水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的设计与应用
CFG桩论文
摘要：CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）是由水泥、煤粉灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，由桩、桩间土和褥垫层一起构成的复合地基，目前大量用于高层和超高层建筑地基的加固。桩身强度等级多在C15-C25之间。由于其具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低廉的特点，该技术已在全国各地区高层建筑地基处理中得到广泛应用，绝大多数为20-30层建筑，也有31-35超高层建筑在合肥地区应用比较广泛。目前已成为应用非常普遍的地基处理技术之一。
关键词：CFG桩普遍复合地基造价低廉地基处理技术应用价值
第一章绪论
1.绪论
CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩的简称)复合地基成套技术，已列为建设部重点推广技术和国家科委重点推广研究成果，已在全国多个省市应用。本文通过分析地基与地基处理方法，及CFG桩在地基处理中的应用并浅析影响其造价的因素从而说明CFG桩复合地基的优点，描述其施工工艺，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和普遍。
第二章CFG桩复合地基定义及发展
2.1CFG桩复合地基定义
CFG桩是英文CementFly-ashGrave的缩写，意为水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌合，用各种成桩机制成的可变强度装。CFG桩和桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基，是地基处理的一种常见方法。CFG桩的适用范围很广。在砂土、粉土、粘土、淤泥质土、杂填土等地基均有大量成功的实例。CFG桩对独立基础、条形基础、筏基都适用。
2.2CFG桩复合地基发展历史与应用现状
CFG桩复合地基成套技术是中国建筑科学研究院地基所20世纪80年代末开发的一项新的地基加固技术。该技术于1994年被列为建设部全国重点推广项目，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。
CFG桩施工最初选用振动沉管打桩机，该工艺不足之处在于存在振动和噪音污染，遇厚砂层和硬土层难以穿透。为完善CFG桩的施工技术，1997年国家投资立项研制开发长螺旋钻机和配套的施工工艺，并列入九五全国重点攻关项目，于1999年12月通过国家验收。
CFG桩复合地基时高粘结强度复合地基的代表，80年代多用于多层建筑地基处理，现今大量用于高层和超高层建筑地基的加固，并成为某些地区应用最普遍的地基处理方法之一。
目前CFG桩复合地基技术在国内许多省市都得到广泛应用，据不完全统计，应用这一技术的有：北京、天津、江苏、浙江、河北、河南、山西、山东、陕西、安徽、湖北、广西、广东、辽宁、黑龙江、云南等23多个省、市、自治区。
2.3复合地基与桩基础的区别
桩基是桩基础的简称，是一种广义的深基础，它是由桩和连接桩顶的承台组成。
复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体，并由原土和增强体共同承担由基础传来的建筑物的荷载。这样一种人工地基称为复合地基。
这里的增强体是由强度和模量①相对原土高的材料组成，习惯上讲纵向增强体称为桩。例如由碎石桩组成的纵向增强体叫碎石桩；由水泥和土搅拌形成的纵向增强体叫水泥土桩；由水泥、粉煤灰、碎石组成的纵向增强体称为水泥粉煤灰碎石桩也就是CFG桩。
需要指出的是，不论是碎石桩、水泥土桩，还是强度和模量很大的水泥粉煤灰碎石桩，，都视为天然土体中的增强体，它和原土一起形成复合土体，属于地基的范畴。而桩基础的桩是深基础的一部分，与上述的增强体是有本质区别的。
第三章地基与基础
3.1地基与基础的区别
房屋建筑通常是由上部结构和基础两大部分组成的。基础是承受上部结构荷载并将荷载传到基础以下土层的结构，承受基础传来的建筑物荷载的这一部分土称为地基。
3.2地基处理的方法
作为支承建筑物荷载的地基，必须能防止强度破坏和失稳，同时，必须控制基础的沉降不超过地基的变形允许值。当地基不能满足上述条件，则应进行地基加固处理。
近些年来，有些建筑物不得不在不良地基上修建，当承载力和变形不能满足设计要求需要时，需要进行处理。另外，随着建筑造型的复杂化，建筑物的荷载日益增大和不均匀，对形变的要求也越来越高，即使一些良好的地基，也可能在某些特定条件下需要进行处理。进行地基处理的方法有很多，如密实法、置换法、加筋灌浆法、复合地基法等，在此着重介绍复合地基法。
3.2.1复合地基法
复合地基法是在天然地基中设置一定比例的增强体（桩体），是桩土共同承担荷载，并具有密实法和置换法的效应。
由于打设增强体的方法不同、选用的桩体材料不同，复合地基法的密实作用和置换作用对承载力的提高幅值占的比例也不相同，通常复合地基面积置换率②一般在3%-25%之间，个别方法，如碎石桩用到过40%。
与其它方法不同的是，复合地基时70年代以来发展最快的一种方法。不同桩型的复合地基，其承载力和变形特性明显不同。
3.2.2复合地基的分类
复合地基技术在我国得到了广泛的应用和发展。据不完全统计，在地基处理中应用的桩型不下十几种，其中应用比较广泛的有：振冲碎石桩复合地基、干振碎石桩复合地基、土桩复合地基、灰土桩复合地基、石灰桩复合地基、深层搅拌水泥土桩复合地基、粉喷水泥土桩复合地基、夯实水泥土桩复合地基、水泥粉煤灰碎石桩复合地基即CFG桩。
3.2.3复合地基的效应优点
（1）置换作用
也称桩体效应，复合地基中桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大。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。
工程实践表明，复合地基置换作用的大小，主要取决于状体材料的组成。散体桩置换作用最小，高粘结强度桩置换作用最大。散体桩增加桩的长度，对复合地基置换作用影响不大；一般粘结强度桩，特别是高粘结强度桩，加大桩长可使复合地基置换作用明显提高。
（2）挤密、振密作用
对松散填土、松散粉细沙、粉土等采用非排土和振动成桩工艺，可使桩间土孔隙比减小、密实度增加，提高桩间土的强度。如振动沉管挤密碎石桩、振冲碎石桩、振动沉管CFG桩。
需要指出的是，对饱和的软粘土、硬的粘性土、粉土、密实砂土，振动成桩不仅不能是桩间土挤密，反而使土体结构强度丧失，孔隙比增大、密实度减小、承载力降低。
（3）排水作用与减载作用
复合地基中的桩体，很多有良好的透水性，如碎石桩、砂桩、CFG桩等。桩体的排水作用，有利于孔隙水压力消散、桩间土强度和复合地基承载力提高。
对排土成桩工艺，用轻质材料取代原土成桩，在加固土层范围内，复合土层的有效重度将比原土有明显的降低。
（4）桩对土的约束作用
在群桩复合地基中，桩对桩间土具有阻止土体侧向变形的作用。相同荷载水平条件下，无侧向约束的土的侧向形变大，从而使垂直变形加大；由于桩对土体侧向变形的限制，减少了侧向变形，也就减小了垂直变形，是复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。
第四章CFG桩复合地基应用
4.1CFG桩复合地基概况
CFG桩复合地基由CFG桩、桩间土和褥垫层一起形成复合地基。需要指出的是，褥垫层是复合地基的重要组成部分，是高粘结强度桩形成复合地基的必要条件。
4.2褥垫层的意义
按照传统的CFG桩复合地基理论，褥垫层是其重要组成部分，复合地基许多特性都与褥垫层有关。这里所说的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。
4.2.1设置褥垫层的必要性
CFG桩复合地基有无褥垫层，其区别主要是桩间土的承载力发挥的过程不同。当设置褥垫层时，桩间土一开始就承担了较大比例的荷载，在正常使用状态下，建筑物荷载主要由桩和桩间土共同承担；而不设褥垫层时，荷载一开始主要由桩来承担，桩间土基本不承担或承担很少。在正常使用状态下，建筑物荷载主要由桩来承担。当复合地基承载力达到极限时，无论是其承载力的大小以及桩、土的荷载分担比都是相同的，故可取消褥垫层。
4.2.2不设置褥垫层的情况
取消垫层，让桩顶直接与基础接触，实际上就是在正常使用状态下充分发挥桩的承载力，使其接近极限，而让桩间土强度为作安全储备，这样虽然桩的安全系数K小于2(一般1.1左右)，但地基土的安全系数却较高，复合地基总的安全度并没有降低，就象桩基础在正常使用状态下，其摩阻力和端承力发挥程度不一样、其各自的安全系数也不一样，类似于复合桩基③的设计思想。
4.3CFG桩复合地基的优点
（1）适用性广，承载力提高幅度大
CFG桩复合地基技术适用于非饱和及饱和的粉土、粘性土、填土、砂土、淤泥质土等地质条件，处理后，复合地基的承载力与原地基承载力相比，可提高2-5倍。
（2）施工简便，工期短
CFG桩施工方法一般为长螺旋钻成孔泵送混凝土法，施工时，没有钢筋笼制作等工序，成孔成桩一次完成减少了成桩时间，加快了施工速度。
（3）保护环境
CFG桩施工时，不需泥浆护壁，没有泥浆外运，既节约了资金，又无环境污染，对市内施工，非常适合。
4.4CFG桩在复合地基中的优势
（1）承载力提高幅度大、可调性强
CFG桩桩体可以从几米到20多米，并且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40%-75%之间变化，使得复合地基承载了提高幅度大并具有很大的可调性。当地基承载力较高是，荷载又不大，可将桩长设计得短一点，荷载大时，桩长可设计得长一点。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，CFG桩复合地基则比较容易实现。
（2）适应范围广
对基础形式而言，CFG桩既可以适用于条形基础、独立基础，也可以用于筏板基础和箱型基础。
就土性而言，CFG桩可用于饱和、非饱和粘性土，既可以用于挤密效果好的土，又可用于挤密效果差的土。
（3）桩体的排水作用明显
CFG桩在饱和粉土和沙土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生超孔隙水压力④。较好透水层上面还有透水性较差的土层时，刚刚施工完得CFG桩将是一个良好的排水通道，孔隙水将沿着桩体向上排出，知道CFG桩体结硬为止。
（4）复合地基变形小
复合地基模量大、建筑物沉降量小事CFG桩复合地基重要特点之一，大量工程实践表明，建筑物沉降量一般可控制在2-4厘米。对于上部和中间有软土层的地基，用CFG桩加固，桩端放在下面好的土层上，可以获得模量很高的复合地基，建筑物的沉降都不大。
第五章CFG桩复合地基的施工
5.1CFG桩施工设备
在此，以长螺旋钻管泵压CFG桩为例，此施工工艺是由长螺旋钻机、混凝土泵和强制式混凝土搅拌机组成的完整体系，在现代施工中，步履式长螺旋钻机及商品混凝土比较普遍。
长螺旋钻机是施工工艺中的核心部分，目前长螺旋钻机根据其成孔深度分为12、16、18、24米和30米等机型，施工前应根据设计桩长确定施工所采用的设备。
其次，进行商品混凝土浇筑时如需采用接泵的，需配备泵管。
5.2施工前准备
5.2.1材料
CFG桩原材料包括砂、石、水泥、粉煤灰和外加剂，在进场前需确定原材料的种类、品质，并将原材料送至相关部门进行检测。由于现阶段建筑施工多使用商品混凝土，所以需将商品混凝土样品及时送检。
5.2.2施工现场
在降水方面，CFG桩施工要求地下水应降至基底标高0.5-1.0米，确定降水深度时还应考虑电梯井、集水坑等的深度。
在基坑开挖方面，其开挖深度应根据基底设计标高和保护土层厚度确定。当保护土层厚度为50厘米、褥垫层厚度为15厘米时，开挖标高为素混凝土垫层底标高以上35厘米，以此类推。其开挖范围考虑到目前国产长螺旋钻机情况，基底开挖平面尺寸以建筑物的底板边缘为基准向四周均扩出1.0米。若施工图纸上已经标注具体做法及数据，应根据图纸施工。
另外施工现场应做好三通一平等保障工作。
5.2.3施放桩位
在CFG桩施工前应根据图纸，确定建筑物的控制轴线，并将CFG桩的准确位置施放到CFG桩作业面上。施放的桩位应明显、易找、不易被破坏，如有些工地采用有一定直径和深度的白灰点表示桩位。
5.2.4施工资料
施工前应准备好工程地质勘查报告、建筑物场地临近的高压电缆及地下管线障碍物等调查资料、地基处理方案、施工组织方案、CFG桩复合地基施工图、施工中各种记录、报审、报验表格等。
5.3施工过程
5.3.1钻机就位
CFG桩施工时，钻机就位后，应用钻机塔身的前后和左右的垂直标杆检查塔身导杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，确保CFG桩垂直度容许偏差不大于1%。
5.3.2钻进成孔
钻孔开始时，关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触及地面时，启动钻机，开始钻进。一般先慢后快，这样便于及时修正。若发现钻杆摇晃或难钻时，应放慢进尺，否则较易导致桩孔偏斜、位移，甚至使钻杆、钻具损坏。钻进的深度取决于设计桩长，当钻头到达设计桩长预订标高是，于动力头地面停留位置相应的钻机塔身处做醒目标记，作为施工时控制桩长的依据。施工时还要考虑施工作面得标高差异，作相应增减。
5.3.3灌注及拔管
CFG桩成孔到设计标高后，停止钻进，开始泵送混合料，当钻杆芯管充满混合料后开始拔管，严禁先提管后泵料。成桩的提速宜控制在2-3米/分钟。成桩过程宜连续进行，应避免因后台供料慢而导致停机待料。若施工中因其它原因不能连续灌注，须根据勘察报告和已掌握的施工场地的土质情况，避开饱和砂土、粉土层，灌注成桩完成后，用水泥袋盖好桩头，进行保护。施工中每根桩的投料量不得少于设计灌注量。
5.3.4移机
当上一根桩施工完毕后，钻机移位，进行下一根桩的施工，由于CFG桩排出的土较多，穿将临近的桩位覆盖，有时还因钻机支撑是支撑脚压在桩位旁是原标定的桩位发生移动，因此，下一根桩施工时，还应根据轴线或周围桩的位置对需施工的桩位进行复核，保证桩位准确。
5.3.5弃土清运
CFG桩施工完毕，待桩体达到一定强度，一般七天左右，方可进行开槽清土。清土包括CFG桩钻孔土清运和保护土层清运两部分，对于CFG桩桩较长且处理面积较大的楼座，由于人工清运效率低，可采用机械和人工联合清运。采用挖掘机清土时，须严格控制标高，防止挖断工程桩和扰动桩工作面以下保护土层，禁止在打桩工作面上行走，挖掘机清理玩大片弃土后，人工将桩身保护桩长大部分挖除，或使其与桩身断开，一般留下30厘米的保护桩长，打桩弃土清运完毕后，其下50厘米保护土层采用人工挖除。
5.3.6桩头处理
弃土工作完毕后，需将桩顶设计标高以上桩头截断，首先找出桩顶标高位置，在同一水平面按同一角度对称放置2个或4个钢钎，用大锤同时击打，将桩头截断，最好采用截桩机截桩，其次，桩头截断后，用钢钎、手锤等将桩顶从四周向中间修平至桩顶设计标高，允许偏差为0-20厘米。
5.3.7褥垫层的处理
CFG桩复合地基检验完毕且满足设计要求后，可进行褥垫层施工。褥垫层材料多为粗砂、中砂或碎石，也可为细石混凝土，碎石粒径多为8-20毫米，其厚度一般为10-30毫米，具体情况根据施工图纸酌定。
5.3.8CFG桩施工常见问题及处理
（1）堵管
堵管是长螺旋钻管内泵压CFG桩成桩工艺常遇到的主要问题之一。它直接影响CFG桩的施工效率，增加劳动强度，造成材料浪费，若故障排除不畅时，使已搅拌的CFG桩混合料失水或结硬，增加再辞堵管几率，给施工带来很多困难。
若因混合料配合比不合理，和易性不好而发生堵管，需注意细骨料和粉煤灰两种材料的掺入量，特别是注意粉煤灰掺入量宜控制在60-80千克/立方米。
若因混合料搅拌质量有缺陷，需确保混合料能顺利通过刚性管、高强柔性管、弯管和变径管到达钻杆芯管内，同时控制好混合料坍落度，宜控制在16-20厘米。
若因设备缺陷而导致堵管，需保证管件连接顺畅，确保弯管与高强柔性管等连接紧密，保证垫圈无破损。
此外施工人员操作不当也会导致堵管现象发生。
（2）窜孔
在饱和细砂层、粉砂层中施工常遇窜孔现象。在一般情况下，完成一根桩所需时间为30-40分钟，完成1号桩后，在2号桩钻进成孔过程中，1号桩混合料尚未凝固而流向2号桩钻孔中，所以发现已完成的1号桩突然下落，有时甚至达两米以上，当2号桩泵入混合料时，泵送压力加大，迫使2号桩的混合料又流向1号桩恢复到原设计标高。这种现象叫窜孔。
因此可采取大桩距的设计方案，增大桩距的目的在于减少新打桩机器的剪切扰动，避免不良影响。改进钻头，提高钻进速度。减少打桩推进排数，如将一次打好几排改为2排或1排，尽快离开已打成的桩，减少对已打桩扰动能量的积累。必要时采用隔桩、隔排跳打方案，但跳打要求及时清除成桩时排出的弃土，否则会影响施工进度。
（3）断桩
桩基施工完毕，发现桩身裂缝的所在部位，应分析原因，得出自身问题是在施工时，由于提钻速度较快，空气未全部释放出来，致使桩身产生断面裂缝，另外是混合料的搅拌时间不够，和易性差，出现蜂窝麻面桩。外部原因是土建施工时机械挖基坑平整土方时，被挖掘机和铲车碰断。
解决方案是,浅部断桩,对断桩单独进行处理,剔除上部断桩,用与桩身相同的混合料按桩径设计标高补桩。如果是外部原因土建单位用机械施工,造成大范围的浅部断桩,应与设计单位、监理单位、建设单位共同制定方案。一般情况下,在原定检测方案的基础上,选择几根断桩进行单桩复合地基静载荷试验,对比完整性桩和断桩试验结果,确定断桩是否能够使用,如果确定复合地基承载力和变形能满足设计要求,可不进行处理,如不符合要求，需进行设计方案论证。但在CFG桩施工时,要特别注意浅部的施工质量,在开挖基坑时,在桩顶标高以上1m处,一定采用人工开挖,以免碰断桩身,保证CFG桩的完整性和质量。
桩头断桩后进行接桩，当桩顶高程低于施工图标识高程时，如开槽或剔除桩头必须进行补桩，可采用比桩体强度高一等级的豆石混凝土接桩至施工图标识桩顶标高，注意在接桩过程中保护好桩间土。
第六章浅析影响CFG桩造价因素
目前，大多数CFG桩的设计、施工是由一家地基处理单位完成的。因此，影响CFG桩造价的主要因素有以下几方面：
6.1设计阶段
设计阶段除了考虑满足整体地基承载力之外，还要考虑特殊部位的地基承载力。如集水坑、电梯井等部位的承载力应另行验算，以免整体打桩完成后，因承载力不足而补桩，造成结算责任纠纷；另外，在满足承载力要求的前提下，基坑斜面上尽量少布桩，以减少后期斜面凿桩头的施工难度。
6.2施工阶段
在施工准备阶段，钻机选型要充分考虑施工场地情况。避免钻机体积过于庞大而现场场地狭小，上下基坑和钻孔移位时行动困难，从而延误工期。其次，需合理安排钻孔行走路线，合理布置配套设备。防止漏桩和减少不必要的管线敷设，从而节约成本。在青云弃土方面，钻出的土方要及时清运出基坑。余土如果不及时清运，不仅会影响到钻机的位移，还会影响到钻孔的定位精度，造成桩位偏移，严重的要补桩使成本加大。
在施工过程中，提钻、泵送压灌混凝土是整个CFG桩施工最重要的环节。从材料上讲，混凝土的坍落度要适宜。坍落度过小会堵管，影响施工进度、浪费混凝土，造成成本加大；坍落度过大，成桩后干缩过大，桩体塌陷。如遇到含水量较大的土层，还会造成瓶颈桩、断桩等质量事故。其次是提钻速度和泵送混凝土速度。相关资料中规定提钻速度小于等于2.5米/分钟,多为1.21.5米/分钟，此速度是在一般土层中的提升速度，若在含水量较高的砂层中应适当放慢，防止因流砂造成塌孔断桩的现象。实际施工时除了要注意提钻速度外，还要注意配合泵送混凝土速度，严格控制混凝土的压灌量，防止混凝土超灌量过大，造成材料的浪费。
6.3其它因素
首先，由于设计、施工是一家地基处理单位，往往会过于保守放大安全系数，从而造成设计值偏大、成本增加。其次在签订施工承包合同时，应注明结算计量标准，具体工作内容如：是否包含清理桩间土、凿桩头、铺设褥垫层等。从甲方角度出发，合同中应约定包含所有内容。如仅仅是钻孔压灌，后续工序施工时出现质量问题，往往会造成责任不清，增加结算纠纷。
第七章结论
7.1结论
建筑上遇到的复杂地质情况使基础工程越来越重要，其工程造价占整个工程总投资的比例也越来越大，深基坑支护、地下连续墙、逆作法等工艺先后被采用。现在广泛应用的钻孔灌注桩、振动沉管灌注桩等固有的缺陷十分突出，主要表现在施工速度慢，场地污染严重，成桩质量难以保证，材料浪费大，容易出现各种弊病，而CFG桩表现出较大的优势，桩体材料价格低，施工方便，节省投资，是一种较为理想的地基处理技术，具有显著的经济效益和广阔的推广前景，在建筑史上，定能书写新的篇章。
注释：①模量：材料在受力状态下应力与应变之比。想应于不同的受力状态，有不同的称谓。例如，拉伸模量、剪切模量、体积模量、纵向压缩量等。
②复合地基面积置换率：复合地基中，一根桩和它所承担的桩间土体为一复合土体单元。在这一复合土体单元中，桩的断面面积Ap和复合土体单元面积A之比，称为面积置换率，用m表示:
m＝Ap/A
③复合桩基：较大桩距〔一般在5-6倍桩径以上〕稀疏布置的摩擦群桩或端承作用较小的端承摩擦桩与承台体共同承载的桩基础。也被称为附加摩擦桩的补偿基础，减少沉降量的桩基础，桩筏体系等。
④超孔隙水压力：超孔隙水压力是由土的变形趋势引起的孔隙水压力，也就是说，土体本应发生应变，但由于一时排水受阻，土中产生孔隙水压力，使作用于土骨架上的有效应力发生变化，从而限制其变形。超孔隙水压力往往伴随着渗流和固结。
参考文献
（1）《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）
（2）阎明礼张东刚《CFG桩复合地基技术及工程实践》（中国水利水电出版社）
（3）徐至钧《水泥粉煤灰碎石桩复合地基》（机械工业出版社）
（4）曹启坤《土建施工员》（华中科技大学出版社）
（5）廖代广孟新田《土木工程施工技术》（武汉理工大学出版社）