水泥粉煤灰碎石桩案例

--张家口怀来县

一、概述

1.1工程概况  

张家口怀来县某住宅楼建筑面积25546015m2，建筑高度为95.7m，为框架剪力墙结构；地下2层，地上33层，基础为筏板基础。根据岩土工程勘察报告和设计图纸要求，采用CFG桩进行地基加固处理。即采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）对场内杂填土等软弱地基进行复合地基处理，提高地基承载力至设计要求。  

1.2工程水文地质概况  

1.2.1工程地质条件  

根据钻探资料，场地自地面以下20m内主要为河流阶地第四系冲积物，自上而下分别为：

① 杂填土：主要由黏土、粉黏土等组成，含砖石碎块杂物等，稍湿，可塑。大部分为多年老填土，填筑时间大于20a。该层在场地内零散分布。  

② 淤泥质黏土：以黏土为主，含少量腐植有机质及少量粉细砂，很湿，软塑～可塑，仅场区北部有分布，为原始水塘沉积物。  

③ 黏土：以红黏土为主，含少量粉粒，底部含粉粒稍多。稍湿，硬塑～坚硬，分布普遍。  

④ 粉质黏土：以粉粒和黏粒为主，含少量细砂、粉砂，底部有粗砂和和少量小砾石。稍湿，可塑。场区中、东部分布较稳定，西部分布变化较大。  

⑤ 含黏性土砾砂：由砾石、砂、黏性土组成。砾石含量25～48%，最大粒径30～40mm；砂含量25～35%，以中、粗砂为主；冲填物为黏性土，约20～30%。普遍分布。  

⑥ 含砾粗砂：以粗砂为主，含砾石、中砂和黏土质。砾石最大粒径20～30mm，透水性中等，中密～密实，湿。普遍分布。  

⑦ 中砂：以中砂为主，含细砂和黏土质，下部含少量粗砂，局部见小砾石。中密状态，饱和。仅西北角局部见。  

⑧ 圆砾：以砾石为主，含量55～60%，大小不均，最大粒径40～50mm；含砂35～40%，以中砂和粗砂为主，含黏土质5～10%。中密～密实，饱和。普遍分布。  

1.3 水泥粉煤灰碎石桩简介  

水泥粉煤灰碎石桩简称CFG桩。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌和形成的高黏结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。它不同于简单的碎石桩，碎石桩是由松散的碎石组成，在荷载作用下将会产生鼓胀变形，当桩周土为强度较低的软黏土时，桩体易产生鼓胀破坏；而且碎石桩仅在上部约3倍桩径长度的范围内传递荷载，超过此长度，增加桩桩长承载力提高不显著。而CFG桩可充分利用桩间土的承载力，共同作用，并可传递荷载到深层地基中去，具有较好的技术性能和经济效果。CFG桩复合地基加固机理可概括为桩体的置换作用和褥垫层的调整均化作用。 

1.31 桩体的置换作用 

CFG桩中的水泥经水解和水化反应以及与粉煤灰的凝硬反应，生成了主要成分为铝酸钙水化物、硅酸钙水化物等不溶于水的稳定的结晶化合物，这些物质不断生长延伸充填到碎石和石屑的孔隙中，相互交织形成空间网状结构，将原来松散的骨料紧紧缠绕黏结在一起，使桩体的抗剪强度和变形模量均大大提高。 

1.32 褥垫层的调整作用 

在竖向荷载作用下，CFG桩复合地基由于褥垫层的作用，桩体逐渐向褥垫层中刺入，垫层材料在受压缩的同时，向周围发生流动，垫层材料的流动使得桩间土与基础底面始终保持接触并使桩间土的压缩量增大，从而使桩间土的承载力得以充分发挥，桩土共同作用得到保证，垫层材料的流动补偿，使桩间土的承载力得到充分发挥、桩体承担的荷载相对减小，从而使基底的接触压力得到了均化和调整，地基中的竖向应力分布得到均化，地基变形状况得到改善，复合地基的承载力得到提高。   

该工程共设计CFG桩1210根，桩径400mm，预计有效桩长7m～20m，桩端置于第③层坚硬—塑状红黏土中，并进入不少于3.0m，桩身混合料抗压强度为C15，300mm厚级配砂石褥垫层。经处理后，CFG桩单桩承载力特征值不小于400kN，复合地基承载力不小于240KPa。我们根据本工程实际情况，进行了深入的技术研讨，制定了完善的质量、安全保障措施和工程应急预案，科学施工，精细管理，取得了良好的工程效果和经济效益。

二、设计

2 设计要求

2.1设计思路

桩是一种细长的杆件，它传递水平荷载的能力远远小于传递垂直荷载的能力。水泥粉煤灰碎石桩通过褥垫层把桩和基础断开，改变了过分依赖桩承担垂直荷载和水平荷载的传统思想。

桩、土剪应力比随褥垫层厚度增加而减少，设计时可通过改变褥垫层厚度调整桩、土水平荷载分担比。---水泥粉煤灰碎石桩复合地基的水平承载能力按传统桩基设计有相当大的增值。

水泥粉煤灰碎石桩复合地基通过褥垫层与基础联接，并有上下双向刺入变形模式，保证桩间土始终参与工作。因此垂直承载力设计首先是将土的承载力充分发挥，不足部分由水泥粉煤灰碎石桩来承担。---与传统桩基设计思想比，桩的数量可大大减少。

2.2 设计参数

2.2.1桩径

根据成孔设备管径而定，一般为350~400mm.

2.2.2桩距

依据设计承载力要求、施工要求、柱作用的发挥、场地地质条件及造价等因数确定。通常为桩径的若干倍。

2.2.3桩长

水泥粉煤灰碎石桩复合地基承载力：

Ra---单桩竖向承载力特征值（kN)

fsk---处理后桩间土承载力特征值（kPa)

m---面积置换率

Ap---桩的截面积（m2)

λ，β---分别为单桩承载力发挥系数和桩间土承载力发挥系数

由此可导出桩顶应力、桩顶集中力。然后，结合土的性能、桩周磨阻系数和端承系数即可估算桩长。

2.2.4桩体标号

桩体配比按标号控制，最低标号按三倍桩顶应力考虑。

2.2.5褥垫层

一般100~300mm，桩距大时可适当加大。材料可用碎石、级配砂石、粗砂、中砂。

2.2.6沉降计算

有三部分组成：加固深度范围内土的压缩变形；下卧层变形；褥垫层变形。

分层计算法，通常褥垫层变形很小可忽略不计。

三、施工

3施工技术    

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，用于处理软弱地基时常采用振动沉管法施工，适用于多种地质条件和工程项目。  

该技术具有施工速度快、工期短、质量容易控制，工程造价低廉等特点。

3.1 施工准备工作

3.11主要材料和施工机具 

CFG 桩所用原材料应严格按照设计和规范要求选用并经试验合格，混合料配合比根据桩身承载力要求确定，按抗压强度C15 的混凝土进行设计。根据试验结果，本工程CFG 桩混合料配合比C（P.O32.5 普通硅酸盐水泥）:G1（16~31.5mm粒径碎石）:G2（4.25~16mm 粒径细碎石）:S（Mx=2.5 中砂）:W（水）:F（Ⅱ级粉煤灰）＝1:4.01:1.72:3.08:0.9:0.67，每立方水泥用量211kg，混合料坍落度6cm 左右，混凝土抗压强度约为18.1MPa。施工机具采用静压沉管灌注桩机（带振），沉管管径40cm，管长20m，沉管表面有进尺标记，桩尖选用C35 预制钢筋混凝土桩尖。 

3.12试桩施工 

　　按照设计和规范要求，CFG 桩施工前应先进行试桩工作，试桩抬架配重按设计要求进行，试打时，应详细做好电流、抬架、桩长、拔管速度、充盈系数等情况的记录，并对地质变化予以说明，以复核地质资料、检验机具设备、工艺和施工技术参数是否适宜。试桩施工28d 后，进行桩身小应变检测与单桩承载力检测，以确定该施工工艺是否适合及该桩长是否可达到设计承载力。我们共施打试桩5 根，经检测4 根I 类桩，1 根Ⅱ类桩。试桩结果表明，采用静压沉管灌注桩机施工工艺适合本工程的地质情况，试桩时所采取的技术参数(电流、拔管速度等)也是比较合理可行的，可以进行CFG 桩的全面施工了。 

3.13 场地平整和桩位编号 

　　施工场地应符合三通一平的要求，并测量场地的施工标高，做好抄平记录，施工场地标高应高出CFG 桩桩顶标高60cm（扩头桩帽高度）。场地桩位放样后，应做好记录及埋置桩尖，桩位与设计图误差控制在5cm 之内。为了防止在施工中桩与桩及移机等对桩身的影响（断桩或缩径），结合本工程地质土性和桩距，施工时采用隔排隔桩跳打的方法，隔排隔桩跳打时新打桩与已打桩间隔时间不应少于7d。选定CFG 桩施打顺序后，按布置图对桩位逐根编号，并做好标识。 

3.2 施工工艺流程  

CFG桩（振动沉管法）施工工艺，单打法是最基本的工法。分为移机就位、沉管造孔、填料加密和成桩四道工序，其中分层填料加密是关键工序。 

施工时，根据土质情况和荷载要求，分别选用单打法、复打法等。CFG桩目前一般是采用振动沉管灌注成桩。由于它是一项新兴发展起来的地基处理技术，工程施工经验尚不够成熟，施工前进行了试桩，数量为10根，经试验桩确定的有关技术参数后，再精心组织正常施工。    

3.2.1施工顺序  

桩位的施工流水顺序,依次向后退打，以有利于保护先施工的桩不被挤坏或挤歪。施工顺序考虑隔排桩跳打（即隔一根桩位），施工新桩时与已打桩间隔时间不少于7天。  

3.2.2混合填料配制  

严格选择原材料，水泥选用大厂生产优质32.5强度等级普通硅酸盐水泥，选择洁净的河砂、卵石、Ⅱ级粉煤灰等。施工前按设计要求由试验室进行了配合比试验，配合比（1m3）为：水186.0kg、水泥252.4kg、中砂452.0kg、粉煤灰175.0kg、砾石11350kg；施工时按配合比配制混合料，以保证混合料强度等同于C20混凝土。混合料中掺入的粉煤灰主要是改善拌和物的和易性，提高桩的施工质量。  

混合料配比严格执行规范规定，碎石和中砂含杂质不大于5%。按设计配合比配制混合料，投入搅拌机加水拌和，加水量由混合料的坍落度控制，一般坍落度为30-50mm，成桩后浮浆厚度一般不超过200mm。混合料的搅拌须均匀，每盘搅拌时间不得少于60s 。后台设磅秤计量装置，保证砂、石、粉煤灰计量准确。  

3.2.3 测量放线定桩位  

在填土分层压实后，具备了处理条件时，根据施工图开始按照南北向间距1.20m，东西向间距1.40m，“梅花型”布设测放CFG桩位，并打入木桩与地面平齐。  

3.2.4 移机就位  

桩机就位须平整、稳固，调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于1%。采用活瓣式桩尖和D325mm桩管，桩尖对准桩位。  

3.2.5 沉管造孔  

1）沉管过程中注意桩机的稳定，严禁倾斜和错位。沉管过程中做好记录，激振电流每沉1m记录本一次和沉管所耗的总时间，严格控制最后30s电机的电流电压值。并对土层变化处理应特别说明，直到沉管至设计标高。  

2） 沉管过程中观察沉管的下沉速度是否正常，沉管是否有挤偏现象，若有异常情况应分析原因，及时采取措施。  

3）当沉管到达设计深度或持力层时，应判定该深度或贯入度是否已达到规范规定和设计要求，或试桩时规定的并经设计认可的要求，满足了这些要求和规定，方可终止沉管。该工程控制贯入度标准为每30秒加压一次，最后30秒贯入度4-5cm。

4）静压沉管（带振）施工工艺流程一般如下： 

校对桩轴线→桩机就位→沉管至设计深度→停振下料→原地留振→振动拔管继续下料→吊装钢筋笼→继续下料→成桩→浇灌扩头桩帽。  

3.2.6 填料加密  

1）沉管达到要求深度后，立即填灌桩芯混合料，尽量减少间隔时间。填料前检查沉管内是否吞进桩尖或进水进泥。若存在则及时处理。

2）在沉管过程中可用料斗进行空中投料。待沉管至设计标高后须尽快投料，直到管内混合料面与钢管投料口平齐。如上料量不够，须在拔管过程中空中投料，以保证成桩桩顶、桩高满足设计要求。控制管内混合料面不低于自然地面。  

3）填料量应按沉管外径和桩长计算出的体积再乘上充盈系数值（大于1.3）。  

3.2.7 成桩  

1）当混合料填加至钢管投料口平齐后，先振动5～10s，再开始拔管，边振边拔，每拔0.5～1.0m，停拔留振5～10s，如此反复，直至沉管全部拔出。沉管灌注成桩施工拔管速度应按匀速控制，拔管速度应控制在1.2～1.5m/min。  

2）沉管拔出地面后，若发现桩身填料超出桩的设计顶面甚多或溢出地面较多，应及时核实充盈系数，若充盈系数小于1，则可认为桩身可能存在缩径或断桩隐藏患，应及时研究补救措施。  

3）若发现桩身填料面低于设计院标高，应立即补填填料使其顶面高于设计标高0.5m，并用振捣器振实。补填填料时，应将桩顶上的浮土清理干净，必要时可向孔内先插入钢模，再清理浮土。  

4）确认成桩符合设计要求后用粒状材料或混黏土封顶，然后移机继续下一根桩施工。

3.3施工过程中应注意的要点： 

1）桩机就位：桩机就位前应校对桩轴线，无误后方可施工。钢筋混凝土桩尖埋入地表下约30cm，外露20cm 左右，与沉管底口应密贴、无缝隙。桩机就位须平整、稳固，沉管与地面保持垂直，垂直度偏差不大于1%，并在打桩过程中用吊锤对钻杆倾斜度进行检测和控制。 

2）沉管：沉管过程中需注意调整桩机的稳定，避免倾斜，做好电流变化记录 (每1m 记一次)，并对土层变化予以说明，正常工作电流应控制在75~80A 左 

右。沉管至设计标高后应尽快投料。 

3）停振下料：振动器关闭后，立即向管内灌注粉煤灰混凝土，首批灌入量应保证管内3~5m 的数量。粉煤灰混凝土应严格按施工配合比拌和，搅拌时间应不少于90s，混凝土坍落度一般控制在5~7cm，初凝时间不小于5h。 

4）拔管：桩管内灌入砼3~5m，开启振动器原地留振5~10s 后，开始振动拔管。在振动拔管过程中，因桩充盈扩孔（充盈系数一般为1.1~1.3），需不断向沉管中投料，提钻速度应与混凝土泵送量相匹配，保持连续灌注，均匀提升。在淤泥或淤泥质土层内拔管提升速度控制在1.0~1.3m/min，较硬土层拔管速度为1.2~1.5m/min，并始终保持管内砼高度不小于2~3m，直至该桩要求的砼方量灌 

完。沉管每提升2.0m 左右，留振10s 左右，以保证混凝土灌注质量。 

5）钢筋笼吊装：灌注到钢筋笼设计位置时，关闭振动器，停料吊装钢筋笼，吊装应在混凝土初凝之前完成。 

6）成桩、扩头桩帽：成桩后桩顶标高需高出设计值20~30cm，以保证桩顶部混凝土密实度、强度。停泵后即可开挖上宽下窄的喇叭形扩头桩帽，去除桩顶浮浆，用同标号粉煤灰碎石桩进行浇灌。扩头桩帽顶面标高应一致，待粉煤灰砼龄期28 天检测合格后，方可铺筑垫层、加筋材料及路基填筑。

四、检测验收  

为保证CFG桩复合地基的施工质量，应控制好以下几个问题：  

1）选用合理的施工机械设备。在施工准备阶段，必须详细了解地质情况，从而合理地选用施工机械。这是确保CFG桩复合地基质量的有效途径。  

2）深入了解地质情况，采用合理的施工工艺。在施工过程中，成桩的施工工艺对CFG桩复合地基的质量至关重要，不合理的施工工艺将造成重大的质量问题，甚至导致质量事故，而要选择确定合理的施工工艺必须深入了解地质情况。只有在深入了解地质情况的基础上，才能确定合理的施工工艺，并在施工过程中加强监测，根据具体情况，控制施工工艺，发现特殊情况，做出具体的改变。  

① 在饱和软土中成桩，桩机的振动力较小，但当采用连打作业时，由于饱和软土的特性，新打桩将挤压已打桩，形成椭圆或不规则形态，产生严重的缩颈和断桩。此时，应采用隔桩跳打施工方案。而在饱和的松散粉土中施工，由于松散粉土振密效果好，先打桩施工完后，土体密度会有显著增加。而且，打的桩越多，土的密度越大。在补打新桩时，一是加大了沉管难度，二是非常容易造成已打桩断桩，此时，隔桩跳打亦不宜采用。  

当满堂布桩时，不宜从四周转向内推进施工，宜从中心向外推进施工，或从一边向另一边推进施工。  

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水泥浆分布不匀，桩项浮浆过多，桩身强度不足和形成混和料离析现象，导致桩身强度不足。故施工时，应严格控制拔管速率。正常的拔管速率应控制在1.2～1.5m／分。  

③ 控制好混合料的坍落度。大量工程实践表明，混合料坍落度过大，会形成桩项浮浆过多，桩体强度也会降低。坍落度控制在3～5cm，和易性好，当拔管速率为1.2～1.5m／分时，一般桩顶浮浆可控制在10cm左右，成桩质量容易控制。  

④ 设置保护桩长。使桩在加料时，比设计桩长多加0.5m，将沉管拔出后，用插入式振捣棒对桩顶混合料加振3～5秒，提高桩顶混合料密实度。上部用土封项，增大混合料表面的高度即增加了自重压力，可提高混合料抵抗周围土挤压的能力，避免新打桩振动导致已打桩受振动挤压，混合料上涌使桩径缩小。  

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混合，导致桩身掺土影响桩身质量，应避免反插。  

3)加强施工过程中的监测。在施工过程中，应加强监测，及时发现问题，以便针对性地采取有效措施，有效控制成桩质量，重点应做好以下几方面的监测：  

①施工场地标高观测。施工前要测量场地的标高，并注意测点应有足够的数量和代表性。打桩过程中则要随时测量地面是否发生降起。因为断桩常和地表隆起相联系。  

②已打桩桩顶标高的观测。施工过程中注意已打桩桩顶标高的变化，尤其要注意观测桩距最小部位的桩。因为在打新桩时，量测已打桩桩顶的上升量，可估算桩径缩小的数值，以判断是否产生缩径。  

③对有怀疑的桩的处理。对桩顶上升量较大或怀疑发生质量问题的桩应开挖查看，并做出必要的处理。

除此之外，还有以下几点内容不容忽视：

首先，粉煤灰砼的质量控制。所用原材料必须试验合格，分类码放，整齐规范，并采取有效的防护措施。采用电子计量装置，严格按照施工配合比上料，混凝土用水量应根据砂石含水率及时进行调整，保证搅拌时间，确保混凝士的搅拌质量。按规范要求取样试验，检查混凝士的和易性和7 天、28 天龄期强度，根据试验数据对混凝土质量进行动态控制。 

　　其次，成桩过程的质量控制。现场技术人员必须对成桩全过程进行旁站检查和控制，认真做好各种施工记录，及时处理施工过程发生的混凝土堵管、停电等异常情况。主要应该严格控制拔管速率与混凝土泵送量匹配；根据扩孔情况计算混凝土实际投料量，确保充盈系数；桩顶段砼浇筑和停泵时间的控制；以及灌筑完成后的处理等。 

最终。桩基质量检测。成桩28 天后应对桩基进行桩身小应变检测与单桩承载力检测，检测以静载复合地基为准（复合地基承载力容许值为路堤恒载与汽车活载相加），如果发现Ⅲ类桩应进行加强处理。

质量检验结果如下： 

经有资质的检测单位进行桩体低应变检测、单桩静载试验和复合地基静载试验。在对20%的CFG桩的低应变检测中，检测结果显示，一类桩237根，占检测总数的98%，其余全是二类桩，没有三类、四类桩出现，效果良好。  

　　CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，保证桩间土始终参与工作，与传统的桩基相比，桩的数量相对减少。由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰，不需配筋又能充分发挥桩间土的承载能力，与传统桩基相比，工程造价仅为传统桩基的1/4～1/3，大大降低了工程造价。CFG桩施工速度快，大大缩短桩基的施工工期。该工程使用CFG桩，与传统桩基相比，施工工期缩短约8d，节约人工工日240d，节约人工费：240工日×120元/工日＝28800元，节约材料费78800元，同时由于施工质量和进度都得到了保障，工程机械费节约了40000元，共计节约资金147600元，经济效益可观。使用CFG桩节约了材料、能源，减少了碳排放，而且施工噪声小，无泥浆污染，保护环境，其节能、环保、经济、社会效益显著。 

五、结论 　  

CFG桩复合地基是在碎石桩加固地基法的基础上发展起来的一种地基处理技术。由于CFG桩改善了碎石桩的刚性，使其不仅能很好地发挥全桩的侧阻作用，同时也能很好地发挥其端阻作用。CFG复合桩与桩基相比，由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力。工程造价一般为桩基的1/2-2/3，经济效益和社会效益非常显著。

CFG桩复合地基与传统桩基施工方法相比有许多优点，施工相对简单，易于操作，施工速度较快，成本相对较低。与素砼桩的区别在于桩体材料的构成不同，在其受力及变形特性方面无太大区别，对高黏结强度桩的复合地基都适用，是一种比较有针对性适用范围较大的地基处理方法。

经过本工程的顺利竣工，我们发现在质量检测工程中易发生的六大质量通病，并查找一系列相关的预防措施具体如下：

1）桩位偏差的控制 

　　由于采用隔排隔桩跳打工艺，第一批CFG 桩施工时，因为施工机械和人员的进出以及清理置换泥土等影响，后施工的桩位标志很容易对扰动和破坏。在实际操作中，我们对所有的桩位标志采取了多重保护措施，并在第二批CFG 桩施工前，重新进行桩位的校核工作。 

2）垂直度偏差的控制 

　　由于本工程桩长较大，地下水位较高、原地基土强度较低，桩机的支腿支撑在软土上，容易发生不均匀沉陷，沉管垂直度极难控制。在施工中，我们采取在桩机支腿下做临时方木垫层的方法，以改善持力土层的受力，减少不均匀变形，同时在下钻过程中，加强对垂直度的观测和调整，确保沉管垂直度。 

3）桩长偏差的控制 

　　采取表面有进尺标记的沉管。在CFG 桩施工前，根据设计的桩长、桩顶标高算出应打孔深，在桩机上做出标记线。机长在操作时要严格控制沉管的沉入深度，沉管沉到设计标高后，停振下料3~5 米高度，原地留振后方可拔管，预防桩底泥土回涌产生桩长不足的现象。 

4）缩径与断桩的控制 

　　CFG 桩的施工顺序与拔管速度是产生缩颈与断桩的主要因素。为了避免新打桩对已成桩的挤压或振动作用，以致产生缩颈和断桩，我们采用了隔排隔桩跳打的施工工艺，同时新打桩必须在已成桩桩身具备一定强度后施工。在成桩时，控制混凝土泵车输出的混凝土量与沉管的提拔速度相匹配，始终保证沉管内砼高度，以避免缩径与断桩现象的产生。 

5）桩基反拱的预防和处理 

　　由于CFG 桩对软土的挤密作用，可能产生CFG 桩桩顶上升的现象。在施工中应完善软基地段的排水系统，跳打时可适当加大时间间隔，同时加强施工监测工作。如果在监测中发现桩顶上升量较大时，可逐桩进行静压，压桩设备利用沉管桩机配以适量的压重，压重大小为1.2 倍的单桩设计荷载。静压应在桩身达到一定强度后进行，每根静压时间为3min，静压后的成桩应进行动测，对不合格桩按要求进行处理。