CFG桩的研究

论文作者：中科院武汉岩土力学科学研究所

摘要：以某工程为例，针对不同材料构成的褥垫层（相同厚度）及同一种材料不同垫层厚度情况进行了土

压力盒试验，确定了不同情况下桩土分担荷载关系，并得出了一些有益的结论。

关键词：CFG桩 复合地基 桩土应力比

1、前言

CFG桩(Cement Fly-ash Gravel Pile)，即由碎石、粉煤灰掺适量的水泥加水拌合，用各种成桩机具制成的可变粘结强度桩，近年来在工程中得到了广泛应用。

CFG桩复合地基由桩、桩间土及褥垫层三部分构成，其加固机理为褥垫层受上部基础荷载作用产生变形后以一定的比例将荷载分摊给桩及桩间土，使二者共同受力。同时土体受到桩的挤密而提高承载力，而桩又由于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

【1】

。显然，不同材料构成的褥垫层及同种材料不同垫层厚度桩土分担的荷载是

不同的，而准确了解桩土分担的荷载比在CFG桩复合地基工程设计中往往是很重要的。本文以某工程为例，针对不同材料构成的褥垫层及同一种材料不同垫层厚度情况进行了土压力盒试验，确定了不同情况下桩土分担荷载关系，并得出了一些有益的结论。

2、场地工程地质概况

2.1 地形地貌

该工程场地地貌单元属长江北岸I级阶地，现有地形比较平坦。 2.2 地质岩性构成

拟建场地的地基土主要由人工填积（Qml）层和第四系全新统冲积（Qal4）层构成。场地内分布的地层，按其特点由上至下分述如下：

杂填土：主要由混凝土地坪、粉煤灰、砖块、房屋老基础及少量粘性土填成。呈湿的、松散状态。该层在整个场地均有分布，厚度为0.88－1.90m。

第四系全新统冲积（Qal4）层：该层具有明显的二元结构沉积规律。上部主要由细粒的粘土、粉质粘土及粉土组成，中、下部主要由粗粒组成的粉细砂、中粗砂，底部为河道形成的I级阶地下卵石层。下卧基岩为泥岩。

3、土压力盒试验概况

为了解不同材料构成的褥垫层（相同厚度）及同一种垫层材料不同厚度情况确定桩土分担荷载关系，本次试验针对粗石(70%)＋砂(30%)，砂，瓜米石(70%)＋砂(30%)三种材料组成的200mm厚的褥垫层及300mm、400mm和500mm厚的粗石(70%)＋砂(30%)的褥垫层进行了6组土压力盒试验，如表1所示。

表1 土压力盒试验垫层材料及垫层厚度表

序号 1 桩号 996 垫层材料 粗石(70%)＋砂(30%) 垫层厚度(mm) 200 2 3 4 5 6 615 573 174 438 365 砂 瓜米石(70%)＋砂(30%) 粗石(70%)＋砂(30%) 粗石(70%)＋砂(30%) 粗石(70%)＋砂(30%) 200 200 300 400 500

a) 垫层下 b)垫层上

土中压力盒

桩上压力传感器

图1 土压力盒埋设示意图

本次试验分别在垫层上下的土层和桩身对应埋设10个土压力盒，如图1所示。土压力盒试验采用浙江科学仪器厂生产的JXR钢弦式压力盒。该压力盒通过量测钢弦的频率变化得到施加在压力盒上的压力值，压力盒量程为0.4MPa。考虑到桩上应力大，桩上应力采用本所自行研制的量程为10MPa压力传感器量测，

该压力传感器通过量测应变得到作用在桩身压力值。

图2为土压力盒试验系统示意图。 图2 土压力盒试验系统示意图

4、试验结果

试验结果见表2～7及图3～14。

各桩试验结果表明，随着荷载的增大，桩分担的荷载也逐渐增大。在最大试验荷载作用下（1000kPa），996＃桩承担的荷载达85％，最小的573＃桩也达74％，表明CFG桩复合地基中桩承担的荷载仍占绝大部分。同时，试验结果表明桩间土体也充分发挥了作用。

表2 996＃桩复合地基压力盒试验结果

荷载值 2# (kPa) 250 375 500 625 750 875 1000 13.84 12.06 14.13 14.26 10.09 11.89 11.32 13.40 24.62 22.46 25.90 25.31 16.36 21.90 17.80 21.40 30.91 30.93 32.95 31.74 18.87 29.60 23.13 27.24 37.69 38.24 39.87 40.95 23.08 39.49 29.29 34.01 42.32 42.26 43.09 45.40 24.28 44.98 30.19 39.47 47.78 46.49 49.17 51.66 28.39 52.59 32.70 45.12 48.83 48.53 52.32 53.61 32.56 57.41 33.72 47.26 13.57 24.57 31.63 39.19 43.27 48.78 50.82 11.67 19.36 24.71 31.47 34.73 39.70 42.74 0.59 0.75 0.77 0.81 0.82 0.85 0.85 0.54 0.68 0.71 0.77 0.77 0.81 0.82 3# 4# 5# 7# 桩土应力比 8# 9# 10# Aver(2-5) Aver(7-10) 桩承担荷载比 垫层下 垫层上 在垫层厚度相等（200mm）情况下，以粗石(70%)＋砂(30%)为材料的垫层，在试验初期荷载较小的情况下，桩承担的荷载最小，而在较大荷载作用下，桩体承担的荷载最大；而以纯砂为材料的垫层，在试验

初期荷载较小的情况下，桩承担的荷载最大，并且随着荷载的增大，桩分担的荷载比增加不大。 对于同种垫层材料，在加载初期，厚度不同，桩分担的荷载略有不同；在加载后期，厚度对于桩土分

担荷载比影响不大。

各桩试验结果表明，桩土应力比随着荷载的增大而逐渐增大。

表3 615＃桩复合地基压力盒试验结果

荷载值 2# (kPa) 250 375 23.19 20.94 23.13 29.08 17.27 15.98 14.73 11.38 21.38 20.56 22.80 27.60 16.80 16.47 14.93 11.78 24.09 23.09 14.84 15.00 0.71 0.72 0.60 0.62 3# 4# 5# 7# 桩土应力比 8# 9# 10# Aver(2-5) Aver(7-10) 桩承担荷载比 垫层下 垫层上 500 625 750 875 21.36 21.66 23.92 27.62 17.13 18.19 15.56 13.09 22.87 24.02 26.79 28.72 17.58 19.94 16.18 14.39 25.51 27.54 30.76 30.78 19.47 23.01 18.34 17.25 29.14 32.28 35.79 33.36 22.27 27.51 21.72 21.51 23.64 25.60 28.64 32.64 36.73 15.99 17.02 19.52 23.25 27.09 0.72 0.72 0.75 0.78 0.80 0.64 0.63 0.66 0.72 0.75 1000 32.86 37.88 39.56 36.61 24.94 32.92 25.06 25.45 表4 573＃桩复合地基压力盒试验结果

荷载值 2# (kPa) 250 375 500 625 750 875 14.99 10.70 19.21 14.38 6.78 10.32 9.40 10.77 14.89 9.23 19.19 13.82 7.33 9.73 8.57 9.02 20.27 12.80 27.34 18.85 10.51 13.44 11.79 12.52 23.88 15.90 32.68 22.27 13.30 16.82 14.56 15.92 28.91 21.85 39.68 27.39 16.90 20.76 18.03 21.22 34.01 29.48 47.13 32.48 20.75 25.45 21.87 27.86 14.82 14.28 19.81 23.68 29.46 35.78 42.43 9.32 8.67 12.07 15.15 19.23 23.98 29.18 0.60 0.59 0.68 0.70 0.74 0.78 0.82 0.48 0.48 0.56 0.61 0.67 0.71 0.75 3# 4# 5# 7# 桩土应力比 8# 9# 10# Aver(2-5) Aver(7-10) 桩承担荷载比 垫层下 垫层上 1000 38.54 37.34 56.29 37.55 24.45 30.61 25.85 35.79 表5 174＃桩复合地基压力盒试验结果

荷载值 2# (kPa) 250 375 500 625 750 875 14.19 18.65 17.14 8.59 9.72 14.67 19.52 12.05 17.49 24.01 19.89 11.08 12.47 17.62 21.45 14.89 20.66 28.03 22.93 13.25 15.65 20.24 24.62 18.17 25.42 33.60 27.64 16.15 19.15 23.15 27.60 21.68 28.15 37.39 30.19 17.97 21.60 26.08 29.51 24.48 32.50 41.97 33.56 20.71 25.00 28.48 31.75 27.74 14.64 18.12 21.22 25.70 28.43 32.19 37.59 13.99 16.61 19.67 22.90 25.42 28.24 32.96 0.59 0.64 0.67 0.73 0.72 0.76 0.79 0.58 0.62 0.67 0.71 0.72 0.75 0.78 3# 4# 5# 7# 桩土应力比 8# 9# 10# Aver(2-5) Aver(7-10) 桩承担荷载比 垫层下 垫层上 1000 39.35 48.06 38.29 24.65 30.58 32.70 36.02 32.55 表6 438＃桩复合地基压力盒试验结果

荷载值 2# (kPa) 250 375 500 625 750 15.84 13.91 12.69 17.64 10.09 10.39 6.07 7.17 24.66 19.92 18.73 25.09 16.87 16.99 10.09 11.55 34.53 26.85 25.73 32.70 22.52 23.22 13.96 15.49 40.16 31.35 29.88 35.84 25.91 27.72 16.71 18.31 39.65 31.78 29.61 33.83 25.17 26.85 19.06 18.40 15.02 22.10 29.95 34.31 33.71 8.43 13.88 18.80 22.16 22.37 0.61 0.69 0.77 0.79 0.77 0.47 0.59 0.65 0.69 0.69 3# 4# 5# 7# 桩土应力比 8# 9# 10# Aver(2-5) Aver(7-10) 桩承担荷载比 垫层下 垫层上 875 38.65 33.98 32.02 33.32 27.42 32.02 21.52 21.02 34.49 36.85 25.50 27.23 0.79 0.80 0.73 0.74 1000 39.57 36.47 35.12 36.24 26.58 35.28 24.39 22.67 表7 365＃桩复合地基压力盒试验结果

荷载值 2# (kPa) 250 375 500 625 750 875 22.61 26.09 23.01 12.86 11.45 13.11 8.50 7.20 27.47 37.70 33.42 18.22 17.80 17.35 12.38 10.91 28.42 42.59 31.24 19.32 23.63 22.39 14.49 13.28 30.90 43.12 34.38 24.12 30.59 28.92 18.19 16.90 28.94 41.32 32.82 24.24 29.13 30.87 19.53 17.12 32.08 42.25 33.38 26.45 29.24 30.03 19.51 17.84 21.14 29.20 30.39 33.13 31.83 33.54 34.18 10.07 14.61 18.45 23.65 24.16 24.15 24.94 0.67 0.73 0.76 0.79 0.77 0.79 0.77 0.50 0.58 0.66 0.72 0.71 0.72 0.73 3# 4# 5# 7# 桩土应力比 8# 9# 10# Aver(2-5) Aver(7-10) 桩承担荷载比 垫层下 垫层上 1000 34.11 40.67 34.06 27.90 29.18 30.32 20.67 19.59

图3 桩分担荷载比与荷载关系试验曲线(996＃桩)

图4 桩土应力比与荷载关系试验曲线(996＃桩)

图5 桩分担荷载比与荷载关系试验曲线(615＃桩

图6 桩土应力比与荷载关系试验曲线(615＃桩)

图7 桩分担荷载比与荷载关系试验曲线(573＃桩)

图8 桩土应力比与荷载关系试验曲线(573＃桩)

图9 桩分担荷载比与荷载关系试验曲线(174＃桩)

图10 桩土应力比与荷载关系试验曲线(174＃桩)

图11 桩分担荷载比与荷载关系试验曲线(438＃桩)

图12 桩土应力比与荷载关系试验曲线(438＃桩)

图13 桩分担荷载比与荷载关系试验曲线(365＃桩)

图14 桩土应力比与荷载关系试验曲线(365＃桩)

5、结论

各桩试验结果表明，桩土应力比随着荷载的增大而逐渐增大。

各桩试验结果表明，随着荷载的增大，桩分担的荷载也逐渐增大。在最大试验荷载作用下（1000kPa），996＃桩承担的荷载达85％，最小的573＃桩也达74％，表明CFG桩复合地基中桩承担的荷载仍占绝大部分。同时，试验结果表明桩间土体也充分发挥了作用。

在垫层厚度相等（200mm）情况下，以粗石(70%)＋砂(30%)为材料的垫层，在试验初期荷载较小的情况下，桩承担的荷载最小，在较大荷载作用下，桩体承担的荷载最大；而以纯砂为材料的垫层，在试验初期荷载较小的情况下，桩承担的荷载最大，并且随着荷载的增大，桩分担的荷载比增加不大。

对于同种垫层材料，在加载初期，垫层厚度不同，桩分担的荷载略有不同；在加载后期，厚度对于桩土分担荷载比影响不大。

参考文献

1 邓跃光，黄荣. CFG桩复合地基的原理和设计，地质灾害与环境保护，2002，9，Vol.13，No.3.

2 刘金砺，李大展. 桩基设计施工与检测，中国建材工业出版社，2001，5.

3 张宏. 灌注桩检测与处理，人民交通出版社，2001，5.