有关的极限端阻力，按建筑桩基技术规范有关规定取值；
k——安全系数，k=1.5～1.75。
（4）桩体强度：Ｒ28≥3σｐ
式中：Ｒ28 ——桩体28ｄ立方体试块抗压强度；
σp——桩顶应力。
（5）褥垫层厚度一般取10～30cm为宜，当桩距过大或根据需要，褥垫层厚度也可适当加大。褥垫材料可用碎石、级配砂石 （限止最大粒径）、粗砂、中砂。
3．布桩。基础尺寸的大小和形状都会影响实际的布桩数量；此外布桩是要考虑桩受力的合理性，尽量利用桩间土应力产生的附加应力，对桩侧摩阻力的增大作用；在桩端有坚硬土层，而桩又不太长是可以考虑采用夯扩桩，即利用CFG桩体材料，夯成一个扩大头，以获得较大的端阻力；在软土地区采用CFG桩复合地基方案时，桩端一般应落在好的土层上。
（二）CFG桩施工中应注意的质量问题
1．减少施工扰动使桩间土强度降低，CFG桩复合地基区别于桩基的主要特点就是充分考虑利用桩间土的承载力，所以应尽量减小施工扰动使土的强度降低。尤其当CFG桩用于饱和软黏土时应特别慎重，一是因为CFG桩成桩时土的挤密分量为零，承载力的提高唯一取决于桩的置换率。由于桩间土承载力太小，土的荷载分担比太低，不宜再作复合地基，其次是CFG桩易发生整体失稳。由于桩间土强度很低，对CFG桩的侧限作用很小，在竖向及水平荷载作用下，极易发生整体失稳，使建筑物破坏。
2．控制成桩质量。CFG桩的主要质量问题有缩颈、断桩、桩体强度不均和不足，解决这些问题应注意以下几方面施工环节：选择正确的打桩顺序；控制拔管速率；合理的混凝土配合比；设置适当的保护桩长。
3．及时观测及时反馈。施工中要观测新打桩对已硬结的已打桩的影响，注意已打桩桩顶标高的变化，确定是否产生缩颈，还要注意观测已打桩桩顶的位移情况，并把观测的结果进行及时反馈，以便可以及时发现问题，及时解决，以保证施工质量。
（三）CFG桩复合地基的适用范围
就其上部的基础形式来看，CFG桩复合地基适用于以承受竖向荷载为主的条形基础（有地梁）、独立基础、筏形基础、箱形基础等。就其处理的地基土本身而言，CFG桩复合地基适用于处理饱和及非饱和黏性土、粉土、松散砂土、人工填土、淤泥质土及非自重湿陷性黄土地基。
三、结论
CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和褥垫层组成的。CFG桩复合地基和桩基不同，它充分利用了桩间土的承载力。褥垫层技术是CFG桩复合地基的一个核心技术，CFG桩复合地基的许多特性都与褥垫层的作用密切相关。CFG桩复合地基的设计计算方法简单易学，但是其施工中的质量隐患要引起重视。CFG桩复合地基的适用范围广泛，成本相对较低，它是一种实用性很强的地基处理技术。
参考文献
[1]叶书麟．地基处理工程实例应用手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1998.
[2]中国建筑教育协会继续教育委员会．地基处理技术[M]．北京：中国建筑工业出版社，1996.
[3]唐维国，等．CFG桩复合地基的原理设计及经济比较[J]．岩土工程界，2001．
作者简介：韩冰（1976－），男，湖北武汉人，浙江省嘉兴市规划设计研究院有限公司工程师，硕士，研究方向：市政工程。