cfg桩设计施工

分类号 密级

中国地质大学（北京）

毕 业 设 计（论 文）

题 目 常营C地块A05号住宅楼CFG桩复合地

基处理设计及施工

英文题目 CFG Pile Composite Foundation Treatment

Design and Construction of Building A05, C Segment in Changying

学生姓名 刀朝荣 院（系） 工程技术学院 专 业 土木工程 学 号 2204220

指导教师 姚磊华 职 称 教授

二OO 八年五月

中国地质大学（北京）学士学位论文

摘 要

目前，随着我国经济的高速发展，工程建设规模和数量的急剧扩大，对原有天然软弱地基的处理成为工程设计和施工中越来越被关注的环节之一。CFG桩复合地基法以其用材经济、施工快捷、加固效果良好等优点在工程实践中得到了广泛的应用，特别是近年来CFG桩复合地基多种设计方法的提出与实践，极大地推动了复合地基理论和实践的发展，丰富了工程建设中的地基处理技术。

本文首先仔细回顾了复合地基的一些发展历史和研究成果；其次，在现有CFG桩复合地基研究成果的基础上对CFG桩复合地基承载特性、作用机理作了相应的分析和介绍；再次，结合实际工程——常营C地块A05号住宅楼CFG桩复合地基处理，按照CFG桩复合地基进行了地基设计计算，用恰当的模型验算了相应复合地基的承载力与沉降量，验证了理论的可行性；最后，结合实际工程对CFG桩复合地基的施工工艺作了较为系统的介绍。

关键词： CFG桩； 复合地基； 承载力； 沉降量

ABSTRACT

Nowadays, with China's rapid economic development and rapid expansion of the scale and quantity in engineering construction，treatment technology of weak foundation in originally natural status become one of the key problem gradually in geotechnical designing and practicing. As its great advantages such as economical material, fast speed of construction and perfect effect on consolidating, method of CFG piles composite foundation has been widely used, particularly in recent years when various methods of design and practice are applied for CFG piles composite foundation，which has greatly promoted the development of theory and practice of composite foundation and enriched the technology of foundation treatment in engineering construction.

Firstly, some development history and research results of composite foundation was reviewed in this article; Secondly, based on the existing research results of CFG piles composite foundation, the load-bearing characteristics and the mechanism of CFG piles composite foundation was systematically analysised and introduced; Once again, treatment technology of CFG piles composite foundation is applied in a real engineering construction, foundation treatment of building A05, C segment in Changying. Design and calculation of foundation are done according to CFG piles composite foundation, with checking the bearing capacity and settlement of composite foundation. Subsequently, the construction process of CFG piles composite foundation is introduced systematically.

Keywords: CFG pile; Composite foundation; bearing capacity; settlement

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目 录

1 绪 论 ................................................................................................................................. 1

1.1 选题背景及意义 ...................................................................................................... 1 1.2 复合地基概述 .......................................................................................................... 1 1.3 复合地基的发展概况 .............................................................................................. 2 1.4 CFG 桩复合地基 .................................................................................................... 4

1.4.1 CFG 桩复合地基及其发展概况 ................................................................. 4 1.4.2 CFG 桩复合地基工作原理 ......................................................................... 4 1.4.3 CFG桩复合地基工程特性 .......................................................................... 5 1.5 本文主要内容 .......................................................................................................... 7 2 工程概况 ............................................................................................................................. 9

2.1 工程简介 .................................................................................................................. 9

2.1.1 项目概况 ....................................................................................................... 9 2.1.2 场地周边情况 ............................................................................................. 10 2.2 工程地质和水文地质条件 .................................................................................... 10

2.2.1 地形地貌 ..................................................................................................... 10 2.2.2 工程地质条件 ............................................................................................. 10 2.2.3 水文地质条件 ............................................................................................. 10

3 CFG桩复合地基施工工艺的选择与设计参数的确定 .................................................... 12

3.1 CFG桩施工工艺的选择 ....................................................................................... 12 3.2 设计参数的确定 .................................................................................................... 12

3.2.1 CFG桩复合地基构造要求 ........................................................................ 12 3.2.2 设计参数的确定 ......................................................................................... 13

4 CFG桩复合地基的设计计算 ............................................................................................ 14

4.1 设计依据与要求 .................................................................................................... 14

4.1.1 设计依据 ..................................................................................................... 14 4.1.2 设计要求 ..................................................................................................... 14 4.2 设计计算 ................................................................................................................ 14

4.2.1 CFG桩复合地基设计要点 ........................................................................ 14 4.2.2 CFG桩复合地基设计思想 ........................................................................ 14 4.2.3 设计计算步骤 ............................................................................................. 15 4.2.4 桩端持力层的选择 ..................................................................................... 15 4.2.5 桩长、桩径的确定 ..................................................................................... 15 4.2.6 计算单桩承载力 ......................................................................................... 16 4.2.7 根据单桩承载力标准值计算置换率（m） ............................................ 18 4.2.8 计算桩间距（s） ..................................................................................... 18 4.3 复合地基承载力特征值的验算 ............................................................................ 19 4.4 复合地基沉降验算 ............................................................................................. 19

4.4.1 沉降验算公式 ............................................................................................. 19 4.4.2 沉降验算 ..................................................................................................... 23

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5 CFG桩复合地基施工 ........................................................................................................ 27

5.1 CFG桩施工工艺 ................................................................................................... 27

5.1.1 CFG桩施工前的准备工作 ........................................................................ 27 5.1.2 CFG桩施工 ................................................................................................ 27 5.1.3 CFG桩施工工艺对施工质量的影响 ........................................................ 28 5.1.4 CFG桩施工质量控制措施 ........................................................................ 29 5.2 CFG桩复合地基清土及桩头处理技术 ............................................................... 30

5.2.1 弃土清运 ..................................................................................................... 30 5.2.2 桩头处理 ..................................................................................................... 30 5.3 褥垫层铺设及质最控制技术 ............................................................................. 31 5.4 CFG桩复合地基施工检测及验收 .................................................................... 31

5.4.1 CFG桩复合地基施工检测 ........................................................................ 31 5.4.2 CFG桩复合地基施工验收 ........................................................................ 32

结 论..................................................................................................................................... 33 致 谢..................................................................................................................................... 34 参考文献 ................................................................................................................................. 35

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1 绪 论

1.1 选题背景及意义

高层建筑荷载大、重心高，对地基强度与变形要求均很高。当天然地基不能满足要求时，多采用桩基础或桩-箱基础，但需耗费大量的钢筋、水泥，造价很高。当地基土具有一定强度时，可采用 CFG 桩复合地基。CFG 桩意即水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺适量水泥加水拌合，用各种成桩机械制成的可变强度桩。通过调整水泥掺量及配比，其强度等级在 C5～C25 之间变化，是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型。CFG 桩利用工业废料粉煤灰，不配筋并能充分发挥桩间土的承载力，工程造价低廉，可节省投资 30%～40%，施工速度快、工期短、质量容易控制，比传统的桩基础具有明显的优势。CFG 桩的适用范围较广，就基础型式而言，CFG 桩既可适用于条形基础、基础，也可以用于筏基和箱形基础；就土性而言，CFG 桩可用于处理黏性土、粉土、砂土、回填土和淤泥质土等地基；既适用于挤密效果好的土，又适用于挤密效果差的土；具有加速土体固结、沉降变形小、沉降稳定快等特点。如能很好地应用于工程实际，必将产生显著的经济效益、社会效益和环境效益。

CFG桩复合地基适用性广，从而在工程建设中得到广泛的应用。由于CFG桩是上世纪九十年代发展起来的一种新型地基处理技术，还处于进一步的研究和发展阶段，各种设计方法和理论还需要不断的提高和完善。用已有的理论成果对实际工程进行设计和验算，不断验证理论的可行性，有着很大的理论及社会意义。

1.2 复合地基概述

复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体(天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体和竖向增强体复合地基。

水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料格栅等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩，竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。

散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度，单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料桩复合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。

柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定粘结强度，柔性桩中部分强度较高的桩(如粉喷桩)已较强地表现出桩的性状。柔性桩复合地基的承载力由桩体和桩间土共同承担。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰土桩、石灰桩、水泥土桩等。

刚性桩复合地基的桩体通常以水泥为主要的胶结材料，有时由混凝土、或由混凝土和其他掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩土共同作用，通常在桩顶设置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基具有更高的承载力和压缩模量，而且复合地基承载力也具有较大的调整幅度。

从上个世纪 60 年代复合地基概念提出到目前国内外的广泛应用，前后只有不到五十年

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的时间，但在这短短的几十年中复合地基理论的发展却极为迅速。原因之一就是它引入了桩体和土体相互作用、相互受力的概念，力求把天然材料和人工材料的潜力发挥到极至，是实用性和经济性二者的完美结合。但由于桩土材料性质的差异，造成复合地基形式的千变万化，进而不可避免地带来许多问题，其应力、变形等性状还需进一步深入研究。

1.3 复合地基的发展概况

现代地基处理技术应从19世纪30年代欧洲应用砂桩算起。德国S．Steuerman在 l930 年提出采用振冲法加密砂性土原理。1933 年，德国的 J．Keeller 制成了第一台振冲器，并于 1935 年在牛伦堡用于加固松散粉砂地基，并在美国、欧洲、日本等地得到应用。1960 年左右在英国开始将振冲法应用于粘性土地基。不久，在德国、美国和日本也用于加固软填土地基。1976 年下半年，南京水利科学研究所和交通部水运规划设计院共同研究振冲法加固填土地基技术，1977年试制造出我国第一台 13kW 振冲水冲器，1977 年 9 月首先用于

[1]

南京船体车间软粘土地基加固，加固深度 l3 到 18 米。

[2]

1979 年 Hooper 教授根据有限元的模拟分析指出，为了得到竖向刚度较大的桩-土复合地基而需的桩数并不多，桩数的进一步增加对减少最大沉降和差异沉降作用并不大。

[3]

1980 年澳大利亚著名学者 H．G．Poulos 教授根据筏-桩-土相互作用的分析提出了仅用于减少沉降的桩基础的沉降公式。

上世纪 80 年代初在瑞典进行了大量的有关减少沉降的复合地基桩基基础理论和现场试验系统研究，并由 J&W 设计顾问提出了 Creep Pile(屈服桩，或蠕变形桩)的设计概念和

[2]

方法，在瑞典得到了应用和发展。其设计基本原则是：最大限度的发挥桩的承载力，使桩的安全系数为 1.0。

上世纪七八十年代英国建筑研究所对桩-筏基础进行了一系列的实测试验、室内模型试验和理论研究。1986 年，R．W．Cooke 总结了对伦敦硬土地区高层建筑桩基础研究的几十年成果，认为按照目前强度控制的桩基常规设计方法的桩基础的实际安全系数要远大于设计中所选取的 2 或 3，并指出，在桩基础纯粹用来减少基础沉降的地方，均质土中模型试验表明，在桩间距为 4 倍桩径时再加入更多的桩减少沉降作用并不显著。试验结果和简单的

[4]

分析都表明，6 倍和 8 倍桩径的桩间距几乎与较小桩间距一样有效。

1979 年童翊湘基于群桩基础工作机理的分析，提出了分不同情况按沉降设计桩基的初步想法，例如，当容许建筑物产生较多下沉，仅天然地基不满足要求而采用桩基础时，可令土与桩共同承担外荷载，土的容许应力为 60～80kPa，余下的荷载由桩来承担，每根桩可发挥极限承载力，同时应验算整个桩基的整体强度；在估算桩基下沉时，要考虑土与桩两者共

[5]

同传来的应力。

复合地基的概念形成于 60 年代，且已经成为很多地基处理方法的分析及理式建立的基础及根据。这最早产生于砂桩加固地基的分析，随后广泛地应用于土桩、碎石桩、深层

[5]

搅拌桩、石灰桩等加固的理论分析之中。

由于地基处理技术应用的时间不长，相比较而言复合地基理论落后于实践，复合地基作用机理及设计理论的研究正处于发展之中，尚不够成熟。

以下就散体材料桩、柔性桩及刚性桩复合地基的发展概况作简要的介绍。散体材料桩主要包括砂桩和碎石桩。在长时间内由于没有实用的设计计算方法，缺少先进的施工工艺和施工设备而影响了它的发展。二次世界大战之后，前苏联在这方面的研究取得了较为广泛的应用。砂桩在上个世纪 50 年代引进我国，在工业和民用建筑，交通，水利等工程建设中都得到了应用。尤其是在近 20 年来，采用砂桩加密松散砂土地基，软土地基，或防止砂土振动液化等发展尤为迅速。

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振冲法应用于粘性土地基时，填入石料的桩体称为碎石桩，这些桩体与原地基土一起构成复合地基，该方法称为振冲碎石桩法。振冲碎石桩法与振冲砂桩一样，除对桩间土的挤密

[6]

作用外桩土同时具有置换作用和排水作用。

自 1977 年 9 月振冲碎石桩用于南京船厂船体车间软粘土地基加固开始，根据不完全统计，我国已经有 2100 台振冲器投入工程使用，振冲加固总进尺约2 亿2 千万延米，与旧有地基处理方案相比节约了处理投资数十亿元，同时大幅度缩短了工程的施工工期，节省了大量的“材料”，为国家取得了重大经济效益，1978 年 9 月制定了《振冲碎石桩加密砂

[7]

基暂行施工操作规程》。在北方，重点对地震区易液化的砂性土振冲置换加固地基进行了工程应用和研究。在南方，重点对饱和软弱的粘性土进行设计计算方法研究。1979 年至 1982 年间，振冲法被大量采用，应用到强度大于 15.4kPa 的地基，加固机理及大量室内模型研

[7]

究取得了显著成果，推动了振冲地基的理论发展。

柔性桩复合地基主要包括土桩及灰土桩复合地基、石灰桩复合地基、深层搅拌水泥土复合地基和高压旋喷桩复合地基。土桩挤密法是前苏联别列夫教授1934年首创，并在工程建

[8]

设中得到广泛应用。我国自 50 年代中期开始，在西北黄土地区进行了土桩挤密法研究和应用。60 年代中期，西安地区在土桩挤密法的基础上成功地应用了灰土挤密桩法，并在 70 年代起逐步推广应用。国家行业标准《建筑地基处理技术规范》中已经编入土桩和灰土桩适

[9]

用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土地基。

[10]

石灰桩最早在我国应用。如今，石灰桩已大量应用于工程实践，取得了非常成功的经验。

[10]

深层搅拌法的室内试验和机械研制工作，于 1977 年 10月，由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行，并于 1980 年初在上海宝山钢铁总厂第五冶金建设公司在三座卷管设备基础软土地基加固工程中正式采用并获得成功，同年 11 月由冶金部基建局主

[11]

持，通过了“饱和软土深层搅拌加固法”鉴定。

关于水泥土桩复合地基进行了大量的室内外试验研究、理论分析及数值模拟，取得了一

[1]

大批成果，使得深层搅拌水泥土桩的设计理论趋于成熟。张土乔对水泥的不同掺量龄期强度进行了大量试验，得到其应力应变关系及水泥土搅拌桩的破坏特性。

[12]

刚性桩复合地基的设计思想由中国建筑科学研究院黄熙龄院士提出，中国建筑科学研究院地基基础研究所于 1991 年开发成功 CFG 桩复合地基。CFG 桩复合地基与一般桩基有明显不同。为提高复合地基承载力、减少沉降，将碎石中掺入水泥、粉煤灰和石屑，形成粘结强度较高的 CFG 桩，具有刚性桩的性状。为保证桩、土能共同作用，在桩顶铺设一定厚度的沙石褥垫层，以利于桩顶向上刺入，由桩体、桩间土和褥垫层一起构成了 CFG 桩复合地基。

[12]

阎明礼、吴春林、张东刚等对 CFG 桩复合地基进行了系统的研究。阎明礼对 CFG 桩

[13]

的作用机理，设计方法进行了全面的阐述。吴春林采用 CFG 桩加固软粘土，也取得较好

[14]

的效果。他还讨论了 CFG 桩复合地基承载力的简易计算方法。张雁也对 CFG 桩复合地基性状进行了分析。

[15]

褥垫层计算是刚性桩复合地基设计的重要内容。阎明礼研究了 CFG 桩复合地基中褥

[16][17]

垫层技术。李宁采用数值方法对复合地基中褥垫层的作用机理进行了研究，毛前、化建新也探讨了褥垫层的作用。

除 CFG 桩复合地基外，还开发了很多刚性桩复合地基，例如二灰混凝土桩复合地基、粉煤灰混凝土桩复合地基及其他低标号混凝土桩复合地基等。

除了以上所述对散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基所作的一些试

[16]

验研究、理论计算外，采用数值方法分析复合地基的作用机理的研究工作也不少。李宁采用数值试验模型，对不同种类的复合地基进行了全面系统的数值仿真，探讨了单桩复合地

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基相互作用的机理、荷载传递的性状及附加应力的分布规律。

总而言之，由于复合地基中增强体材料种类较多，导致增强体刚度变化很大，渗透固结特性差别较大，而地基土性质也相差甚远，因此各类增强体复合地基作用机理各不相同，寻求统一的设计计算理论是不现实的。由于工程建设需要使得各种新的地基处理方法应运而生，然而复合地基的理论远落后于实践，相信随着研究的深入，各类复合地基的作用机理及设计计算理论会日趋成熟。

1.4 CFG 桩复合地基

1.4.1 CFG 桩复合地基及其发展概况

CFG 桩[全称水泥粉煤灰碎石桩(Cemnet Flyash Gravel Piles)]，是由碎石、石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和，用各种成桩机械在地基中制成的强度为 C5～C30 的桩。

这种处理方法是通过在碎石体中添加以水泥为主的胶结材料，添加以增强混合料的和易性并有低标号水泥作用的粉煤灰，同时还添加适量改善级配的石屑，从而使桩体获得胶结强度并从散体材料桩转化为具有某些刚性桩特点的高粘结强度桩。

不同于碎石桩等散体材料桩，在竖向荷载作用下，CFG桩桩身横向变形不显著，不会如碎石桩般出现鼓胀破坏，并可全桩长发挥侧摩阻力。桩落在好土层上具有明显的端承力，桩承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端阻力传到深层地基中，其复合地基承载力可大幅度提高。另外,CFG 桩没有像碎石桩那样的临界桩长，它可以把外荷载传到深层地基。其与钢筋混凝土桩相比，桩体强度和刚度要小得多。这样有利于充分发挥桩体材料的潜力，降低地基处理费用。

[2]

CFG 桩复合地基是由 CFG 桩、桩间土和褥垫层一起构成的刚性桩复合地基。CFG 桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题，于 1988 年立题进行试验研究，并应用于工程实践。

CFG 桩复合地基成套技术，1994 年被建设部列为全国重点推广项目，被国家科委列为国家级全国重点推广项目。1997 年被列为国家级工法，并制定了中国建筑科学研究院企业标准，现已列入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)。为进一步推广这项技术，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究，并列入“九五”国家重点攻关项目。1999 年 12 月通过国家验收。该技术已在全国 23 个省、市广泛应用，据不完全统计，该技术已在 1000 多个工程中应用。和桩基相比，由于水泥粉煤灰碎石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 1/3～1/2，经济效益和社会效益显著。

1.4.2 CFG 桩复合地基工作原理

CFG 桩是在碎石桩的基础上发展起来的复合地基刚-半刚性桩。

利用碎石桩加固地基,在砂土和粉土中效果明显，但将碎石桩应用于塑性指数较大、挤密效果明显的黏性土，地基承载力提高幅度不大。碎石桩是散体材料,材料内部不存在黏结力,主要依靠周围土的约束传递基础传来的垂直荷载。土越软对桩的约束作用就越差,桩传递垂直荷载的能力越弱。近年来的工程实践表明，碎石桩主要受力区在 4 倍桩径范围内，沿桩长方向轴向和侧向应力迅速衰减，因此增加桩长对提高复合地基强度作用不大，其桩土应力比一般为 1.5～4.0，要提高地基强度，惟有提高置换率。

CFG 桩复合地基由 CFG 桩体、桩间土和褥垫层三部分组成（如图1-1所示）。CFG 桩体

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主要材料为碎石，石屑为中等粒径骨料，可改善级配；粉煤灰具有细骨料和低标号水泥的作用。CFG 桩因自身有一定黏结强度,故可在桩体全长范围内受力，能充分发挥桩周摩阻力的作用，桩端落在好土层也可很好地发挥端阻作用。

CFG 桩复合地基的加固机理是：当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的变形模量远比土的变形模量大，所以桩比土的变形小，由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，垫层中垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。同时，土由于桩的挤密作用而提高了承载力，而桩又由于其周围土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；桩土应力比一般为 10～40。

CFG 桩与桩间土一起通过褥垫层形成 CFG 桩复合地基，通过设置褥垫层，可保证桩与土共同承担荷载。同时，桩体具有一定的排水作用，可加快软土的固结。CFG 桩复合地基可以通过改变桩长、桩距、褥垫层厚度和桩体材料配比来调整软土工程性质，可调性高、变形小。它能最大限度地利用 CFG 桩本身的单桩承载力，达到控制沉降的目的，又可充分发挥天然地基土的作用，达到疏化桩基，有效降低工程造价的目的。

基础褥垫层土层CFG桩图1-1 CFG桩复合地基示意图

1.4.3 CFG桩复合地基工程特性

CFG 桩复合地基由桩、桩间土及褥垫层构成，褥垫层将上部基础传来的基底压力(或水平力)通过协调变形，以一定的比例分配给桩及桩间土，使二者共同受力，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桩复合地基承载情况如图1-2所示。

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σσσ桩间土桩体桩间土

图1-2 CFG 桩复合地基承载力示意图

CFG 桩复合地基效应主要有以下几种： 1.4.3.1 桩体作用

（1）对地基土具有一定的挤密作用

对于散填土、松散粉细砂、粉土，由于振动沉管桩的振动和侧向挤压作用使桩间土孔隙比减小，含水量降低，土的干密度和内摩擦角有所增加，土的物理力学性能得到改善，从而提高桩间土的承载力。

（2）桩体的排水作用

CFG桩复合地基在成桩初期，因桩孔内和周边充填过滤性较好的粗颗粒填料，在地基中就形成了渗透性能良好的人工竖向排水、减压的通道，使孔隙水沿桩体向上排出，可以有效地消散和防止振冲产生的超孔隙水压力的增高，加速地基的排水，这种排水作用不但不会降低桩体强度，而且可以使土体强度恢复并超出原土体天然承载力。

（3）预震效应

CFG桩复合地基成桩过程中，若采用振动沉管灌注成桩施工工艺，振冲器以一定的振动频率或冲击水平向加速激振土体，使填料和地基土在提高相对密实度的同时获得强烈的预震。提高了砂土抗液化能力。

（4）桩的置换作用

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，生成不溶于水的稳定结晶化合物，它能使桩体的抗剪强度和变形模量大大提高，所以在荷载作用下，桩的压缩性明显比桩间土小，因此基础传给复合地基的附加应力，随地层的变形逐渐集中到桩体上，出现了应力集中现象，大部分荷载将由桩周和桩端承受，桩间土应力相应减小，于是复合地基的承载力比原有地基承载力有所提高。

（5）对桩周土的约束作用

在无侧向约束的土体，受荷后其侧向变形比有侧向约束的大，从而使垂直应力集中，由于桩对桩周土体侧向变形的，使侧向变形减小，相应地也减小了垂直变形。 1.4.3.2 褥垫层的作用及其合理厚度

这里所说褥垫层不是基础施工经常做的厚的素混凝土垫层，而是由粒状材料组成的散体垫层，其作用可以概述为以下几个方面。

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（1）保证桩与土共同承担荷载 若基础下面不设置褥垫层，基础直接与桩和桩间土接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩基差不多。在给定荷载作用下，桩承受较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。其时程曲线的特点是土承担的荷载随时间增加逐渐增加，桩承担的荷载随时间增加逐渐减少。

如果桩端落在坚硬土层或岩石上，桩的沉降很小，桩上的荷载向土体转移数量很小，桩间土承载力很难发挥。

当基础和桩之间设置了一定厚度的褥垫层后，基础传来的荷载首先作用在褥垫层上，然后通过褥垫层将荷载传递到桩和桩间土上，然而由于桩间土的抗压刚度远小于桩的抗压刚度，桩顶产生应力集中，桩向上刺入，同时褥垫层产生向下的位移压缩桩间土。因此，桩和桩间土自始至终都参与承担荷载。

（2）调整桩与桩间土之间竖向荷载的分担比例 桩与桩间土的竖向荷载分担比例与面积置换率、桩的类型、桩间土的物理力学性质以及褥垫层的厚度等因素有很大的关系，其中褥垫层厚度是个不可忽视的重要因素。在其它条件不变的情况下，增加褥垫层的厚度，可以使桩顶与褥垫层接触的局部产生更大的压缩量，即桩顶向上刺入量加大，从而使褥垫层与桩间土接触更加紧密，因此，提高了桩间土的竖向荷载分担比例。反之，减小褥垫层的厚度，可以提高桩的竖向荷载分担比例。

（3）调整桩与桩间土之间水平荷载的分担比例

当褥垫层厚度增大到一定值时，桩受的水平荷载很小，水平荷载主要由桩间土承担。基础受水平荷载的作用时，不会发生桩的折断。

（4）减小基础底面的应力集中，降低桩对基础的冲切破坏。

由前面的讨论可知，褥垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，需考虑桩对基础的冲切，势必导致基础加厚。如果基础承受水平荷载作用，可能造成复合地基中桩发生断裂。而且褥垫层厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。

若褥垫层厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近了。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了意义。这样设计的复合地基承载力，不会比天然地基有较大的提高，而且建筑物的变形也大。

综合以上分析，参考大量的工程实践总结，即考虑到技术上可靠，经济上合理，褥垫层厚度取10～30cm为宜。

1.5 本文主要内容

本文根据拟建工程场地的工程地质和水文地质条件，结合开挖基坑的深度、面积、工程要求、承载条件及周边环境，选择合适的设计方法和合理的计算模式，根据相关地基处理理论和《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）、《建筑地基处理技术规范》（JGJ9-2002）等相关技术规范进行CFG桩复合地基实际工程设计和计算。

本文的主要内容包括： （1）绪论

明确选题背景及意义，概括了复合地基及其发展，系统介绍了CFG桩复合地基承载特性及作用机理。

（2）工程概况

简单介绍了拟建工程所处的地理位置和周边环境，介绍场地工程地质和水文地质条件，给出了地基地层相关力学参数。

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（3）CFG桩复合地基施工工艺的选择与设计参数的确定

简单介绍几种CFG桩复合地基处理施工工艺及其相应的特点，通过比较分析，并结合拟建工程的工程地质和水文地质等条件，选择合理的施工工艺；通过CFG桩复合地基的一些基本构造要求，确定合理的桩长、桩径等参数。

（4）CFG桩复合地基的设计计算

概括了CFG桩复合地基的设计要点与设计思想，根据设计要求及相关规范对CFG桩复合地基进行设计，验算相应复合地基的承载力与沉降量。

（5）CFG桩复合地基施工

简单介绍了CFG桩复合地基的施工工艺，分析了CFG桩复合地基施工工艺对施工质量的影响，并给出了相应的控制措施。介绍了CFG桩复合地基清土、桩头处理及褥垫层的铺设和质量控制技术，最后介绍了CFG桩复合地基施工检测和验收的内容。

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2 工程概况

2.1 工程简介

2.1.1 项目概况

常营C地块A05号住宅楼位于北京市朝阳区常营乡，南临常营南路、东为草房西路、北侧为朝阳北路。

朝 阳 北 路常营地块05号住宅楼草房西路

图2-1 常营C地块A05号住宅楼基坑平面图

根据北京市住宅建筑设计研究院有限公司提供的资料，有关A05号楼具体指标如表（2-1）所示。

表2-1 A05号楼具体指标

项目名称 A05 地上 层数 12/14/16 地下 层数 2 正负零标高 （m） 28.90 垫层底标高 （m） 20.50 要求复合地基承载力特征值fspk （kPa） 180

根据中国兵器工业北方勘察设计研究院提供的岩土工程勘察报告的结果及北京市住宅建筑设计研究院有限公司施工图设计中的基础图的要求，拟建物天然地基承载力不满足设计要求，需对地基进行处理。

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2.1.2 场地周边情况

该工程场地周边主要是居民区，没有别的重要建筑物，也没有河流、湖泊等，影响工程的情况很少，地形平坦。

但本工程地基土层分布复杂、不均匀，总体呈现软弱状态，压缩性不连续，强度变化异常，软弱土层的厚度较大、灵敏度较高，有流塑状态的粉质粘土等，所以地基承载能力也相对较低，需要对原地基进行处理。

2.2 工程地质和水文地质条件

2.2.1 地形地貌

拟建场地位于北京永定河冲洪积平原的中下部，地形基本平坦，地面标高在26.54～27.96m之间。

2.2.2 工程地质条件

与地基处理有关的地层（-8.0m以下）自上而下为： 粉质粘土○31层：黄色，含云母、氧化铁、姜石。可塑，搞压缩性。平均厚度1.3m。

32层：黄色，含云母、氧化铁。可塑，饱和，夹粘质粉土薄层，砂质粉土、粘质粉土○

中高—中压缩性。平均厚度4.7m。

4层：平均厚度3.3m。 细砂○

41层：灰色—黄色，含云母，有机质。饱和，可塑，中高压缩性。平均厚度粉质粘土○

3.7m。

42层：黄色，含云母、氧化铁。可塑，中高压缩性。平均厚度4.1m。 砂质粉土○

各土层的物理力学参数详见表2-2。

表2-2 各土层物理力学参数

土层名称 31层 粉质粘土○32层 砂质粉土、粘质粉土○4层 细砂○41层 粉质粘土○42层 砂质粉土○注：

层厚 （m） 1.3 4.7 3.3 3.7 4.1 fak （kPa） 120 160 200 160 200 压缩模量 （MPa） 5.8 18.5 25.0 8.2 17.7 极限侧阻力qsi （kPa） 60 60 45 55 60 极限端阻力qpk （kPa） 800 fak为基础底面下各土层天然地基承载力特征值。

2.2.3 水文地质条件

第1层水为潜水层，水位埋深绝对标高为22.55m～25.53m（埋深1.30m～4.72m）；

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3层，水位埋深绝对标高为15.23m～20.19m（埋第2层水为微承压水，含水层为细砂○

深7.0m～11.80m）；

4层，水位埋深绝对标高为9.24m～14.57m（埋深第3层水为微承压水，含水层为细砂○12.57m～17.90m）；

5层，水位埋深绝对标高为1.33m～7.46m（埋深第4层水为微承压水，含水层为细砂○

19.85m～25.80m）；

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3 CFG桩复合地基施工工艺的选择与设计参数的确定

3.1 CFG桩施工工艺的选择

水泥粉煤灰碎石桩的施工，应根据设计要求和现场地基地层土的性质、地下水埋深、场 地周边是否有居民区、有无对振动反应敏感的设备等多种因素选择施工工艺。

水泥粉煤灰碎石桩的施工，应根据现场条件选用下列施工工艺：

（1） 长螺旋钻孔灌注成桩，适用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等密实的砂土；

（2） 长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，适用于粘性土、粉土、砂土，以及对噪声 或泥浆污染要求严格的场地；

（3） 振动沉管灌注成桩，适用于粉土、粘性土及素填土地基。

若地基土是松散的饱和粉细砂、粉土，以消除液化和提高地基承载力为目的，此时应选择振动沉管打桩机施工；振动沉管灌注成桩属挤土成桩工艺，对桩间土具有挤（振）密效应。但振动沉管灌注成桩工艺难以穿透厚的硬土层、砂层和卵石层等。在饱和粘性土中成桩，会造成地表隆起，挤断已成桩，且振动和噪声污染严重，在城市居民区施工受到。在夹有硬的粘性土时，可采用长螺旋钻机引孔，再用振动沉管打桩机制桩。

长螺旋钻孔灌注成桩适用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等密实的砂土，属非挤土成桩工艺，该工艺具有穿透能力强、无振动、低噪声、无泥浆等特点，但要求桩长范围内无地下水，以保证成孔时不塌孔。

长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩工艺，是国内近几年来使用比较广泛的一种新工艺，属非挤土成桩工艺，具有穿透能力强、低噪声、无振动、无泥浆污染、施工效率高及质量容易控制等特点。

长螺旋钻孔灌注成桩和长螺旋钻成孔、管内泵混合料成桩工艺，在城市居民区施工，对周围居民和环境的不良影响较小。

在满足结构设计对地基荷载和沉降要求的前提下，为符合现场施工条件和环境，优化施工技术，施工工期合理，在保证安全、可行的基础上，尽量降低工程造价。本工程采用长螺旋钻成孔、管内泵混合料成桩工艺。

3.2 设计参数的确定

3.2.1 CFG桩复合地基构造要求

（1)桩径d：宜取350～600mm，桩径过小，施工质量不易控制，桩径过大，需加大褥垫层厚度才能保证桩土共同承担上部结构传来的荷载。

（2)桩距s： 应根据设计要求的复合地基承载力、建筑物控制沉降量、土性、施工工艺等确定，宜取3～5倍桩径。设计的桩距首先要满足承载力和变形的要求。从施工角度考虑，尽量选用较大的桩距，以防止新打桩对已打桩的不良影响。

（3)桩长l： :桩长应根据施工成孔机械的钻入能力和可作桩端持力层的上层理深及基础设计时需要的复合地基承载力标准值和由下卧层验算得出的最小处理厚度来确定。

（4)褥垫层厚度h： 一般取100～300mm, 当桩距较大时，褥垫层厚度可适当加厚。

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（5)褥垫层材料：选用级配良好的砂石，其中卵石或碎石含量占全重的30%～50%，若使用粉细砂时，应掺入25%～30%的卵石或碎石。

（6)桩的平面布置：一般只在基础底板平面范围内布桩，沿轴线对称布置。基础和筏形基础的基础边缘到桩的中心距一般为一个桩径，或基础边缘到桩的边缘最小距离不宜小于150mm，对条形基础不宜小于75mm。

3.2.2 设计参数的确定

根据场地工程地质和水文地质条件，拟建工程采用基础下满堂红正方形布桩。 持力层的选取及桩长、桩径见表（3-1）：

表3-1 持力层及桩径、桩长

持力层的选取 4层 细砂○有效桩长 （m） 8.0 桩径 （mm） 415 桩顶标高 （m） 20.50

桩体材料：C15，坍落度180～200mm。

褥垫层：200mm厚碎石。

复合地基承载力特征值：180kPa。

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4 CFG桩复合地基的设计计算

4.1 设计依据与要求

4.1.1 设计依据

CFG桩复合地基设计的主要依据是项目场地的工程地质条件、水文地质条件及工程特点，拟建工程结合中国兵器工业北方勘察设计研究院提供的岩土工程勘察报告的结果及北京市住宅建筑设计研究院有限公司施工图设计中的基础图的要求，依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）、《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）等相关规范进行设计。

4.1.2 设计要求

地基处理的目的就是改善原有地基的承载条件，地基沉降，使其满足工程要求。根据工程场地条件和荷载条件，本工程要满足以下两个设计要求：

1.地基处理后，复合地基承载力特征值≥180kPa；

2.复合地基长期最大沉降量小于50mm，倾斜变形小于0.002。

4.2 设计计算

4.2.1 CFG桩复合地基设计要点

复合地基设计除满足复合地基承载力和变形条件外，还要考虑以下诸多因素进行综合分析，确定设计参数：

（1） 施工设备和施工工艺；

复合地基设计时需考虑采用何种设备和工艺进行施工，选用的设备穿透土层能力能否满足最大施工桩长的要求，施工时对桩间土和已打桩是否会造成不良影响；

（2） 场地土质变化； （3） 场地周围环境；

（4） 建筑物结构布置及荷载传递； （5） 地基处理目的。

设计时必须明确地基处理是为了解决地基承载力问题、变形问题还是液化问题，解决问题的目的不同采用的工艺、设计方法、布桩形式均不同。

4.2.2 CFG桩复合地基设计思想

在一般的混凝土桩基工程中，桩可承受垂直荷载也可以承受水平荷载，其传递水平荷载的能力远小于传递垂直荷载的能力，设计时采用桩基让桩承受垂直荷载是扬其长，承受水平荷载是用其短。刚度相比较低的CFG桩复合地基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设计思想。CFG桩复合地基的设计思想可以体现在其传递水平荷载和垂直荷载的工作特性上。

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1.褥垫层调整桩和桩间土水平荷载分担

当基础受垂直荷载P和水平荷载作用Q作用时，有三部分力与其平衡，其一是基础底面摩阻力Ft，其二是基础两侧面的摩阻力F1，其三是与Q作用面相平行的基础侧面上方向与Q相反的土阻力R。基底摩阻力Ft传递到桩和桩间土上，桩顶剪应力为τP，桩间土剪应力为τS。由于CFG桩复合地基置换率一般不大于10%，则有不低于90％的基底面积的桩间土承担了绝大部分水平荷载，而桩承担的水平荷载则占很小一部分。桩土剪应力比(τP／τS)随褥垫层增大而减小，设计时可通过改变褥垫层厚度调整桩土水平荷载分担比。按这一设计思想，复合地基水平承载能力比传统桩基设计思想有相当大的增值。

2.“疏桩理论”调动桩间土承载力承担垂直荷载

CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可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能力充分利用，不足的部分由CFG桩来承担，由于CFG桩复合地基置换率不高，基础下桩间土的面积和使用的桩间土承载力之积是一个不小的数值。总的荷载扣除桩间土承担的荷载，才是CFG桩应承担的荷载，显然，与传统的桩基设计思想相比，桩的数量可以大大减少。

此外，与混凝土桩相比，CFG桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰和石屑做为掺加剂，大大降低了工程造价，因而较桩基础经济。由于桩身承载力较高，即使在软土地区，也可获得较高的复合地基承载力，且承载力可调幅度较大，通常可达200kPa～600kPa。复合地基压缩模量也较大，因而沉降变形很小。

CFG桩复合地基设计，必须同时满足强度和变形两个条件。强度控制设计是以复合地基承载力特征值为控制指标，通过复合地基变形验算来核定或调整;变形控制设计则是以复合地基沉降量为控制指标，通过复合地基承载力验算来核定或调整。

4.2.3 设计计算步骤

CFG桩加固地基主要依靠桩体将上部结构的荷载传递到地基深处较好的土层，同时通过在桩和基础之间设置的柔性褥垫层 （材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石等，最大粒径不宜大于30mm），人为地为桩提供可向上刺入的条件，使得桩间土由于褥垫层材料的流动补偿始终与基础底面保持接触，从而充分利用了天然地基的承载力，减少了桩体分担总荷载的比例，为了使天然地基的承载力能得到最大程度的发挥，CFG桩应尽可能以采用较小的桩径、较大的桩距的原则，一般置换率控制在5%～10%左右。本次设计计算步骤见图4-1。

4.2.4 桩端持力层的选择

根据拟建场地的地质资料分析结果，工程基底下有较厚的砂质粉土、粘质粉土，这些土

4层是较好的桩端持力层，4层为本层将是地基沉降的主要来源。粘质粉土下的细砂○选细砂○

次设计的桩端持力层。

4.2.5 桩长、桩径的确定

桩长、桩径的选择属于桩型选择的范畴，选择时应考虑上部结构的要求、地质条件、环境要求、施工条件及质量控制，以及工程造价等因素。选择的主要依据是上部结构的形式、荷载、地质条件和环境条件以及当地的桩基施工技术能力与经验等。

根据工程勘察报告所述的工程地质条件和水文地质条件，考虑到拟建物施工的具体条件，对照所选的桩端持力层，选用有效桩长8．00ｍ，保护桩长50cm，桩径415mm，褥垫层铺设200mm，采用基础下满堂红正方形布桩。

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选定持力层 确定桩长、桩径 计算单桩承载力（公式（4-2）、（4-3）） 根据复合地基强度计算置换率（公式（4-4） 计算桩间距（公式（4-5）） 验算复合地基承载力特征值(公式（4-4)） 验算复合地基沉降（公式（4-8）、（4-10）） 否 是否符合规范及设计要求

是 结 束

图4-1 CFG桩复合地基设计计算步骤

4.2.6 计算单桩承载力

单桩竖向承载力Ra宜由软土地区桩的静荷载试验确定。当采用单桩静荷载试验求得单桩极限力后，也可以按下式计算Ra

RaQuk/k （4-1）

式中：

Quk——单桩极限承载力标准值(kN)； k——调整系数，宜取1.5～1.75，取2.0；

Ra也可以由以下两式计算，取其最小值：

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Rafcu,kAp （4-2） Ra(Up qlqA)/k （4-3）

siippi1n式中：

——强度折减系数，取0.30～0.33，本次设计取0.32；

fcu,k——桩体材料28天立方体试块（边长150mm）无侧限抗压强度，kPa，C15；

Ap——桩的横截面积，m2； Up——桩周长，m2；

n——桩长范围内所划分的土层数；

qsi——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，kPa，与第i层土的土性和施工工艺有关。

li——第i层土厚度，m；

qp——桩的极限端阻力标准值，kPa，与桩端土土性、桩入土深度和施工工艺有关。

相关计算参数见表4-1：

表4-1 土层参数的选取

土层名称 31层 粉质粘土○32层 砂质粉土、粘质粉土○4层 细砂○41层 粉质粘土○42层 砂质粉土○注：

层厚 （m） 1.3 4.7 3.3 3.7 4.1 fak (kPa ) 120 160 200 160 200 极限侧阻力qsi （kPa） 60 60 45 55 60 极限端阻力qp （kPa） 800 fak为基础底面下各土层天然地基承载力特征值。

根据拟建工程勘察报告及相关规范，选取参数值，求Ra。

Rafcu,kAp0.32150003.140.20750.2075 8.9kN17

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Ra(UpqsiliqpAp)/ki1n

3.140.415(1.3604.760245)3.140.20750.20758002 347.28kN根据以上计算结果并结合附近的试桩结果，综合选取单桩竖向承载力标准值Ra为

250.0kN。

4.2.7 根据单桩承载力标准值计算置换率（m）

在已知单桩承载力的条件下，可通过复合地基承载力标准值计算公式求置换率：

fspkmRa/Ap(1m)fsk （4-4）

式中：

fspk——复合地基承载力标准值，kPa，取复合地基承载力特征值（180kPa）；

m——面积置换率；

fsk——处理后桩间土承载力特征值，kPa，宜按当地经验取值，如无经验时，可取天

然地基承载力特征值。 取120kPa；

——加固后桩间土承载力标准值与天然地基承载力标准值之比，取1.0；

——桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95，

天然地基承载力较高时取大值。 取0.9。

即

180m250求得 m0.0413

(3.140.20750.2075)1.m00. 94.2.8 计算桩间距（s）

md/de （4-5）

式中：

d——桩的直径，m；

22de——等效影响圆的直径，m。

正方形布置桩时，

（4-6） de1.13s

即

0.04130.4150.415(1.s13s1.

s1.807m偏于安全，选取桩间距s为1.60m。

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4.3 复合地基承载力特征值的验算

复合地基承载力不是由天然地基承载力和单桩承载力的简单叠加，需要对如下的一些因素给予考虑：

(1)施工时对桩间土是否产生扰动和挤密，桩间土承载力有无降低或提高； (2)桩对桩间土有约束作用，使土的变形减少；

(3)复合地基中桩的Q-S曲线呈加工硬化型，比自由单桩的承载力要高；

(4)桩和桩间土承载力的发挥都与变形有关，变形小时桩和桩间土的承载力的发挥都不充分；

(5)复合地基桩间土的发挥与褥垫层的厚度有关。

综合以上因素，结合软土地区CFG桩复合地基的工程实践，对于CFG刚性桩复合地基

[18]

承载力特征值常采用牛志荣等改进的经验公式（4-4）进行估算。

由于复合地基承受的荷载达到其承载力的标准值时，桩体承载力和地基土承载力并非同时达到标准值，假设桩体达到承载力的标准值，而地基土尚未达到标准值，于是就出现了上式中的桩间土强度发挥系数，而值的取值显然与是否有褥垫层、褥垫层厚度、桩土刚度比、土质情况、成桩工艺等很多因素有关，还与建筑物对复合地基的沉降变形要求有关。

将已选取的桩距s代入公式公式（4-5），算得实际置换率m0.0599。 则

fsp,kmRa/Ap(1m)fak

0.0599250.0(3.140.20750.2075)1.00.9(10.0599)120 212kPa从而fsp,k212kPa180kPa，满足设计要求。

4.4 复合地基沉降验算

4.4.1 沉降验算公式

CFG桩复合地基的沉降S可以认为由下面三部分组成，见图4-2所示，即

SS1S2S3 （4-7） 式中：

S1——桩长范围内土的压缩变形，mm； S2——加固区下卧层的变形，mm； S3——褥垫层的压缩变形，mm。

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S3褥垫层的压缩变形S1桩长范围内土的压缩变形S2下卧层的变形

图4-2 CFG桩复合地基的沉降变形

由于褥垫层厚度不大，压缩变形量很小，因此可以忽略不计。从而在计算中，往往把复合地基的变形分为两部分：加固区的变形量S1和下卧层的变形量S2。

当前，复合地基变形计算的理论正处于不断发展和完善的过程，未能更精确的计算应力场而为沉降计算提供合理的模式，因而在实际工程中复合地基的变形计算多采用经验公式。

在工程中，应用较多的变形计算方法是复合模量法。计算时复合土层与天然地基相同，复合土层模量等于该天然地基模量的ξ倍（如图4-3），加固区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。

基 础123褥垫层基 础Es1Es2Es3Es4Es5Es6图4-3 各土层复合模量示意图

Es1 Es2Es3Es4Es5Es6

桩45620

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复合地基最终变形量可按下式计算：

n2n1P0PSsziizi1i10ziizi1i1 (4-8)

in11Esii1Esi式中：

n2——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，基础底面处的附加应力，kPa，180kPa；

——加固区土的模量提高系数， fspk/fak。其中fak为基础底面下天然地基承

载力特征值，kPa；

Esi——基础底面下第i层土的复合压缩模量值，MPa，桩长范围内的复合土层按复合

土层的压缩模量取值;

zi、zi1——基础底面至第i层、第i-1层底面的距离；

i、i1——基础底面计算点至第i层、第i-1层底面范围内平均附加应力系数，可通过计

算或查表得；

s——沉降计算修正系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，也可采用表4-2取

值。

表4-2 变形计算经验系数s取值

Es（MPa） 基底附加压力 2.5 1.4 1.1 4.0 1.3 1.0 7.0 1.0 0.7 15.0 0.4 0.4 20.0 0.2 0.2 P0fak P00.75fak

表4-2中，Es为变形计算深度范围内压缩模量的当量值。应按下式计算：

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EsAAEsiii （4-9）

式中：

Ai——第i层土附加应力系数沿土层厚度积分值；

复合地基变形计算深度必须大于复合土层的厚度，并应符合下式要求： sn0.025式中：

si——在计算深度范围内，第i层土的计算变形值，mm；

sn——在计算深度向上取厚度为z的土层计算变形值，mm，z见图4-4，其取

值按表4-3确定。

表4-3 z取值情况一览表

b／m b≤2 0.3 2＜b≤4 0.6 4＜b≤8 0.8 b＞8 1.0 s （4-10）

ii1nz／m

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天然地面标高基底标高zi-1bi-1层i 层an

图4-4 复合地基沉降计算示意图

znziai-1ai平均附加应力系数a曲线

4.4.2 沉降验算

（1）计算各土层的沉降量

根据北京住宅建筑设计研究院有限公司提供的基础平面设计图，拟建工程基础实际长度为91.0m，宽度为14.7m。计算时，l91.0/245.5m，b14.7/27.35m。

① 粉质粘土③1层：z00，z11.3m；l/b6.2，z0/b0，z1/b0.2，查表

l/b6.2，z0/b0时，0.2500 l/b6.2，z1/b0.2时，0.2498，

所以基底下z00范围内的040.25001.0000，z11.3m范围内的

140.24980.9992。fspk/fak1.77，所以

z23

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Ps10(1z10z0)Es10.18(0.99921.30)

1.775.822.8mm② 砂质粉土、粘质粉土③2层：z26m，l/b6.2，z2/b6/7.350.8，查表得

相应的0.2410，所以240.24100.90，

Ps20(2z21z1)Es2

0.18(0.906.00.99921.3)

1.7718.524.7mm③ 细砂④层：（a）处理层，z38m，l/b6.2，z3/b8/7.351.1，查表有 z/b1.0，l/b6.2时，0.2353 z/b1.2，l/b6.2时，0.2288 所以当l/b6.2，z/b1.1时，内插得相应的

0.2353(0.22880.2353)1.11.00.2321 ，则340.23210.9284，

1.21.0Ps30(3z32z2)Es30.18(0.92848.00.906.0)

1.7725.06.7mm（b）未处理层，z49.3m，l/b6.2，z4/b9.3/7.351.2，查表得相应的

0.2288，所以440.22880.9152，

Ps40(4z43z3)Es40.18(0.91529.30.92848.0) 25.07.8mm④粉质粘土④1层：z513m，l/b6.2，z5/b13/7.351.8，查表有得相应的

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0.2082，所以540.20820.8328，

Ps50(5z5z4)4Es5

0.18(0.8328130.91529.3) 8.250.8mm⑤砂质粉土④2层：z617.1m，l/b6.2，z6/b17.1/7.352.4，查表得相应的

0.11，则640.110.75，

Ps60(6z65z5)Es6

0.18(0.7517.10.832813) 17.721.4mm（2）沉降计算深度确定

按表4-3规定，当b14.7m时，确定沉降计算深度处向上取计算厚度z1.0m。由以上计算，z17.1m深度范围内的计算沉降量至17.1m土层的沉降量：

s134.2mm。计算相应于z16.1m

l/b6.2，z16.1m/b16.1/7.352.2，查表得相应的0.1953，

16.1m40.19530.7812，

snP0(6z616.1mz16.1m)Es60.18(0.7517.10.781216.1) 17.73.06mm所以sn0.025si0.025134.23.4mm，满足要求，从而确定地基沉降计算

i1n深度为17.1m。

已确定的沉降计算深度下如有较软弱土层时，尚应向下继续计算，直至软弱土层中所取规定厚度z的计算沉降量满足式4-10为止。在沉降计算深度范围内存在基岩时，计算深度可取至基岩表面为止。

当无相邻荷载影响，基础宽度在1～30m范围内时，基础中点的地基沉降计算深度，也

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可按下列简化公式计算：

znb(2.50.4lnb) （4-11） 式中：

b——基础宽度，lnb为b的自然对数值。

（3）确定沉降计算经验系数s

按式（4-9）计算计算深度范围内压缩模量的当量值Es：

EsAi/(Ai/Esi)11nnP0(znn00)P0(z1100)P0(z22z11)P(zz)0nnn1n1

Es1Es220.1812.931.304.482.955.565.277.660.18()10.332.744.325.08.217.716.24MPa查表4-2（当P0fak）得s0.26。 （4）计算复合地基最终沉降量

sssi0.26134.234.9mm50mm，沉降量满足设计要求。

i1n26

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5 CFG桩复合地基施工

5.1 CFG桩施工工艺

5.1.1 CFG桩施工前的准备工作

（1）施工前应具备下列资料和条件： ①建筑物场地工程地质勘察报告。

②CFG桩布桩图。布桩图应注明桩位编号以及设计说明和施工说明。

③建筑场地临近的高压电缆、电话线、地下管线、地下光缆、地下构筑物及障碍物等调查资料。

④ 建筑物场地的水准点和建筑物位置控制坐标等资料。

⑤ 具备“三通一平”条件，即通路、通水、通电及场地平整。 （2）施工前的主要工作程序：

①定施工机具和配套设备。设备进场、设备安装调试。

②材料供应计划。标明所用材料的规格、技术要求和数量。材料进场。

③施工组织设计方案报审通过。人员进场、开工前对施工人员进行安全教育。 ④施放主要轴线，确定场地标高。

⑤按施工平面图放好桩位，进行桩位预检。确定施工打桩顺序。

⑥复核测量基线、水准点及桩位、桩的轴线定位点，检查施工场地所设的水准点是否会受施工影响。

⑦施工前安全交底、技术交底。

⑧CFG桩混合料浇注申请、开盘鉴定。 ⑨CFG桩施工开始。

5.1.2 CFG桩施工

（1）设备组装。桩机进入现场，根据设计桩长确定机架高度和螺旋钻杆长度，并进行设备组装。

（2）桩机就位。桩机就位必须平整、稳固；钻杆与地面垂直，确保垂直度偏差不大于 1%。 （3）施工过程中设专人监测并做好施工记录。

（4）长螺旋钻机钻孔达到设计桩底标高以下 0.2m～0.3m后空转 0.5min～1min 使钻杆叶片土旋出，然后开始泵送混凝土拌和料。一定要先泵送混凝土后提钻，提钻速度必须与CFG 拌和料泵送速度一致，以防出现断桩和缩径；灌注 CFG必须达到设计桩顶标高以上 0.3m～0.5m。混凝土流动性、和易性等性能指标应满足泵送要求。

（5）施工过程中，抽样做混合料试块，一般一个台班做一组（3块），试块尺寸为15cm×15cm×15cm，并测定28天抗压强度。

具体施工工艺流程见图5-1：

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场地平整 搅拌砼 放桩位线 制作试块 钻机就位 养护送检 钻 孔 否 合 格 是 压灌砼 验 孔

封 孔 图5-1 CFG桩施工工艺流程

5.1.3 CFG桩施工工艺对施工质量的影响

（1）提钻速度

试验表明，拔管速度太快将造成桩径偏小或缩颈断桩。 （2）合理桩距

桩距的合理性在于桩、桩间土承载力是否能很好地发挥，施工时新打桩对己打桩是否产生不良影响，经济上是否合理。

试验表明，其它条件相同时，桩距越小，复合地基承载力越大。当桩距小于3倍桩径后，随桩径减小，复合地基承载力的增长倍率明显下降。从桩、土作用的发挥考虑，以桩距取3～5倍桩径为宜。

基础型式也是值得注意的一个因素，对一般单、双排布桩的条形基础，或面积不大而桩数量较多的基础，桩距可适当取小一些；对满堂布桩而面积大的筏基、箱基以及多排布桩的条基，桩距应适当放大。此外，地下水位高、土的渗透性差或土体密度大时，桩距也应 取大一些。

（3）施打顺序

在设计桩的施打顺序时，主要考虑新打桩对已打桩的影响。

施打顺序大体可分为两种类型，一是连续施打，如图5-2（a）所示，从1号桩开始，依次2号、3号„„，连续打下去；二是间隔跳打，可以间隔一根桩，也可间隔多根桩打。如图5-2（b）所示，先打1、3、5„„，后打2、4、6„„。

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123456(a)

123456(b)

图5—2 桩的施打顺序示意图

连续施打可能给桩造成的缺陷是桩被挤扁或缩颈。如果桩距不太小，混合料尚未达到初凝，连打一般较少会发生桩完全断开的情况。间隔跳打，先打桩的桩径较少发生缩小或缩颈现象。

施打顺序与土性和桩距有关，在软土中，桩距较小，可采用隔桩跳打。在饱和的松散粉土中施工，如果桩距较小，不宜采用隔桩跳打方案。

对满堂布桩，无论桩距大小，均不宜从四周转圈向内推进施工。这样了桩间土向外的侧向变形，容易造成大面积土体隆起，断桩的可能性增大。可采用从中心向外推进的方案，或从一边向另一边推进和方案。 （4）混合料的坍落度

工程实践表明，混合料的坍落度过大，桩顶浮浆过多，桩体强度也会降低。坍落度控制在3～5cm，和易性很好，当拔管速率为1.2～1.5m/min时，一般桩顶浮浆可控制在10cm左右，成桩质量容易保证。 （5）保护桩长

所谓保护桩长是指成桩时预先设定加长的一定桩长，基础施工时将其剔掉。 设置保护桩长的原因是成桩时桩顶不可能正好与设计标高完全一致，一般要高出桩顶设计标高一定长度（约300～500mm）；桩顶一段由于混合料自重压力较小或由于浮浆的影响，靠桩顶一段桩体强度较差，已打桩尚未结硬时，施打新桩可能导致已打桩受振动挤压，混合料上涌使桩径缩小。如果已打桩混合料表面低于地表面较多，则桩径被挤小的可能性更大，增大混合料表面的高度即增加了自重压力，可使抵抗周围土挤压的能力提高，特别是基础埋深很大时，空孔太长，桩径很难保证。

保护桩长设置原则如下：

①设计桩顶标高离地表的距离较大时，可设置70～100cm的保护桩长，上部再用粒状材料封顶，直到接近地表。

②设计桩顶标高离地表的距离不大时（不大于1.5m），可设置50～70cm的保护桩长，上部再用粒状材料封顶。

保护桩长越长，桩的施工质量越容易控制，但浪费的料也越多。

5.1.4 CFG桩施工质量控制措施

（1）施工监测

施工过程中，特别是施工初期应做如下的一些观测：

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

②桩顶标高的观测。打新桩时对己打桩但尚未结硬桩的桩顶进行桩顶位移测量，以估算桩径缩小的数值。

③打新桩时对已打并已结硬桩的桩顶进行桩顶位移测量，以判断是否断桩。一般当桩顶位移超过10cm，需开挖进行查验。

（2）钻机成孔出的土, 如压到相邻桩的标记, 应及时清理, 并用短钢筋做标记, 钻机行走时对桩位白灰点造成的破坏应及时补做。每天应对当天施工桩的桩位进行预检, 由监理对桩位进行抽检。

（3）由于现场面积大, 搅拌站固定, 随着施工的进展, 泵管越来越长,若天气炎热, 应随时注意泵管的覆盖降温工作。

5.2 CFG桩复合地基清土及桩头处理技术

5.2.1 弃土清运

CFG桩施工工艺不同，其清土内容也不同。其清土一般包括CFG桩成孔堆土弃土清运、桩间土清运和桩头剥除部分的清运三个部分。在CFG桩施工中，由于采用排土成桩工艺，其排出的土量取决于桩长和桩间距。在施工中及时清运打桩弃土是保证CFG桩正常施工的一个重要环节，它可以减少施工中找桩位和设备就位的时间，提高工作效率。当场地土质在施工中存在窜孔可能时，及时清土便于施工监测，容易发现窜孔桩以便采取补救措施。另外及时清运打桩弃土和场地内废弃的混合料等，亦可减轻清运的难度。打桩弃土清运在很多工程采用人工清运，人工清运可防止对桩体和桩间土产生不良影响。

对于CFG桩桩长较长、处理面积较大的工程。由于采用人工清运时运距长，劳动强度大，往往效率较低，可采用机械和人工联合清运，但必须遵循如下原则： （1）不可对设计桩顶标高以下的桩体造成损害。 （2）不可扰动桩间土。

（3）不可破坏工作面的未施工的桩位。施工时可采用下述方法： ①桩施工完毕后在其混合料初凝后，人工将桩身保护桩长大部分挖除，或使其与桩身断开，一般留下30cm的保护桩长。

②运土车辆禁止进入处理范围内，由挖掘机将场地弃土倒至基坑边后，再装入运土车运走。

打桩弃土清运完毕后，其下50cm的保护土层采用人工开挖，清除保护土层时不得扰动基底土。施工时严格控制标高，不得超挖，更不允许超挖后自行回填。

5.2.2 桩头处理

护土层清除后即进行下一道工序，将桩顶设计标高以上桩头截断。截桩具体方法如下： （1）找出桩顶标高位置，在同一水平面按同一角度对称放置2个或4个钢钎，用大锤同时击打，将桩头截断。严禁用钢纤向斜下方向击打或用一个钢钎单向击打桩身或虽双向击打但不同时，以致桩头承受一定的弯矩，造成桩身断裂。最好用截桩机截桩。

（2）桩头截断后，用钢钎、手锤将桩顶从四周向中间修平至桩顶设计标高（桩顶标高允许偏差0～+20mm）。

（3）如果在基槽开挖和剔除桩头时造成桩体断至桩顶设计标高以下，则必须采取补救措

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施。假如断裂面距桩顶较近，可接桩至设计桩顶标高。方法如图5-3所示。注意在接桩头过程中保护好桩间土。

d200与桩体材料配比相同的混合料剔平凿毛用水冲洗干净桩100d100100h

图5-3 接桩头示意图

5.3 褥垫层铺设及质最控制技术

CFG桩间土保护土层和桩头清除至桩顶设计标高，CFG桩复合地基检验(静载荷试验和低应变检测)完毕并且满足设计要求后，可进行褥垫层铺设施工。

褥垫层材料多为粗砂、中砂或碎石，碎石粒径宜为8～20mm，但不宜选用卵石，因卵石咬合力较弱，施工扰动容易使褥垫层厚度不均匀。

褥垫层厚度H一般为10～30cm，由设计确定，施工时先虚铺，虚铺厚度h为：

hH （5-1）

式中：为夯填度，一般取0.87～0.90。虚铺完成后采用静力或动力压实至设计厚度，

施工现场一般多采用平板振捣器，对较干的砂石材料，虚铺后可适当洒水再进行碾压或穷实。

5.4 CFG桩复合地基施工检测及验收

5.4.1 CFG桩复合地基施工检测

施工结束后，应对桩顶标高、桩位、总桩数、桩体质量、地基承载力以及褥垫层的质量

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进行全面检查检测。CFG桩施工完毕，一般28天后对CFG桩和CFG桩复合地基进行检测，检测包括低应变对桩身质量的检测和静载荷试验对承载力的检测，静载荷试验多采用单桩或多桩复合地基，根据试验结果评价复合地基承载力，亦可采用单桩载荷试验，通过计算评价复合地基承载力。

5.4.2 CFG桩复合地基施工验收

（1）CFG桩复合地基验收时应提交下列资料：

①桩位测量放线图（包括桩位编号）。 ②材料检验及混合料试块试验报告书。 ③竣工平面图。

④CFG桩施工原始记录。

⑤设计变更通知书、事故处理记录。 ⑥复合地基静载试验检测报告。 ⑦施工技术措施。

（2）CFG桩复合地基应达到的质量检验标准： ①主控项目：

(a)原材料：必须满足设计要求。查产品合格证书或抽样送检。 (b)桩径：桩径容许偏差不大于20mm。用钢尺量或计算填料量。 (c)桩身强度：必须满足设计要求。查28天试块强度。

(d)地基承载力：必须满足设计要求。按规定的方法进行检测。 ②一般项目：

(a)桩身完整性：满足桩基检测技术规范。

(b)桩位偏差：满堂布桩≤0.40d，条基布桩≤0.25d。用钢尺量，d为桩径。 (c)桩垂直度：允许偏差≤1.5%。用经纬仪测桩管。

(d)桩长：允许偏差≤100mm。测桩管长度或垂球测孔深。

(e)褥垫层：夯填度≤0.9。夯填度是指夯实后的褥垫层厚度与虚体厚度的比值。用钢尺量。

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结 论

CFG 桩复合地基随着工程实践，其理论得到不断的完善，但在实际工程仍需根据建筑物特点及地层情况酌情处理。通过对CFG 桩复合地基机理的分析及常营C地块A05号楼CFG桩地基处理工程实践，得出如下几点结论：

(1) 在设计过程中查阅了大量相关文献，仔细回顾了CFG 桩复合地基的一些发展历史和研究成果。CFG桩复合地基的理论体系尚不够成熟，但以其用材经济、施工快捷、加固效果良好等优点在工程实践中得到了广泛的应用。

(2) 认真分析了CFG桩复合地基的承载特性和作用机理，得出褥垫层的存在是CFG桩复合地基区别于其他普通桩基的关键因数，在CFG桩复合地基中桩和桩间土的承载能力都发挥到了极致。

(3) 结合工程实例，进行了CFG桩复合地基相关参数的设计和计算，选择恰当的模型计算了复合地基的承载力与沉降量，验算结果均满足设计要求。CFG 桩复合地基设计不仅要满足承载力要求，还应满足变形要求。

(4) 对CFG桩复合地基的施工工艺作了系统的分析。在施工过程中要认真考虑施工质量的影响因数并做好相应的控制措施。

尽管CFG 桩复合地基已在工程实践中得到广泛的应用，但其理论体系尚不够成熟，有待于进一步修正和完善。本文用已有的理论成果对实际工程进行设计和验算，验证理论的可行性，有着很大的理论及社会意义。

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致 谢

本文是在姚磊华教授的悉心指导下完成的。不管是在前期的实习、资料收集，还是在后期的论文制作，导师都倾注了极大的心血。导师渊博的知识和对科学的执着追求，以及严谨的治学态度，为我树立了很好的榜样。在此论文完成和即将毕业之际，谨向导师诚挚的敬意和由衷的感谢！

在前期的资料收集过程中，得到了教研室的徐能雄、王树理、慎乃齐、邓琼、葛克水、孙进忠、陈奇、张彬、树玉秀、刘京平等老师的热情帮助，得到了何朋朋博士的精心指导，同时得到了北京地质工程公司张建华总工的热情帮助，在此一并表示衷心的感谢！

在早期的实习过程中，北京地质工程公司张明主任在现场的一些技术性问题对我进行不厌其烦的讲解，姜文师傅在实习期间的日常饮食起居上为我提供了很大的方便，在此一并表示衷心的感谢！

感谢父母的养育之恩，一路上你们不仅在生活上给予我无微不至的关怀，还在精神上给了我莫大的鼓励与支持，使我能够顺利完成学业！

感谢张清林、万哲涛、沈奇、汤裕晖、刘凯、王海峰、刘哲等同窗好友的一路陪伴，我的每一点成绩都离不开你们的关照与鼓励，愿我们的友谊日久天长！

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