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1、- 1 -CFG 桩复合地基在沿海地区的应用及经济性分析邱荣晖水泥粉煤灰碎石桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂，加水拌和形成的高粘结强度桩（简称 CFG桩）。CFG 桩、桩间土和褥垫层共同作用构成了复合地基，适用于处理粘性土、粉土、砂土、非欠固结人工填土等地基。由于其能充分发挥桩间土的承载能力且桩身不配筋并掺入工业废料粉煤灰代替部分水泥，因此能大幅降低工程造价，具有显著的经济效应和社会效应。同时还具有施工速度快、工期短、抗腐蚀和易控制等特点。工程及地质情况厦门市环东海域火炬工业园占地面积约23万，总建筑面积约47万，拟建设45栋多层通用厂房，建筑高度为18.623.4m，室内地坪标高为6.67
2、.15m，均为钢筋混凝土框架结构。工程场地原为海湾滩涂地带，大部分为海水虾池区域，经吹砂填海成为标高6.0的陆域，并加以强夯及表层土冲碾处理使其表层承载力特征值100kPa。根据地质勘察详细报告，场地内及附近无不良地质作用，地基稳定性较好，场地属于中软场地土，场地类别为类，抗震设防烈度为7度，抗震设防分类为丙类。但因吹填砂土层在地震作用下有轻微液化现象，且其下存在软弱土层（淤泥质土层），因此场地属于抗震不利地段。 场地环境类别为类，通过对地下水的取样分析可知：地下水对混凝土结构有弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水条件下有弱腐蚀性、在干湿交替部位有强腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。地下水
3、以上土层仅对钢结构有弱腐蚀性（详见表1、表2）。表 1 场地各岩土层分布及力学指标统计表预应力管桩 CFG 桩 指标项目岩土名称厚度（m）承载力特征值 fak（kPa）压缩模量 Es（MPa）qsia（kPa）qpa（kPa）qsi（kPa）qp（kPa）新近吹填砂（含表层素土层） 5.17.8 150 10 50 30 淤泥质土 0.51.0 60 2.4 15 8 含泥中粗砂 3.15.0 180 12 40 25 含卵石砾砂 2.36.3 350 18 60 4000 40 3000残积砂质粘性土 2.26.6 220 6.5 45 2500 35 1800全风化花岗岩 2.36.3 3
4、50 12 50 3500 45 3000砂砾状强风化花岗岩 5.913.5 500 65 6000 - 2 -表 2 地下水腐蚀性评价表评价类别 检测项目 含量 评价范围 腐蚀 性 综合结果 备注24575.791094.05 5001500弱 2+ 383.62966.34 6.5 无 A 型水侵蚀性 2 0.013.04 1.0 无弱A 型水5000 弱 弱 长期浸水钢筋混凝土结构中的钢筋0.2524 5313.0314991.46 5000 强 强 干湿交替钢结构 24 6032.7715624.83 500 中 中 基础方案选择及经济性分析由于工程场地为吹砂填海造地区域，拟建建筑物为
5、工业厂房，单柱荷载较大(40006000KN)。厚度达 6m 的吹填砂层虽进行了强夯处理但其承载力仍满足不了上部结构的荷载要求，再加上场地内局部存在有软弱土层（淤泥质土层）亦无法满足地基变形要求，因此首先排除天然地基浅基础方案。根据该地区经验及岩层分布情况，高层或多层框架结构的建筑多采用桩基础，故可以在多种桩基础方案中进行选择。任选场地内一栋建筑物为例：F 型厂房，五层框架混凝土结构，建筑高度为 22.5m，占地面积 1620，总建筑面积 8300。横向八跨，纵向三跨，柱距为 7.88.0m。根据地勘报告及相关参数初步设计结果如下：1、大直径沉管灌注桩方案若采用桩径为 700800mm 的沉管
6、灌注桩并以砂砾状强风化花岗岩为持力层，则有效桩长一般在2030m，单桩承载力可达 25004000KN。该方案的优点在于单桩承载力高且稳定，抗水平力强。缺点在于桩身质量不易控制，易产生缩径现象而导致钢筋笼保护层厚度不足，在场地内地下水对干湿交替环境下混凝土中钢筋具有强腐蚀性的前提下抗腐蚀安全性不高。并且该方案施工周期长（单机一天 34 根），不能满足进度要求，不予考虑。2、预应力混凝土管桩（PHC）方案设计选用 PHC500-125-AB 型管桩，以砂砾状强风化花岗岩为持力层，单桩承载力 1800KN，设计总桩数为 110 根，设计平均桩长为 28m。PHC 管桩方案的优点在于桩身质量有保证，
7、单桩承载力大，总桩数少，机械施工速度快。但由于地质- 3 -条件的约束 PHC 管桩的设计桩长为 2530m，而现有的预制管桩单节长度一般为 1215m，这就决定了必须进行接桩工序。同时，也带来了 PHC 管桩接头怎样在一个弱腐蚀性的水环境中防腐蚀的难题，现有的防腐蚀方案（如采用厚壁管桩、接头处涂刷冷底子油及沥青胶泥各两遍等）均不能有效地解决腐蚀问题且影响工期进度。3、水泥粉煤灰碎石桩（CFG）方案结合相关规范和资料，在充分分析地质资料的基础上选择计算参数。持力层及桩长：以含卵石砾砂层作为桩端持力层，有效桩长15m。桩径：若桩径过小，施工质量不易控制；桩径过大，需加大褥垫层厚度才能保证桩土共同
8、承担上部结构传来荷载，规范上建议CFG桩径宜取350600mm。本工程桩径取400mm。单桩承载力计算：单桩竖向承载力特征值Ra 可按下式估算： 1 ：桩的周长； ：桩截面积； ：桩长范围内所划分土层数； ： 第i层土的厚度； ， ：第i层土的侧阻力，桩端端阻力特征值； 任选3孔试算后，取Ra450KN。计算CFG 桩复合地基面积置换率m值： + (1-m):CFG 桩复合地基承载力特征值； :桩间土承载力发挥系数；:桩间天然地基承载力特征值； m: 面积置换率；根据设计单位建议 取380KPa， 取100 KPa，经计算m0.081。 根据m值，求桩间距S：（按正方形布桩考虑）=()12 1
9、.25由桩顶应力确定桩体材料强度： 2- 4 -：为桩体设计强度，取C25 ，满足规范要求。褥垫层厚度：在基础与 CFG 桩和桩间土之间必须设置一定厚度散体粒状材料组成的褥垫层。根据现行地基处理规范褥垫层一般厚度为 100300mm，虚铺后采用静力压实，所用材料为级配砂石，最大粒径不超过 3cm。本工程褥垫层厚度取 300mm,其材料为 50%(瓜米石)+50%(中粗砂)。根据上述参数及公式推导，设计采用 400mm 径 CFG 桩以含卵石砾砂层为持力层，单桩承载力特征值为 450KN,桩间土承载力取 100kPa,置换率取 8.1%,则复合地基承载力为 380kPa。计算总桩数为 273 根
10、，平均桩长 15m。该方案的优点在于施工效率高、周期短（按单根桩长 15m 计，单机一天可成桩约 25 根），施工费用低，成桩质量易保证，桩身不配筋抗腐蚀性强。4、经济性分析根据场地的岩土工程条件和建筑物的结构荷载特点，在安全可靠、施工便利的前提下，本着经济适用的原则，选择 PHC 桩基础方案和 CFG 桩复合地基基础方案进行经济性分析，以便选择最佳方案（详见表 3）。表 3PHC 桩基础与 CFG 桩复合地基工程造价分析表基础方案 预应力管桩桩基础 水泥粉煤灰碎石桩复合地基桩型 PHC500-125-AB 400 CFG设计桩数 110 根 273 根设计桩长 28 m 15 m总桩长 30
11、80 m 4095 m桩体造价 165 元/m(含压桩、接桩、防腐等费用) 88.2 元/m（含打桩、砍桩等费用）桩基总价 508200 元 361179 元承台混凝土用量 198.6 m 262.4 m混凝土单方造价 418.6 元/m （C25） 436.8 元/m （C30）承台混凝土造价 83133.96 元 114616.32 元承台钢筋用量 7.93 t 9.86 t钢筋单价 4470 元/t （三级钢） 4220 元/t （二级钢）钢筋造价 35447.1 元 41609.2 元褥垫层量 187.9 m褥垫层单方造价 86.8 元/m（1：1 级配砂石）褥垫层造价 16309.7
12、2 元管桩灌芯砼用量 151.1 m 灌芯砼单方造价 390 元/m （C25） 灌芯砼造价 58929 元 基础总价 685710.06 元 533714.24 元按建筑面积折合造价 82.6 元/ 64.3 元/通过对两种方案的综合比较分析可以发现：在实现同等的地基处理效果的前提下，采用 CFG 桩- 5 -复合地基方案比采用 PHC 管桩基础方案节省造价约 15.2 万元，节约比例达 22%，经济效应十分显著。例如拟建工程总建筑面积约 47 万则单基础部分造价就可节约近 900 万元。再加上 CFG 桩所具有的施工速度快、抗腐蚀性强等先天优势更使其成为拟建工程基础方案的第一选择。CFG
13、桩的工程特性及质量控制1、工程特性（1）CFG 桩复合地基通过褥垫层与基础连接，可保证桩间土始终参与工作。在荷载作用下，桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使处理后的复合地基承载力可大幅度提高，提高系数可高达 2 倍以上。（2）CFG 桩是由机械成孔后将混合料打入孔中成形，利用拔管过程中桩机产生的振动及高差产生的重力使混合料出现自振捣效应并成形。这样在成桩的过程中不仅挤密了桩间土还挤密了桩身，使其具有水硬性，能明显提高复合地基的强度和抗变形能力。（3） CFG 桩长可以从几米到0 多米，并可全桩长发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总荷载的百分比可在 4
14、075之间变化。因此复合地基承载力具有很大的可调性，可通过调整桩长、桩距等参数来满足不同的承载力要求。（4）CFG 桩复合地基具有刚柔相济的受力特征，不仅可全桩长发挥侧阻，而且当桩端落在好的土层上时还具有明显的端承作用。这样就可以通过增加桩长或改变桩端持力层的方式，使其进入较坚硬的土层来提高 CFG 桩复合地基的承载力，以满足不同的设计要求。2、质量控制根据场地地质情况，工程特性，周边环境及工期要求，本工程采用振动沉管灌注成桩工艺进行施工。该工艺具有施工操作简便、施工费用较低以及对桩间土的挤密效应显著等优点。为保证施工质量， 还应控制好以下几个问题：（1）选择正确的施工顺序。CFG桩的施工顺序
15、和施打速度正确与否直接影响桩的质量，应合理选择桩的施打顺序和施打速度，尽量减少桩间土的侧向挤压与隆起对已施工桩的影响。（2）严格控制拔管速率。拔管速率太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩，而拔管速率过慢又会造成混和料离析，桩项浮浆过多导致桩身强度不足。因此施工时，拔管速度应按均匀线速度控制在1.21.5m/min左右，在淤泥或淤泥质土层位置，拔管速度还应适当放慢。（3）控制好混合料的坍落度。坍落度过大，会形成桩项浮浆过多，降低桩体强度。坍落度宜控制在3050mm，此时混合料和易性好，成桩质量容易控制。（4）应设置保护桩长。桩顶标高应高出设计桩顶标高至少0.5m，并在管拔出后，用插入式振捣棒对桩顶混合料加振35秒，提高桩顶混合料的密实度及抵抗周围土挤压的能力，避免混合料受新打桩振动作用上涌而导致缩径。 （5）拔管过程避免反插。在拔管过程中若出现反插，由于桩管垂直度的偏差，容易使土与桩体材料- 6 -混合，导致桩身掺土影响桩身质量，应避免反插。（6）加强施工过程中的监测。在施工过程中，应加强对施工场地标高、已打桩桩顶标高等
