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摘要:CFG 桩目前具有处理地基技术具有适应性、承载力高等特点。但其理论研究与实际施工过程中仍存在差异，尤其是混合量配合比设计、参数确定、复合地基承载力的计算方法等还有许多不完善的地方。结合某在建工程，通过理论设计、现场试验检验两方面进行了对比分析，提出了设计时相关参数的合理采用。
关键词:CFG 桩; 配合比; 设计参数; 地基承载力;沉降计算
Abstract: CFG pile has the technology of foundation treatment with adaptability, high bearing capacity characteristic. But the theory research and actual construction process there are still some differences, especially the mixed volume mixing ratio design, parameter determination, composite foundation bearing capacity calculation methods have many imperfect places. Combined with a project under construction, through theoretical design, field test inspection two aspects has carried on the contrast analysis, puts forward the design parameters related to the rational use of.
Key words: CFG pile; mixture ratio; design parameters; bearing capacity of foundation; settlement calculation
中图分类号：TU473.1文献标识码：A 文章编号：
引言
水泥粉煤灰碎石桩(Cement Flyash Gravel Pile,以下简称CFG桩)是在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤灰和少量水泥，加水拌和制成的一种具有一定粘结强度的桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基，处理技术具有适应性广、承载力高、经济合理等特点。但其理论研究仍落后于实践，尤其是混合量配合比设计、参数确定、复合地基承载力的计算方法等还有许多不完善的地方。由于影响实际施工的因素众多，各因素又互相作用，完全靠理论分析方法很难得出准确的计算公式，现在设计人员广泛使用的《规范》公式和其他理论公式是借助于试验基础上的半经验半理论公式，经验系数的取值对计算结果产生很大影响。在实际工程中，设计往往偏于保守，施工单位施工水平良莠不齐。因此，合理确定CFG桩的各种参数和明确具体参数要求已成为CFG 桩复合地基设计的重要问题。
一、CFG 桩的配合比设计
1.1 CFG桩身材料
CFG桩水泥一般用42.5级普通硅酸盐水泥。如用高标号水泥，则会使水泥用量偏少，影响和易性及密实度;如用低标号水泥，则会使水泥用量过多，不经济，而且也会影响混合料其它技术性能。粉煤灰多用袋装的Ⅱ级、Ⅲ级粉煤灰，粉煤灰既是细骨料，又有低标号水泥的作用，以增加桩体的后期强度。碎石粒径20～50 mm，为使级配良好，掺入石屑填充碎石的空隙。外加剂可根据施工需要采用早强剂或泵送剂。
1.2混合料配合比设计
混合料配合比基于要求的坍落度和强度进行设计，强度以28d强度为准。
1) 确定用水量W
用水量由坍落度具体值试配确定，一般从经验用水量开始;令单方用水量为w。
(2) 确定水泥用量C
根据采用的水泥标号Rcb，混合料28d强度ƒcu，
ƒcu=0.366Rbc(C/W－0.071)……………… (1)
式中:ƒcu—混合料28d强度(MPa)，由边长150mm的立方体试块测得;Rcb—水泥标号(MPa)；C—单方水泥用量(kg)；W—单方用水量(kg)。
(3) 确定粉煤灰用量F
单方粉煤灰用量按式计算:
W/C=0.187+0.791F/C ………………… (2)
(4) 石屑用量G1和碎石用量G2
计算单方石屑用量G1和单方碎石用量G2需要用到石屑率λ：
λ= ………………………………… (3)
根据试验研究结果,λ值取0.25～0.33为合理的石屑率。已知混合料的密度(一般为2.2～2.3g /cm3 )，由已经求得的W、C、F 可以得到G1 + G2,再由式分别得到G1和G2。按以上步骤试配，并根据坍落度调整用水量，直到满足要求。
利用以上关系，参考水泥混凝土配合比的用水量并加大2%～5%，就可进行配合比设计。
配合比设计示例(坍落度3cm，28d强度为10MPa):参照水泥混凝土控制坍落度3cm时的用水量，
混合料的配合比为:水:水泥:粉煤灰:碎石:石屑= 110.6:78.96∶121.31∶1322.39∶566.74。
二、CFG 桩设计参数确定
2.1桩长
CFG 桩复合地基要求桩端落在强度高的土层上,这是CFG 桩复合地基设計的一个重要原则，桩长取决于建筑物对承载力和变形的要求、土质条件和设备能力等因素。CFG桩的桩端落在持力层上,才能充分发挥桩体强度的作用。根据目前的条件,CFG 桩的最大桩长一般不大于30m。
2.2桩径、桩间距
CFG桩桩径的确定一般为35～60cm，高速公路设计中一般采用40cm。桩间距的大小取决于设计要求的复合地基强度和变形、土性和施工机具，但必须考虑施工时相邻桩之间的相互影响。一般桩间距取3～5倍的桩直径。
2.3桩体强度
CFG 桩的强度一般设计为5 ～ 20 MPa。在按复合地基设计时应满足沉降、稳定的要求; 用于结构物下的CFG 桩，设计强度应满足承载力的要求。
2.4褥垫层厚度
褥垫层厚度大，能够充分发挥桩间土的承载能力。若褥垫层厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近于1.0，此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去意义。褥垫层厚度一般用30～ 50cm，当桩径和桩距过大时，褥垫层厚度还可适当加大。褥垫层材料可采用砂砾、级配碎石等( 最大粒径不大于20 mm) 。
三、地基承载力确定
3.1复合地基承载力计算
根据《建筑地基基础设计规范》对复合地基承载力给出了确定原则，即复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，或采用增强体的载荷试验结果和其周边土的承载力特征值结合经验确定。
ƒspk = m+ αβ(1-m）ƒsk …………………… (4)
式中: ƒspk—复合地基的承载力标准值; m—面积置换率;Ap—桩的截面积; ƒsk—桩间土天然地基承载力标准值;α—桩间土强度提高系数α= fkf0(fk为加固后桩间土承载力标准值);β—桩间土承载力折减系数，可取0.1～0.4，当不考虑桩间软土的作用时，可取零;Rdk—单桩竖向承载力标准值，应通过现场单桩载荷试验确定。
3.2单桩竖向承载力计算
当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2; 当无单桩载荷试验资料时，可按公式计算:
Rk =(UpΣqsikhi + qpkAp)/K ………………… (5)
式中: Up—桩的周长; qsik—第i 层土与土性和施工工艺有关的极限侧阻力标准值，可按地区经验确定，无地区经验时，可参考建筑桩基技术规范; hi—第i 层土厚度; qpk—与土性和施工工艺有关的极限端阻力标准值，可按地区经验确定，无地区经验时，可参考《建筑桩基技术规范》；K—安全系数，取2.0。
四、CFG 桩复合地基的沉降计算
在实际工程中，CFG 桩复合地基的沉降计算大多采用复合模量法。计算时复合土层分层与天然地基相同。复合土层的模量等于天然地基模量的ξ倍，加固区和下卧层土体内的应力分布采用各向同性均质的直线变形体理论，CFG 桩复合地基的最终沉降可按公式计算:
SC=Ψ[Ziαi－Zi_1αi-1)+ Ziαi－Zi－1αi－1)］……(6)
式中: N1—加固区范围内土层分层数; N2—沉降计算深度范围内土层总的分层数; P0—对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力，kPa; Esi—基础底面下第i 层土的压缩模量，MPa; Zi、zi － 1—基础底面下第i 层土、第i － 1 层土底面的距离，m;α—i、α—i － 1－ 基础底面计算点至第i 层土、第i － 1 层土底面范围内平均附加应力系数; ξ—加固区土的模量提高系数，ξ= fsp*k/fk;Ψ—沉降计算修正系数，根据沉降观测资料及经验确定，也可采用表1 的数值。表1 中，E—s为沉降计算深度范围内压缩模量的当量值，应按公式计算:
Es=…………………………………… ( 7)
式中: Ai—第i 层土附加应力沿土层厚度积分值;Esi—基础底面下第i 层土的压缩模量值，MPa，桩长范围内的复合土层的压缩模量取值。
表1 沉降计算经验系数Ψ
五、工程实例计算
某高速公路地基为软弱土，天然土层物理力学性质见表2。CFG 桩设计桩径40 cm，桩长20 m，桩间距1.7m，平面呈等边三角形布设，单桩复合地基承载力不小于200 kPa，路基设计高度分别为5.0m、5.5m 和6.0m，桩基施工及路基填筑为10 个月，路面施工期为6个月。基准期是指从路面竣工后15 年，计算结果见表3。根据规范要求，每工点承载力检测不少于3 根要求进行现场检测，其结果见表4～5。其结果表明，各时间段沉降量计算值和检测值都在误差之内，基本符合设计要求，单桩复合地基承载力检测值也满足设计要求。
表2 沉降计算数据
表3 各时间段沉降量计算
表4 单桩竖向抗压静载检测
表5 单桩复合地基静载荷检测
六、结语
工程计算、检测结果表明，在CFG 桩的参数、布桩形式确定的情况下，综合考虑加固土体的性质、施工工艺等因素的影响，合理选用参数，最大限度减少误差，是准确计算沉降及地基承载力的必要条件，为施工提供较为准确的数据保障。
参考文献:
［1］JGJ106－2003，建筑桩基础检测规范［S］．
［2］JGJ79－2002，建筑地基处理技术规范［S］．
［3］JTJ017－96，公路软土地基路堤設计与施工技术规范［S］．
关键词:CFG 桩; 配合比; 设计参数; 地基承载力;沉降计算
Abstract: CFG pile has the technology of foundation treatment with adaptability, high bearing capacity characteristic. But the theory research and actual construction process there are still some differences, especially the mixed volume mixing ratio design, parameter determination, composite foundation bearing capacity calculation methods have many imperfect places. Combined with a project under construction, through theoretical design, field test inspection two aspects has carried on the contrast analysis, puts forward the design parameters related to the rational use of.
Key words: CFG pile; mixture ratio; design parameters; bearing capacity of foundation; settlement calculation
中图分类号：TU473.1文献标识码：A 文章编号：
引言
水泥粉煤灰碎石桩(Cement Flyash Gravel Pile,以下简称CFG桩)是在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤灰和少量水泥，加水拌和制成的一种具有一定粘结强度的桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基，处理技术具有适应性广、承载力高、经济合理等特点。但其理论研究仍落后于实践，尤其是混合量配合比设计、参数确定、复合地基承载力的计算方法等还有许多不完善的地方。由于影响实际施工的因素众多，各因素又互相作用，完全靠理论分析方法很难得出准确的计算公式，现在设计人员广泛使用的《规范》公式和其他理论公式是借助于试验基础上的半经验半理论公式，经验系数的取值对计算结果产生很大影响。在实际工程中，设计往往偏于保守，施工单位施工水平良莠不齐。因此，合理确定CFG桩的各种参数和明确具体参数要求已成为CFG 桩复合地基设计的重要问题。
一、CFG 桩的配合比设计
1.1 CFG桩身材料
CFG桩水泥一般用42.5级普通硅酸盐水泥。如用高标号水泥，则会使水泥用量偏少，影响和易性及密实度;如用低标号水泥，则会使水泥用量过多，不经济，而且也会影响混合料其它技术性能。粉煤灰多用袋装的Ⅱ级、Ⅲ级粉煤灰，粉煤灰既是细骨料，又有低标号水泥的作用，以增加桩体的后期强度。碎石粒径20～50 mm，为使级配良好，掺入石屑填充碎石的空隙。外加剂可根据施工需要采用早强剂或泵送剂。
1.2混合料配合比设计
混合料配合比基于要求的坍落度和强度进行设计，强度以28d强度为准。
1) 确定用水量W
用水量由坍落度具体值试配确定，一般从经验用水量开始;令单方用水量为w。
(2) 确定水泥用量C
根据采用的水泥标号Rcb，混合料28d强度ƒcu，
ƒcu=0.366Rbc(C/W－0.071)……………… (1)
式中:ƒcu—混合料28d强度(MPa)，由边长150mm的立方体试块测得;Rcb—水泥标号(MPa)；C—单方水泥用量(kg)；W—单方用水量(kg)。
(3) 确定粉煤灰用量F
单方粉煤灰用量按式计算:
W/C=0.187+0.791F/C ………………… (2)
(4) 石屑用量G1和碎石用量G2
计算单方石屑用量G1和单方碎石用量G2需要用到石屑率λ：
λ= ………………………………… (3)
根据试验研究结果,λ值取0.25～0.33为合理的石屑率。已知混合料的密度(一般为2.2～2.3g /cm3 )，由已经求得的W、C、F 可以得到G1 + G2,再由式分别得到G1和G2。按以上步骤试配，并根据坍落度调整用水量，直到满足要求。
利用以上关系，参考水泥混凝土配合比的用水量并加大2%～5%，就可进行配合比设计。
配合比设计示例(坍落度3cm，28d强度为10MPa):参照水泥混凝土控制坍落度3cm时的用水量，
混合料的配合比为:水:水泥:粉煤灰:碎石:石屑= 110.6:78.96∶121.31∶1322.39∶566.74。
二、CFG 桩设计参数确定
2.1桩长
CFG 桩复合地基要求桩端落在强度高的土层上,这是CFG 桩复合地基设計的一个重要原则，桩长取决于建筑物对承载力和变形的要求、土质条件和设备能力等因素。CFG桩的桩端落在持力层上,才能充分发挥桩体强度的作用。根据目前的条件,CFG 桩的最大桩长一般不大于30m。
2.2桩径、桩间距
CFG桩桩径的确定一般为35～60cm，高速公路设计中一般采用40cm。桩间距的大小取决于设计要求的复合地基强度和变形、土性和施工机具，但必须考虑施工时相邻桩之间的相互影响。一般桩间距取3～5倍的桩直径。
2.3桩体强度
CFG 桩的强度一般设计为5 ～ 20 MPa。在按复合地基设计时应满足沉降、稳定的要求; 用于结构物下的CFG 桩，设计强度应满足承载力的要求。
2.4褥垫层厚度
褥垫层厚度大，能够充分发挥桩间土的承载能力。若褥垫层厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近于1.0，此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去意义。褥垫层厚度一般用30～ 50cm，当桩径和桩距过大时，褥垫层厚度还可适当加大。褥垫层材料可采用砂砾、级配碎石等( 最大粒径不大于20 mm) 。
三、地基承载力确定
3.1复合地基承载力计算
根据《建筑地基基础设计规范》对复合地基承载力给出了确定原则，即复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，或采用增强体的载荷试验结果和其周边土的承载力特征值结合经验确定。
ƒspk = m+ αβ(1-m）ƒsk …………………… (4)
式中: ƒspk—复合地基的承载力标准值; m—面积置换率;Ap—桩的截面积; ƒsk—桩间土天然地基承载力标准值;α—桩间土强度提高系数α= fkf0(fk为加固后桩间土承载力标准值);β—桩间土承载力折减系数，可取0.1～0.4，当不考虑桩间软土的作用时，可取零;Rdk—单桩竖向承载力标准值，应通过现场单桩载荷试验确定。
3.2单桩竖向承载力计算
当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2; 当无单桩载荷试验资料时，可按公式计算:
Rk =(UpΣqsikhi + qpkAp)/K ………………… (5)
式中: Up—桩的周长; qsik—第i 层土与土性和施工工艺有关的极限侧阻力标准值，可按地区经验确定，无地区经验时，可参考建筑桩基技术规范; hi—第i 层土厚度; qpk—与土性和施工工艺有关的极限端阻力标准值，可按地区经验确定，无地区经验时，可参考《建筑桩基技术规范》；K—安全系数，取2.0。
四、CFG 桩复合地基的沉降计算
在实际工程中，CFG 桩复合地基的沉降计算大多采用复合模量法。计算时复合土层分层与天然地基相同。复合土层的模量等于天然地基模量的ξ倍，加固区和下卧层土体内的应力分布采用各向同性均质的直线变形体理论，CFG 桩复合地基的最终沉降可按公式计算:
SC=Ψ[Ziαi－Zi_1αi-1)+ Ziαi－Zi－1αi－1)］……(6)
式中: N1—加固区范围内土层分层数; N2—沉降计算深度范围内土层总的分层数; P0—对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力，kPa; Esi—基础底面下第i 层土的压缩模量，MPa; Zi、zi － 1—基础底面下第i 层土、第i － 1 层土底面的距离，m;α—i、α—i － 1－ 基础底面计算点至第i 层土、第i － 1 层土底面范围内平均附加应力系数; ξ—加固区土的模量提高系数，ξ= fsp*k/fk;Ψ—沉降计算修正系数，根据沉降观测资料及经验确定，也可采用表1 的数值。表1 中，E—s为沉降计算深度范围内压缩模量的当量值，应按公式计算:
Es=…………………………………… ( 7)
式中: Ai—第i 层土附加应力沿土层厚度积分值;Esi—基础底面下第i 层土的压缩模量值，MPa，桩长范围内的复合土层的压缩模量取值。
表1 沉降计算经验系数Ψ
五、工程实例计算
某高速公路地基为软弱土，天然土层物理力学性质见表2。CFG 桩设计桩径40 cm，桩长20 m，桩间距1.7m，平面呈等边三角形布设，单桩复合地基承载力不小于200 kPa，路基设计高度分别为5.0m、5.5m 和6.0m，桩基施工及路基填筑为10 个月，路面施工期为6个月。基准期是指从路面竣工后15 年，计算结果见表3。根据规范要求，每工点承载力检测不少于3 根要求进行现场检测，其结果见表4～5。其结果表明，各时间段沉降量计算值和检测值都在误差之内，基本符合设计要求，单桩复合地基承载力检测值也满足设计要求。
表2 沉降计算数据
表3 各时间段沉降量计算
表4 单桩竖向抗压静载检测
表5 单桩复合地基静载荷检测
六、结语
工程计算、检测结果表明，在CFG 桩的参数、布桩形式确定的情况下，综合考虑加固土体的性质、施工工艺等因素的影响，合理选用参数，最大限度减少误差，是准确计算沉降及地基承载力的必要条件，为施工提供较为准确的数据保障。
参考文献:
［1］JGJ106－2003，建筑桩基础检测规范［S］．
［2］JGJ79－2002，建筑地基处理技术规范［S］．
［3］JTJ017－96，公路软土地基路堤設计与施工技术规范［S］．