CFG桩复合地基在地基处理中的应用

　　CFG桩（C指Cement，F指Fly-ash，G指Gravel）即水泥粉煤灰碎石桩，一般由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，桩、桩间土和褥垫层一起构成复合地基。由于利用工业废料（粉煤灰代替部分水泥），大大降低了工程造价，又增加了桩身后期强度。通过柔性褥垫层的设置，保证了桩、土共同承担荷载，使CFG桩复合地基得到均匀沉降和较高的承载力。

　　CFG桩复合地基加固地基主要有三种作用：桩体作用、挤密作用和褥垫层作用。当基础承受竖向荷载作用时，桩与桩间土都要发生沉降变形，由于桩的模量大于桩间土的模量，桩比土的变形小，则会产生荷载逐渐向桩顶集中现象。基础下设置了褥垫层，可以将上部基础传来的基底压力（或水平力）通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩间土，使二者共同受力。同时，土由于桩的挤密作用提高了承载力，而桩由于其周围土的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。CFG桩复合地基既适用于条形基础、独立基础，也适用于筏板基础和箱型基础；就土性而言，适用于处理粘性土、粉土、砂土、和正常固结的素填土等地基，对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。

　　一、CFG桩复合地基的工程应用

　　1.工程概述

　　鄂尔多斯国泰化工有限公司40万吨/年煤制甲醇项目位于鄂尔多斯市杭锦能源化工基地内中间地带，总占地面积约60公顷，包括生产装置、辅助设施、公用工程和服务设施等。其中辅助设施之甲醇成品罐区钢储罐基础采用CFG桩进行地基处理。

　　2.地质情况

　　0A层，素填土：黄褐色，以细砂为主，结构松散～稍密，平均层厚0.58～3.45m。

　　1A层，细砂：黄褐色，干～稍湿，松散，本层土具湿陷性，层厚1.00～3.60m，fak=80kPa，Es=6.0MPa。

　　1B层，粉土：黄褐色～褐色，稍湿，稍密～中密，本层具湿陷性，平均层厚1.62m，fak=115kPa，Es=4.3MPa。

　　1C层，细砂：黄褐色，局部为粉砂，稍湿，中密，局部密实，层厚1.00～3.20m，fak=150kPa，Es=8.8MPa。

　　2A层，粘土：黄褐～褐黄色，夹有粉土、粉砂，干强度中～高，韧性中～高，可～硬塑，单层薄，不超过1.0m，fak=160kPa，Es=6.4MPa。

　　2B层，细砂：黄褐色，局部夹粉土、粉质粘土及中粗砂薄层，稍湿～湿，密实，局部中密，层厚3.5～8.2m，fak=200kPa，Es=11.7MPa。

　　3层，细砂：黄褐色，混少量中粗砂、砾石，夹有较多粉土、粉质粘土及中粗砂薄层，稍湿～湿，密实，层厚9.70m～22.50m，fak=320kPa，Es=15.0MPa。

　　场地所处地区为季节性冻土区，标准冻结深度为1.40m；场地内无液化土层，设计时可不考虑地基土地震液化的影响。场地特殊性岩土为湿陷性土，其中1A层细砂、1B层粉土、1C层细砂具湿陷性，场地总体上为非自重湿陷性场地，地基湿陷等级Ⅰ级。静止地下水位埋深46.00～51.00m，水位变化幅度小，设计和施工时可不考虑地下水影响。

　　3.地基处理方案对比

　　由于钢储罐荷载较重，基础为环墙式基础，自重大。经计算后，所需地基承载力为223kpa，考虑到天然地基持力层承载力偏低，所建场地上部1A、1B、1C层具湿陷性且储罐基础对沉降变形非常敏感，因此需进行地基处理。

　　将几种当地常用的地基处理方案进行对比如下：

　　表1地基处理方案对比

　　地基处理方法应用于本工程中的优缺点

　　换填垫层法1A、1B、1C层土具湿陷性且层厚较厚，换填厚度大于3m，故本工程不适宜

　　强夯法可以消除土的冻涨性、砂性土、粉土的湿陷性。但对于地基承载力的提高效果不显著

　　预压法存在粘土层，根据以往经验，预计需六个月时间方可满足地基承载力及稳定性要求

　　碎石桩能提高地基的承载力，但提高幅度较小；可减少地基变形，但减少的幅度较小，总的变形量可能较大

　　CFG桩能有效提高地基的承载力及减少地基变形，造价较低，采用长螺旋钻孔、管内泵送混合料灌注成桩可保证对桩间土产生较少的影响

　　钢筋砼预制桩可满足承载力及地基变形要求，施工简便，但造价较高

　　最终，经过方案评审后决定采用CFG桩对地基进行处理。

　　4.CFG桩的设计

　　以钢储罐T-4401B为例，简述CFG桩的设计：

　　1、设备平面布置

　　图1成品罐区设备平面布置图

　　2、储罐基本参数

　　储罐：T-4401B

　　公称容积：20000m3，直径：42m，

　　罐身高：17.5m，设计液位高：15.75m，

　　介质密度：7.92KN/M3，设备净金属质量：5100KN，

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　　梯子、平台质量：55KN，充水后静质量：225100KN

　　3、CFG桩设计参数

　　桩径d：宜取350mm～600mm，本工程中取桩径d=450mm。

　　桩长L：CFG桩应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层，本工程中将3层土作为桩端持力层，桩长进入第3层2.32m，桩的有效平均长度13.5m。

　　褥垫层：材料采用级配良好的碎石土，厚度为300mm，压实系数不小于0.96。

　　布桩：等边三角形布置，桩距1800mm，桩数595根。

　　图2CFG桩平面布置图

　　4、承载力验算

　　基础底面平均压力值：

　　复合地基承载力特征值，按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）中公式9.2.5计算：

　　式中：

　　，

　　以罐区189号钻孔得到的地质土层分布为例（图3），按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）中公式5.2.8进行计算得到单桩竖向承载力极限值。

　　单桩承载力特征值：

　　将该值代入公式9.2.5中，得到

　　满足承载力要求。

　　5、沉降验算

　　地基处理后的变形计算按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）有关规定执行。

　　地基最终沉降量：

　　CFG桩穿越了1A层～3层土，复合土层的分层与天然地基相同。以罐T4401-B为例选择3点进行地基沉降计算，计算深度取13.5m。

　　表2点1沉降量计算表

　　土层

　　01.181.180.495120.5843.0803.510.5

　　1A1.402.580.490270.6816.0803.521.0

　　1B1.604.180.483910.7584.01153.514.0

　　1C2.006.180.475800.9188.51603.529.8

　　2B5.0011.180.456752.16618.02503.563.0

　　32.3213.50.447500.93535.03503.5122.5

　　，查JGJ79-2002表9.2.8得，

　　沉降量

　　注：1、值通过查规范SH/T3068-2007中表A.1得到。

　　2、基底平均附加应力。

　　3、填土层压缩模量及其承载力特征值均无试验数据，故假设，进行计算。

　　根据规范SH/T3068-2007中表3规定，储罐底圈内直径在30～60m范围内取验算地基变形计算深度。

　　因此取13.5m的计算深度是可行的。

　　由于勘探点布置稀疏，故以206号钻孔得到的地质土层分布（图4）来计算点2及点3的地基沉降。相关参数见下表。

　　图4罐区勘探点平面布置图

　　表3点2沉降量计算表

　　土层

　　00.220.220.499190.1103.0803.510.5

　　1A2.002.220.491070.9806.0803.521.0

　　1C3.205.420.479041.5068.51603.529.8

　　2B4.109.520.463431.81518.02503.563

　　33.9813.500.447421.62835.03503.5122.5

　　，查JGJ79-2002表9.2.8得，

　　沉降量

　　注：1、值通过查规范SH/T3068-2007中表A.1得到。

　　2、基底平均附加应力。

　　3、填土层压缩模量及其承载力特征值均无试验数据，故假设，进行计算。

　　根据规范SH/T3068-2007中表3，取验算地基变形计算深度。

　　因此取13.5m的计算深度是可行的。

　　故点1与点2、点3的沉降差

　　（1）平面倾斜（径向）

　　（2）非平面倾斜（环向）

　　即地基径向及环向沉降差均满足规范《石油化工钢储罐地基与基础设计规范》（SH/T3068-2007）中表4对沉降控制的要求。

　　6、桩体混凝土抗压强度确定

　　故CFG桩桩身混凝土采用C15混凝土。

　　二、桩的施工

　　施工工艺：成孔应按设计要求、成孔设备、现场土质和周围环境等情况。本工程位于济南化肥厂厂区内，由于周边生产装置没有停止生产，故选用长螺旋钻孔、管内泵送混合料灌注成桩。该工艺具有低噪音、无泥浆污染、无振动的优点。工艺流程如下：桩位放线→长螺旋钻机就位→下钻成孔→压灌CFG混合料→提钻成桩至设计标高→制桩完成。

　　CFG桩施工技术要点：

　　1.施工垂直度偏差不应大于1%，本工程中，桩位偏差不应大于0.4倍桩径。

　　2.施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验，施工时按照配合比配置混合料。混合料配比碎石最大粒径不宜大于25mm，粉煤灰选用Ⅱ级细灰，每立方米混合料参量70～90kg为宜；严格控制水灰比不超过0.45，混合料坍落度宜为180～220mm。

　　3.混合料泵入孔底后方可提钻，防止孔底沉渣，严禁先提钻后灌料。

　　4.在基坑开挖时，应保留0.5m厚的土层作为保护土层，施工桩顶标高宜高出设计桩顶标高不小于0.5m作为保护桩长。

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　　5.采用长螺旋钻孔成桩时，施工中存在钻孔弃土。对弃土和预留保护土层可采用人工清除或机械人工联合清除方案。当采用机械人工联合清除方案时，应避免机械设备超挖，并应预留至少500mm用人工清除，不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。

　　6.为避免桩间土承载力下降，褥垫层铺设宜采用静力压实法；当基础底面桩间土含水量较小时，也可采用动力夯实法，夯填度不得大于0.9。对于较干的砂石材料，虚铺后可适当洒水进行碾压或夯实

　　三、结果检测

　　施工结束后，28天后做桩、土以及复合地基检测。施工质量检验主要应检查施工记录、混合料坍落度、桩数、桩位偏差、褥垫层厚度、夯填度和桩体试块抗压强度等。

　　中科院武汉岩土力学研究所岩土工程检测中心于2009年10月至11月对罐T4401-B进行了60根低应变检测试验。根据所测波形特性，结合桩的混凝土强度等级要求，桩身完成性划分为四类：一类为桩身完整、基本完整；二类为桩身存在轻微缺陷；三类为桩身存在明显缺陷；四类为桩身存在严重缺陷或断桩。本工程检测按总桩数的10%进行抽检，共检测了80根桩，检测结果反映除有个别桩桩头破损外，其余被检测桩桩身基本完整，未发现三、四类桩，符合设计要求。

　　同时对罐区进行了8个单桩复合地基检测。试验采用承压板规格为直径1.9m的原板，分8级等量加载，最大试验加载值为1700kN/600kPa。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）附录A中的规定，按相对变形s/b=0.01来确定复合地基承载力特征值，试验结果表明：本工程复合地基承载力特征值大于300kPa，符合设计要求。

　　四、结语

　　CFG桩复合地基应用范围广，多用于高层建筑、构筑物及工业建筑地基。随着越来越广泛的应用，说明采用CFG桩进行地基处理是切实可行的，处理效果也经实践证明是显著的，尤其是经济效益明显，节约了投资。CFG桩施工技术具有可靠性，承载力提高幅度大，沉降量小，施工速度快、方便，且造价相对较低等特点，使得CFG桩复合地基已经成为石油化工工程中高塔、储罐等设备基础最普遍的地基处理方法。随着CFG桩的施工工艺越来越好，CFG桩复合地基将更好地服务于石油化工工程建设。