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1、CFG 桩复合地基在大型工程中的应用尹廉华、熊正宏摘 要： 在某煤场地基处理中，注意场地荷载对于原三水源明渠的通廊支架基础的不利影响，利用 CFG桩复合地基的优势对软弱地基进行处理。并给出相应的处理措施和建议。在此阐述了 CFG 桩复合地基的计算过程以及注意事项，并通过工程实例进一步验证 CFG 桩复合地基的实用性。关 键 词： 煤场； 地基处理； CFG 桩复合地基； 应用引言：CFG 桩（ Cement Flyash Gravel）即水泥粉煤灰碎石桩，是由碎石、石屑、粉煤灰掺适量水泥加水拌合而成。其中的粉煤灰代替了一般桩中的水泥，以及桩体不需要配筋，不仅增加了混合料的和易性并在经济上有了很
2、大的节约。CFG 桩是与桩间土、褥垫层一起形成复合地基的一种高粘结强度桩。在高荷载的作用下，由于桩顶所受应力比桩间土表面的应力大，桩将承受的荷载向较深的土层传递并相应的减少了桩间土所受应力，整体上地基承载力提高而变形减小。1 工程概况此工程为某煤场区域地基处理。煤场地位于配套焦炉工程场地南部，地基处理范围尺寸：300135=40500m 2。整个煤堆场地基处理包括两部分：煤堆场地基处理和堆取料机地基处理。整个场地内上部都分布有松散的人工填土，淤泥质粉质粘土等岩土工程条件较弱的地层，为满足生产设计上的需要，必须要进行地基处理。1.1 地质条件拟建场地地形较复杂，场区内有小丘，池塘，鄂钢三水源明渠
3、，其中三水源明渠长约 550m，宽约 50m，总体上属于垄岗地貌，地面标高起伏较大，介于 1623m 之间。此场地属于二级阶地，地基岩土种类较多，分布不均匀，根据岩土工程勘察报告，场地内主要为第四系冲洪积及残坡积粘性土，三叠系中上统砂岩、泥岩、泥质灰岩等，场地起伏较大，三水源区域，标高 17-18m，水面标高在勘察期间为 16.72 m。按“中国地震动参数区划图” ，该地区地震基本烈度为 6 度，设计基本地震加速度值为 0.05g，设计地震分组为第一组，拟建构筑物可按 6 度进行抗震设防。三 水 源 耐 火 材 料 厂梁 新 屋 耐 火 材 料 厂 三 水 源 耐 火 材 料 厂图 1. 勘探
4、点平面布置图根据勘察报告土工实验与场地原位测试结果，场地各土层相关物理力学参数如表 1表 1 物理力学指标统计表序号 土层编号 土层名称含水量(%)土粒比重Gs天然孔隙比 e天然重度kN/m3饱和度Sr(%)液限wl(%)塑性指数wp(%)液性指数Il塑性指数IP1 2-1 淤泥质粉 质粘土 36 2.73 0.97 18.42 98 36 21 0.99 152 2-2 粉质粘土 26 2.72 0.71 19.6 97 33 21 0.43 123 3 粉质粘土 24 2.73 0.68 19.8 96 37 22 0.14 154 4 残积土 24 2.73 0.67 19.9 97 3
5、9 23 0.08 16其他土层对本工程场地无影响1.2 地基稳定性理论分析1.21 圆弧滑动面法分析地基的稳定性图 2 抗滑移分析简图当煤场堆载出现不利情况时，堆取料机一侧煤场满载，而另一侧是空载，此时，可能出现的滑动面为沿三水源填土区域发生圆弧滑动，如上图弧 ABC 所示，AC 为原明渠宽度，BD 为明渠中心填土的最大深度，O 点为滑弧的园心。滑动力矩为煤堆产生的力矩，而抗滑力矩为滑动面上的土体抗剪切强度。即 )2(BADqM滑RdRCc)seco1(tan2抗积分得 RABCcM)tanl(seo180(2抗式中 c土的凝聚力（kPa） ；土的内摩擦角（） ；土的重度（kN/m 3） ；
6、1.22 不均匀沉降对堆取料机推移分析在未对地基进行处理的情况下，北煤场与中煤场之间的沉降差可能达 30mm 左右，此时在堆取料机基础两侧出现高差。假设堆取料机基础采用的是桩基础，在一侧满载而另一侧空载的不利情况下，堆取料机会出现水平位移，位移达到 24mm 以上。基于以上几种方法分析，煤场在130kPa 堆载情况下，不会发生失稳现象，但其变形已影响到建筑物的使用功能，必须采取加固处理措施。2 设计方案比选图 3. 总平面定位图2.1 设计方案比较表 2 设计方案对比序号方案 优点 缺点1 CFG桩施工工期短，无挤土效应，承载力高，抗剪强度高，养护期短，工程安全有保证，适宜料场一次堆载到设计高
7、度。1、成桩费用过大，经济成本较高；2、外排土量较大。2CFG桩 +粉喷桩1、CFG 桩可控制轨道机绝对沉降量在100mm 以内；2、粉喷桩施工周期短，对周边无挤土效应。在三水源区域的沟底有较厚的淤泥土，呈流塑状态，其有机质含量较高，对于粉喷桩的成桩较为困难，必须大大提高水泥参量，导致成本的不必要增加。3CFG桩 +砂石桩1、CFG 桩可控制轨道机绝对沉降量在100mm 以内；2、堆煤区荷载不大，选用砂石桩加固，其优点之一，可作为软土中超孔隙水排水路径，这是采用分期堆载前提；之二，可利用砂石桩本身较高的抗剪强度，提高料场整体稳定性。1、砂石桩区域要进行贮矿管理，煤场需分二级施加才能达到最终高度
8、；2、待超孔隙水消散（施工结束后不宜少于 28天）才能加荷。拟建场地在勘探深度范围内没有影响场地稳定性的构造破碎带、滑坡、崩塌、泥石流、采空区、地面沉降等不良地质作用，拟建场地可视为较稳定的建筑场地，适宜建筑。 场地回填土层较厚且不均匀。建议对堆取料机轨道基础采用 CFG 桩复合地基或桩基础，同时对煤场进行砂石桩加固或强夯处理。处理对象为 1 层2-2 层软弱土层，桩端进入第三层硬塑土层或第四层残积土层至少 0.5m，处理后复合地基承载力特征值为 200kPa。2.2 总体设计思路复合地基承载力是由桩间土和桩共同承担荷载。桩复合地基承载力取决于桩距、桩径、桩长、上部土层和桩尖下卧层土体的物理力
9、学指标以及桩间土内外面积比值等因素。2.21 CFG 桩满足轨道机承载力及沉降变形要求CFG 桩属于半刚性桩，可采用长螺旋压灌或振动沉管成桩工艺。这种桩像刚性桩一样，可全桩长发挥侧阻，桩落在好的土层上时，具有明显的端承作用，能够把上部荷载及褥垫层承载力传递至持力层。轨道机基础采用 CFG 桩还能够提高整场地土整体强度，提高土体承载力及抗剪强度。2.22 砂石桩增加排水路径砂石桩在软弱粘性土中成桩以后，就形成了一定桩径、桩长和间距的桩与桩间土共同组成的复合，有密实的砂石桩桩体取代了与桩体体积相同的软弱土，从而提高了地基的整体稳定性和抗剪强度。在饱和粘性土地基中，砂石桩体的排水通道作用是砂石桩法处
10、理饱和软弱粘性土地基的主要作用之一，比之在砂土中的排水作用显著。由于砂石桩缩短了排水距离，从而可以加快地基的固结沉降速率。2.23 CFG 桩设计桩径的决定取决于所采用的成桩设备，根据 CFG 桩型施工经验，桩径均选用500mm。CFG 桩长以穿过 3 层或 4 层为宜，桩端位于硬塑土层中，根据勘察报告，桩长在第一条堆取料机（北侧，靠配煤室）基础处为 13.5m、18.0m、13.5m、17.5m 和16.0m 五个区，在第二条堆取料机（南侧，靠炉料厂）基础处为 13.0m、14.0m、15.0m和 13.5m 四个区。CFG 单桩承载力估算,估算公式：Ra=pqsili+qpA式中 p -
11、桩周长，取 1.57m；qsi - 桩侧土摩阻力，按勘察报告取值；li - 各土层厚度 m；A - 桩截面积，取 0.196m2；qp - 桩端阻力特征值，按勘察报告取值 360kPa。图4 B区17米高程分层碾压挤淤图现选择 B221#和 B247#孔地层结构计算，其 Ra=592kN 和 654kN；现取承载力特征值350kN。桩体强度 fcufcu3Ra A=7653kPa，桩体混凝土强度取 C15。置换率 mfspk=m* Ra Ap+ *(1-m)fsk式中：fspk - 复合地基承载力，取200kPa；Ra - 单桩承载力，取 350kN；Ap - 桩截面积，取 0.196m2；f
12、sk - 处理后桩间土承载力，取70kPa； - 桩间土承载力折减系数，取 0.85。m=0.0809=8.09%。桩间距 S桩可按矩形布置，则：m=d2/de2代入求得 L1（垂直向）=1.5m,L 2（水平向）=1.6m。2.24 褥垫层设计褥垫层技术是复合地基处理的一个核心技术。砂石褥垫层连通长螺旋压灌桩、砂石桩及粉喷桩为一个整体，并协调桩与桩间土荷载分担比，调动桩体作用，减少桩间土所受的荷载，从而使物料下地基沉降尽量均匀。通过垫层沉降和浅部土体的侧向位移。通过垫层切向拉力参与与抗滑，有利于堆置场稳定。CFG 桩桩顶标高设计为25.00m，褥垫层厚度为 500mm，褥垫层材料为碎石，垫层
13、施工压实系数不小于 0.93，褥垫层顶面标高为 25.0m。2.25 施工工艺CFG 桩可采用长螺旋压灌砼和振动沉管成桩工艺，砂石桩采用振动沉管施工工艺，这三种施工工艺都在湖北省地区非常成熟，可以放心使用。然后就是场地整平、加强贮矿管理和检测管理。3 料场整体稳定性验算3.1 桩的检测在桩检测中按规范要求，检测项目包括单桩竖向静载荷和复合地基静载荷试验检测，检测比例为总桩数的 0.5%及低应变动力检测桩身质量，检测比例为总桩数的10%。检测时间为成桩后 28 天进行。3.2 沉降验算选择 B 区 CFG 桩做沉降验算 基 础 中 心 线图 5 B1 区 CFG 桩布桩大样图桩碎 石 垫 层 2
14、4.5024.80图 6 CFG 桩复合地基剖面图复合地基变形分为三个部分加固区的变形量和下卧层的变形量凡以及褥垫层的压缩变形。在实际计算中，通常会忽略褥垫层的压缩变形。处理土层参数表 3 图层参数表土层厚 容重 饱和重度压缩模量 承载力序号土类型 （m） （kN/m3）（kN/m 3）（MPa） （kPa）1-1素填土11.78 18.50 18.50 3.5 702-1淤泥质粉质粘土7.50 15.60 15.60 2.5 503粉质粘土2.50 19.50 19.50 12.6 3004残积土1.50 19.60 19.60 12.5 300表 4 复合地基承载力与沉降变形计算结果表分区
15、 桩长（m）复合地基承载是否满足要求最终沉降量（mm）B1-1 11.0 满足要求 65.21B1-2 16.5 满足要求 92.33B1-3 14.0 满足要求 80.11B1-4 16.0 满足要求 92.10B1-5 14.5 满足要求 85.32B1-6 16.0 满足要求 90.35B1-7 12.5 满足要求 68.41B2-1 12.0 满足要求 67.54B2-2 14.0 满足要求 84.33B2-3 12.5 满足要求 66.53根据场地内地层结构，选择有代表性的工程地质剖面为计算断面，并将三个料条及堆取料机荷载换算成等效荷载高度。最终均匀沉降量不大于 100mm。其局部纵
16、向沉降差不大于 L/300，横向沉降差不大于L/600。轨道直线度在全场内允差（水平）30mm，跨度方向允差（水平）10mm。堆煤场地地基承载力特征值不低于 130Kpa，最终沉降量不大于 500mm。经验算，料场整体稳定性安全系数为 1.334，大于 1.2，故场地整体是稳定的。通过这三年生产的实际使用，经对堆取料机轨道的沉降监测，中间最大值为 90 mm，两边最小值为 20 mm，完全满足要求。4 结论通过工程实践证明，从各方案中比较得出对堆取料机轨道基础采用 CFG 桩复合地基进行处理的方案在施工速度快捷，能就地取材，在稳定性控制上容易达到要求，在经济上更是很大程度地降低了工程造价。在这种大型的地基处理中，CFG 桩复合地基不失为一种行之有效的地基处理技术，而且具有很大的发展空间。参 考 文 献【1】 （GB50007
