水泥粉煤灰碎石桩的加固机理与施工

摘 要：CFG桩加固软弱地基主要有三种作用：1、桩体作用；2、挤密作用；3、褥垫层作用.

关 键 词：加固软弱地基；复合地基；褥垫层

CFG桩加固软弱地基,桩和桩间土一起通过褥垫层形成CFG桩复合地基.褥垫层是由粒状材料组成的散体垫层,由于CFG桩系高粘接强度桩,褥垫层是桩和桩间土形成复合地基的必要条件.

CFG桩加固软弱地基主要有三种作用：1、桩体作用；2、挤密作用；3、褥垫层作用.

1、桩体作用

CFG桩不同于碎石桩,是具有一定粘结强度的混合料.在荷载作用下CFG桩的压缩性明显比其周围软土小,因此基础传给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上,出现应力集中现象,复合地基的CFG桩起到了桩体作用.据南京造纸厂复合地基载荷试验结果,在无褥垫层情况下,CFG桩单桩复合地基的桩体应力比n等于24.3-29.4；四桩复合地基桩土应力比n等于31.4-35.2；而碎石桩复合地基的桩土应力比n等于2.2-2.4,可见CFG桩复合地基的桩土应力比明显大于碎石桩复合地基的桩土应力比,亦即其桩体作用显著.

2、挤密与置换作用

当CFG桩用于挤密效果好的土时,由于CFG桩采用振动沉管法施

工,其振动和挤压作用使桩间土得到挤密,复合地基承载力的提高既有挤密又有置换；当CFG桩用于不可挤密的土时,其承载力的提高只是置换作用.

3、褥垫层作用

由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫,在复合地基中有如下作用：

1、保证桩、同承担荷载.褥垫层的设置为CFG桩复合地

基在受荷后提供了桩上、下刺入的条件,即使桩端落在好土层上,至少可以提供上刺入条件,以保证桩间土始终参与工作.

2、减少基础底面的应力集中.在基础底面处桩顶应力与桩间土

应力之比随褥垫层厚度的增加而降低.当褥垫层厚度大于10cm时,桩对基础产生的应力集中已显著降低.当褥垫层厚度为30cm时,桩顶应力与桩间土应力之比只有1.23.

3、褥垫层厚度可以调整桩土荷载分担比.荷载一定时,褥垫层越厚,土承担的荷载越多.荷载水平越高,桩承担的荷载占总荷载的百分比越大.

4、褥垫层厚度可以调整桩、土水平荷载分担比.褥垫层厚度越大,桩顶水平位移越小,即桩顶受的水平荷载越小.

CFG桩桩径大时一般用钻孔灌注桩的成桩设备,桩径较小时（350-600mm）可用振动沉管打桩机或螺旋机,有时则是用振动沉管机和螺旋钻机联合使用.施工前一般须进行试成桩确定有关技术参数后,再精心组织正常施工.

由于大多采用振动沉管机施工,以下就振动成桩工艺作一介绍.

1、沉管

1.桩机就位须水平、稳固、调整沉管与地面垂直,确保垂直度偏差不大于1%.2.若采用钢筋混凝土桩尖,需埋入地表以下300mm左右.3.启动马达,开始沉管过程中注意调整桩基的稳定,严禁倾斜和错位.4.沉管过程中须作好记录.激振电流每沉1m记录一次,对土层变化处应特别说明,直到沉管至设计标高.

2、投料

1.在沉管过程中可用料斗进行空中投料,待沉管至设计标高后须尽快投料,直到管内混合料面与钢管料口平齐.2.如上料量不多,须在拔管过程中进行孔中投料,以保证成桩桩顶标高满足设计要求.3.混合料配比应严格执行规定,碎石和石屑含杂质不大于5%.4.按设计配比配置混合料,投入搅拌机加水拌合,加水量由混合料塌落度控制,一般塌落度为30-50mm,成桩后桩顶浮浆厚度一般不超过200mm.5.混合料的搅拌须均匀,搅拌时间不得少于1min.

3、拔管

1.当混合料加至钢管投料口平齐后,开动马达,沉管原地留振10s左右,然后边振动边拔管.2.拔管速度按均匀线速控制,一般控制在1.2-1.5m/min左右,如遇淤泥或淤泥质土,拔管速率可适当放慢.3.当桩管拔出地面,确认成桩符合设计要求后用粒状材料或湿粘土封顶,然后移机继续下一根桩施工.

4、施工顺序

连续施打可能造成的缺陷是桩径被挤扁或缩颈,但很少发生桩完全断开,跳打一般很少发生已打桩桩径被挤小或缩颈现象,但土质较硬时,在已打桩中间补打新桩时,已打桩可能被振断或振裂.

在软土中,桩距较大可采用隔桩跳打,在饱和的松散软土中施打,如桩距较小,不宜采用隔桩跳打方案,满堂布桩,无论桩距大小,均不宜从四周向内推进施工.施打新桩时与已打桩间隔时间不应少于7天.

5、混合料塌落度

为避免桩顶浮浆过多,混合料塌落度一般为3-5cm.

6、保护桩长

是指成桩时预先设定加长的一段桩长,基础施工时将其剔掉.保护桩长越长,桩的施工质量越容易控制,但浪费的料也越多.

设计桩顶标高离地表距离不大于1.5米时,保护桩长可取50-70cm,上部用土封顶.桩顶标高离地表距离较大时,保护桩长可设置70-100cm,上部用粒状材料封顶至地表.

7、褥垫铺设

为了调整CFG桩和桩间土的共同作用,宜在基础下铺设一定厚度的垫层,褥垫材料多为粗砂、中砂或级配砂石,限制最大粒径不超过3cm.虚铺后一般用静力压实,当桩间土含水量不大时亦可夯实.桩间土含水量较高,特别是高灵敏性土,要注意施工扰动对桩间土的影响,以避免产生橡皮土.

参考资料

[1]张炳华.土建结构优化设计.上海：同济大学出版社,2008：34-36

[2]蒋启平.工程结构优化设计的新方法.北京：中国建筑工业出版社,2007：35-37