水泥粉煤灰碎石樁加固原理與施工工藝

1、3.5.1 概述3.5.2 加固原理3.5.3 設(shè)計(jì)與計(jì)算3.5.4 施工工藝3.5.5 效果檢驗(yàn)水泥粉煤灰碎石樁CFG樁主要內(nèi)容3.5.1 概述定 義適用范圍重要概念復(fù)合樁基散體樁復(fù)合地基，其樁體由碎石或砂石等散體材料構(gòu)成（碎石樁）低粘結(jié)強(qiáng)度樁復(fù)合地基（石灰樁、灰土樁、水泥攪拌樁 ）中等粘結(jié)強(qiáng)度樁復(fù)合地基（夯實(shí)水泥土樁）高等粘結(jié)強(qiáng)度樁復(fù)合地基（ CFG樁、素混凝土樁） 在碎石樁基礎(chǔ)上加入適量石屑、粉煤灰和水泥，加水拌和制成的一種具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的樁，與周圍地基土體形成復(fù)合地基，它比一般碎石樁復(fù)合地基的承載力高、變形量小。 CFG水泥粉煤灰碎石樁一、定義一. 概述1.定義 水泥粉煤灰碎石樁法(

2、cement fly-ash gravel pile):由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成高粘結(jié)強(qiáng)度樁，并由樁、樁間土和褥墊層一起組成復(fù)合地基的地基處理方法。2.材料（1）粉煤灰：是燃煤發(fā)電廠排出的一種工業(yè)廢料，其主要化學(xué)成分有SiO2、Al2O3、 Fe2O3 、 CaO和MgO 等。其中粉煤灰的活性決定于各種粒度的SiO2和Al2O3的含量。 碎石粗骨料 石屑中等粒徑骨料，使得級配良好； 粉煤灰細(xì)骨料和低標(biāo)號水泥作用， 提高樁體后期強(qiáng)度。 水泥提高強(qiáng)度。 一、定義 按照施工工藝不同，分為擠土和非擠土兩類 振動(dòng)沉管法施工擠土法 螺旋鉆施工非擠土法 一、定義（2）碎（卵）石、砂

3、、石屑、水泥：CFG樁的骨料為碎石、砂和石屑為填充料，水泥一般采用普通硅酸鹽水泥。（3）材料的力學(xué)性能立方抗壓強(qiáng)度：28d養(yǎng)護(hù)，c= 6.37.3MPa， c= 6.7MPa;劈裂抗壓強(qiáng)度： 80d養(yǎng)護(hù)，劈= 0.50.59MPa， 劈= 0.54MPa;軸心抗壓強(qiáng)度：80d養(yǎng)護(hù)，= 3.56.3MPa， 劈= 4.3MPa;靜彈模： E= 8.41039. 8 103 MPa， 劈= 8. 8103 Mpa;（4）適用范圍 適用于處理粘性土、粉土、砂土和已自重固結(jié)的素填土等地基。對淤泥質(zhì)土應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)或通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定其適用性。（5）CFG樁法的優(yōu)點(diǎn)施工工藝簡單，無場地污染，振動(dòng)影響?。粌H需

4、要少量水泥，便于就地取材；受力特點(diǎn)與水泥攪拌樁相似，由樁側(cè)阻力和樁端承載力組成，增加樁長可提高承載力。樁型對比值碎石樁CFG樁單樁承載力樁的承載力主要靠樁頂以下有限場地范圍內(nèi)樁周土的側(cè)向約束，當(dāng)樁長大于有效樁長時(shí)，增加樁長對承載力的提高作用不大。以置換率10%計(jì)，樁承擔(dān)荷載占總荷載的15%30%。樁的承載力主要來自全樁長的摩阻力及樁端承載力，樁越長則承載力越高，以置換率10%計(jì)，樁承擔(dān)荷載占總荷載的40%75%。復(fù)合地基承載力加固黏性土復(fù)合地基承載力的提高幅度較小，一般為0.51倍。承載力提高幅度有較大可調(diào)性，可提高4倍或更高。變形減小地基變形的幅度較小，總的變形量較大。增加樁長可有效地減少變

5、形，總的變形量小。三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力-應(yīng)變曲線不呈直線關(guān)系，增加圍壓，破壞主應(yīng)力差較大。應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線關(guān)系，圍壓對應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有多大影響。適用范圍多層建筑物地基多層及高層建筑物碎石樁與CFG樁的對比 一、定義 CFG樁吸取了振沖碎石樁和水泥攪拌樁的優(yōu)點(diǎn)。施工工藝與普通振動(dòng)沉管灌注樁一樣，工藝簡單；與振沖碎石樁相比，無場地污染，振動(dòng)影響也較小。所用材料僅需少量水泥，便于就地取材，基礎(chǔ)工程不會與上部結(jié)構(gòu)爭建筑材料，這也是比水泥攪拌樁的優(yōu)越之處。受力特性與水泥攪拌樁類似。 CFG樁和樁間土一起，通過褥墊層形成CFG樁復(fù)合地基。 一、定義墊層指的是設(shè)于基層以下的結(jié)構(gòu)層。其主要作用是隔水、排水

6、、防凍以改善基層和土基的工作條件。墊層為介于基層與土基之間的結(jié)構(gòu)層, 在土基水溫狀況不良時(shí),用以改善土基的水溫狀況,提高路面結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)性和抗凍脹能力,并可擴(kuò)散荷載,以減少土基變形.墊層使用條件和一般規(guī)定如下:1.路基經(jīng)常處于潮濕和過濕狀態(tài)的路段,以及在季節(jié)性冰凍地區(qū)產(chǎn)生冰凍危害的路段應(yīng)設(shè)墊層.2.墊層材料有粒料和無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土兩類.粒料包括天然砂礫,粗砂,爐渣等.采用粗砂和天然砂礫時(shí),小于0.074mm的顆粒含量應(yīng)小于5%;采用爐渣時(shí),小于2mm的顆粒含量宜小于20%.3.墊層厚度要按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定.在季節(jié)性冰凍地區(qū)路面總厚度小于防凍最小厚度時(shí),應(yīng)以墊層材料補(bǔ)足.CFG樁復(fù)合地基。此處的褥墊層

7、，不是基礎(chǔ)施工時(shí)通常做的10cm厚的素混凝土墊層，而是由粒狀材料組成的散體墊層。工程中，對散體樁和低粘結(jié)強(qiáng)度樁復(fù)合地基，有時(shí)可不設(shè)置褥墊層，也能保證樁與土共同承擔(dān)荷載。CFG樁是高粘結(jié)強(qiáng)度樁，褥墊層是CFG樁和樁間土形成復(fù)合地基的必要條件，是不可缺少的一部分。一、定義3. 褥墊層作用由級配的砂石、粗砂、碎石組成的褥墊層有如下四方面的作用：保證樁土共同承擔(dān)荷載；減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中；褥墊層厚度可以調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比；褥墊層厚度可以調(diào)整樁、土水平荷載分擔(dān)比；保證樁與土共同承擔(dān)荷載褥墊層作用保證樁與土共同承擔(dān)荷載褥墊層作用保證樁與土共同承擔(dān)荷載褥墊層作用調(diào)整樁與土垂直和水平荷載的分擔(dān)作用褥墊層作用

8、調(diào)整樁與土垂直和水平荷載的分擔(dān)作用褥墊層作用樁體作用 CFG不同于碎石樁，是具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的混合料。在荷載作用下CFG樁的壓縮性明顯比其周圍軟土小，因此基礎(chǔ)傳給復(fù)合地基的附加應(yīng)力隨地基的變形逐漸集中到樁體上，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，復(fù)合地基中的CFG樁起到了樁體作用。減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中 H0時(shí)，樁對基礎(chǔ)的應(yīng)力集中很顯著，和樁基礎(chǔ)一樣，需要考慮樁對樁基的沖切破壞；H大到一定程度后，基底反力即為天然地基的反力分布。褥墊層作用褥墊層的調(diào)整均化作用保證樁、土共同承擔(dān)荷載褥墊層的設(shè)置為樁復(fù)合地基在受荷后提供了樁上、下刺入的條件，即使樁端落在好土層上，至少可以提供上刺入條件，以保證樁間土始終參與工作。褥墊

9、層的調(diào)整均化作用減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中當(dāng)褥墊層厚度大于時(shí)，樁對基礎(chǔ)產(chǎn)生的應(yīng)力集中已顯著降低。褥墊層的調(diào)整均化作用褥墊厚度可以調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比荷載一定時(shí)，褥墊越厚，土承擔(dān)的荷載越多。荷載水平越高，樁承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比越大。褥墊層的調(diào)整均化作用褥墊厚度可以調(diào)整樁、土水平荷載分擔(dān)比基礎(chǔ)承受水平荷載時(shí)，褥墊厚度越大，樁頂水平位移越小，即樁頂受的水平荷載越小。 CFG樁主要適用于： 粘性土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、砂性土、雜填土、濕陷性黃土。二、適用范圍樁體的置換作用擠密作用加固原理3.5.2 加固原理褥墊層的調(diào)整均化作用非擠土法施工時(shí)，施工對土體的振動(dòng)或擠壓作用使樁間土得到擠密提高了強(qiáng)度。加固

10、后地基土的含水量、孔隙比、壓縮系數(shù)均有所減??；重度、壓縮模量均有所增加，說明經(jīng)加固后樁間土已擠密。擠密作用平面布置、樁徑、樁距樁長、樁體強(qiáng)度褥墊層厚度及材料設(shè)計(jì)參數(shù)3.5.3 設(shè)計(jì)與計(jì)算等邊三角形或方形布置，面積置換率m不宜超過10（充分發(fā)揮樁間土作用）平面布置直徑350600mm樁徑CFG樁常采用振動(dòng)沉管法施工，其樁徑根據(jù)樁管大小而定，一般為：樁距（36）d樁距 樁距的選用需要考慮承載力提高幅度要能滿足設(shè)計(jì)要求，且施工方便，樁作用的發(fā)揮、場地地質(zhì)條件及造價(jià)等因素。CFG樁樁距選用參考值 土質(zhì) 樁距布樁形式擠密性好的土，如砂土、粉土、松散填土等可擠密土，如粉質(zhì)黏土、非飽和黏土不可擠密性土，如飽

11、和黏土、淤泥質(zhì)土單、雙排布樁的基礎(chǔ)（35d）（3.55d）（45d）含9根以下的獨(dú)立基礎(chǔ)（36d）（3.56d）（46d）滿堂布樁（46d）（46d）（4.57d）樁距 (1)對擠密性好的土，如砂土、粉土和松散填土等，樁距可取得較小。 (2)對單、雙排布樁的條形基礎(chǔ)和面積小的獨(dú)立基礎(chǔ)等，樁距可取得較小。反之，滿堂布樁的筏基、箱基以及多排布樁的條基、設(shè)備基礎(chǔ)等，樁距應(yīng)適當(dāng)放大。 (3)地下水位高，地下水豐富的建筑場地樁距也應(yīng)適當(dāng)?shù)姆糯?。求解思路：根?jù)設(shè)計(jì)要求達(dá)到的復(fù)合地基承載力以及天然地基承載力樁土應(yīng)力比n樁頂應(yīng)力樁頂承受的集中力參照與施工方法相關(guān)的樁周摩阻力和樁端端承力樁長樁長1、n？2、樁頂

12、應(yīng)力3、樁頂承受的集中力4、樁頂承受的集中力推算樁長最低強(qiáng)度按3倍樁頂應(yīng)力 確定。樁體強(qiáng)度材料：碎石、級配砂石、粗砂或中砂厚度：1030cm為宜，可適當(dāng)加寬。褥墊層材料、厚度一般情況CFG樁復(fù)合地基沉降由三部分組成。加固深度范圍內(nèi)土的壓縮變形s1；下臥層變形s2；褥墊層變形s3。（數(shù)量很小可以忽略不計(jì)）沉降計(jì)算1. 處理范圍和樁徑d 水泥粉煤灰碎石樁可只在基礎(chǔ)范圍內(nèi)布置，樁徑宜取d=350 600mm 。2.樁距S 根據(jù)處理后的復(fù)合地基承載力fspk、土性、施工工藝確定，一般S=（35）d。3. 褥墊層厚度和材料 樁頂和基礎(chǔ)之間應(yīng)設(shè)置褥墊層，褥墊層厚度宜取150 300mm ，當(dāng)樁徑大或樁距大

13、時(shí)褥墊層厚度宜取高值。 褥墊層材料宜用中砂、粗砂、級配砂石或碎石等，最大粒徑不宜大30mm 。4.水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基承載力特征值確定（1）通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定；（2）初步設(shè)計(jì)時(shí)也可按下式估算： fsp,k=m（Ra/Ap）+ （1-m）fsk式中 fsk處理后天然地基承載力特征值（kPa）, ，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，如無經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可取天然地基承載力特征值； m面積置換率，m=Ap/A； Ap樁的截面積(m2)； 樁間土承載力折減系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值，如無經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取0.750.95，天然地基承載力較高時(shí)取大值； Ra單樁承載力特征值（kN）。（4）單樁承載力特征值Ra的確定當(dāng)采用單樁載

14、荷試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)2，即按下式計(jì)算：當(dāng)無單樁載荷試驗(yàn)資料時(shí)，可按下式估算：Ra=UpqsiLi+qpAp 式中 Up樁的周長，m； qsi樁側(cè)第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa，按國家現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50007 有關(guān)規(guī)定確定取值； qp樁的端阻力特征值，kPa ，按國家現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50007 有關(guān)規(guī)定確定取值； Li第i層土的厚度，m 。 5.樁體試塊抗壓強(qiáng)度平均值應(yīng)滿足下式要求：式中 fcu樁體混合料試塊（邊長150mm 立方體）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 立方體抗壓強(qiáng)度平均值（kPa ）。6. 變形計(jì)算CFG樁地基總沉降量S為：S=

15、S1+S2+S3式中 S1復(fù)合地基沉降量，mm； S2下臥土層沉降量，mm； S3褥墊層沉降量，mm；因褥墊層厚度較小，其變形值更小，而且多在施工過程中完成，所以可忽略不計(jì)。所以上式可簡化為：S=S1+S2 地基處理后的變形計(jì)算應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007 的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。復(fù)合土層的分層與天然地基相同，各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的倍， 值可按下式計(jì)算： 變形計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)s根據(jù)當(dāng)?shù)爻两涤^測資料及經(jīng)驗(yàn)確定，也可采用下表數(shù)值： （ Mpa)2.54.07.015.020.0s1.11.00.70.40.2沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)s為變形計(jì)算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值，應(yīng)該

16、下式計(jì)算：式中 Ai第i 層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層深度的積分值； Esi基礎(chǔ)底面下第i 層土的壓縮模量值（MPa ），樁長范圍內(nèi)的復(fù)合土層按復(fù)合土層的壓縮模量取值。 地基變形計(jì)算深度應(yīng)大于復(fù)合土層的厚度，并符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50007 中地基變形計(jì)算深度的有關(guān)規(guī)定。四 施工1.水泥粉煤灰碎石樁的施工，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件選用下列施工工藝：(1)長螺旋鉆孔灌注成樁，適用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等密實(shí)以上的砂土；(2)長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁，適用于粘性土、粉土、砂土以及對噪聲或泥漿污染要求嚴(yán)格的場地；(3)振動(dòng)沉管灌注成樁，適用于粉土、粘性土及素填土地基

17、。施工樁頂標(biāo)高宜高出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高不少于0.5m 。成樁過程中，抽樣做混合料試塊，每臺機(jī)械一天應(yīng)做一組（3 塊）試塊（邊長為150mm 的立方體），標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測定其立方體抗壓強(qiáng)度。冬期施工時(shí)混合料入孔溫度不得低于5 ，對樁頭和樁間土應(yīng)采取保溫措施。清土和截樁時(shí)，不得造成樁頂標(biāo)高以下樁身斷裂和擾動(dòng)樁間土。6. 褥墊層鋪設(shè)宜采用靜力壓實(shí)法，當(dāng)基礎(chǔ)底面下樁間土的含水量較小時(shí)，也可采用動(dòng)力夯實(shí)法，夯填度（夯實(shí)后的褥墊層厚度與虛鋪厚度的比值）不得大于0.90。7. 施工垂直度偏差不應(yīng)大于1% ；對滿堂布樁基礎(chǔ)，樁位偏差不應(yīng)大于0.4倍樁徑；對條形基礎(chǔ)，樁位偏差不應(yīng)大于0.25 倍樁徑，對單排布樁樁位偏差不

18、應(yīng)大于60mm 。五 質(zhì)量檢驗(yàn)施工質(zhì)量檢驗(yàn)主要應(yīng)檢查施工記錄、混合料坍落度、樁數(shù)、樁位偏差、褥墊層厚度、夯填度和樁體試塊抗壓強(qiáng)度等。水泥粉煤灰碎石樁地基竣工驗(yàn)收時(shí)，承載力檢驗(yàn)應(yīng)采用復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。水泥粉煤灰碎石樁地基檢驗(yàn)應(yīng)在樁身強(qiáng)度滿足試驗(yàn)荷載條件時(shí)，并宜在施工結(jié)束28d 后進(jìn)行。試驗(yàn)數(shù)量宜為總樁數(shù)的0.5%1%，且每個(gè)單體工程的試驗(yàn)數(shù)量不應(yīng)少于3 點(diǎn)。應(yīng)抽取不少于總樁數(shù)的10%的樁進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)力試驗(yàn)，檢測樁身完整性。3.5.4施工方法一、水泥粉煤灰碎石樁的施工，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件選用下列施工工藝：1 長螺旋鉆孔灌注成樁，適用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等密實(shí)以上的砂土；2 長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁，適用于粘性土、粉土、砂土，以及對噪聲或泥漿污染要求嚴(yán)格的場地；3 振動(dòng)沉管灌注成樁，適用于粉土、粘性土及素填土地基。二、長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁施工和振動(dòng)沉管灌注成樁施工除應(yīng)執(zhí)行國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)定外，尚應(yīng)符合下列要求：1 施工前應(yīng)按設(shè)計(jì)要求由試驗(yàn)室進(jìn)行配合比試驗(yàn)，施工時(shí)按配合比配制混合料。長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料成樁施工的坍落度宜為160200mm，振動(dòng)沉管灌注成樁施工的坍落度宜為3050mm，振動(dòng)沉管灌注成樁后樁頂浮漿厚度不宜超過200mm；2 長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料成樁施工在鉆至設(shè)計(jì)深度后，應(yīng)準(zhǔn)確掌握提拔鉆桿時(shí)間，混合料泵送量應(yīng)與拔管速