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用湿法排灰所得的粉煤灰称为湿灰,由于部分活性先行水化,所以其活性也较干灰为低,粉煤灰的活性是影响混合料强度的主要指标,活性越高,混合料需水量越少,强度越高;
活性越低,混合料需水量越多,强度越低。
不同的发电厂收集的粉煤灰,由于原煤种类、燃烧条件、煤粉细度、收灰方式的不同,其活性有很大差异,所以对混合料的强度有很大影响。
粉煤灰的活性决定于各种粒度AL2O3和SiO2的含量,CaO对粉煤灰的活性也很有利。
粉煤灰的粒度组成是影响粉煤灰质量的主要指标,一般粉煤灰越细,球形颗粒越多,水化及接触界面增加,容易发挥粉煤灰的活性。
CFG桩的骨料碎石,掺入石屑是填充碎石的空隙,使级配良好。
接触比表面积增大,提高桩体抗剪强度。
CFG桩复合地基一般适用于处理粘性土、粉土、砂土、人工填土和淤泥质土地基;
既可用于挤密效果好的土,又可用于挤密效果差的土。
当CFG桩用于挤密效果好的土时,承载力的提高既有挤密作用又有置换作用;
当CFG桩用于挤密效果差的土时承载力的提高只与置换作用有关。
与其他复合地基的桩型相比,CFG桩由于桩体材料较轻,置换作用特别明显。
就基础形式而言,CFG桩复合地基既适用于条形基础(有地梁)、独立基础,又适用于筏基、箱型基础。
2.CFG桩文献
徐至钧主编的《水泥粉煤灰碎石桩复合地基》介绍了CFG桩复合地基的处理概论,复合地基的性状,垂直荷载作用下CFG桩复合地基的性状,材料配合比及其力学性能,褥垫层的作用,复合地基的设计计算和施工。
《建筑地基基础设计规范》对地基承载力、变形、稳定性计算做出规定。
《建筑地基处理技术规范》对CFG桩法的一般规定、设计、施工、质量检验的方法做出了规范。
国振喜撰写的《建筑地基基础设计手册》介绍了CFG桩在建筑地基基础、工程地质、规定及常用资料,岩土勘察规定,土地抗剪强度与地基承载力及截面尺寸的确定等。
龚晓楠主编的《复合地基设计和施工指南》详细的介绍了CFG桩的适用范围,加固机理,桩孔直径、桩距和排距的设计、桩孔深度的确定和承载力的确定给出了具体方法,对CFG桩复合地基施工工艺流程作了详细介绍:
桩孔定位、桩孔成型、桩孔夯填的次序进行。
东南大学、湖南大学合编的《土力学》主要研究土体的应力、应变、强度、渗流及长期稳定性。
中国建筑工业出版社出版的《基础工程》主要介绍基础设计和地基设计两大部分。
基础设计包括基础形式的选择、基础埋置深度及基地面积大小、基础内力和断面计算等。
地基设计包括地基土的承载力确定、地基变形计算、地基稳定性计算等。
3CFG桩荷载和变形的研究
阎明礼等人对CFG桩复合地基的作用机理、设计方法、在水平荷载作用下的承载力形状进行了全面的阐述[10~12],涵盖了CFG桩复合地基基本理论、工作机理、设计方法、竖直和水平荷载下的承载力形状等作了系统全面的阐述。
董必昌、郑俊杰分析了CFG桩复合地基的变形模式,推导出一种考虑桩—土—垫层相互作用即摩擦阻力的作用,在中间过程中还可方便的求出等沉面位置以及桩土应力比等参数,并进一步对其进行了数字仿真,得到的模拟值与计算值较为一致,结果证实了该沉降计算公式的可行性[13]。
孙健等人根据CFG桩复合地基的作用机理和特性,通过对复合地基CFG桩负摩阻力大小的计算,基于桩土变形协调条件,求出复合地基CFG桩负摩阻力的作用长度。
根据负摩阻力大小和作用长度分析了在CFG桩复合地基中负摩阻力的危害和影响,并提出一些相应的结论和措施[14]。
张忠坤通过对柔性单桩竖向加荷、大面积作用下复合地基中心单桩轴对称及路堤荷载作用下复合地基的有限元数值分析,探讨了临界桩长问题,得出了桩体临界桩长不仅与桩土模量比有关,而且与荷载分布有关的结论[15]。
潘星分析了CFG桩复合地基加固机理及沉降模式,详细讨论了其沉降计算,包括它的计算厚度、影响因素、压缩模量选取及附加压力计算等。
提出按变形控制理论进行变形计算有其优点[16]。
陈东佐,梁任旺通过工程实例,对CFG桩复合地基设计的方法进行了简要阐述,并采用有限元ANSYS程序对CFG桩复合地基的应力传递特性进行了分析;
对CFG桩体的强度和弹性模量进行了测试,对CFG桩体、CFG桩复合地基进行了静荷载试验,对桩间土进行了标准贯入试验。
试验和分析结果表明:
CFG桩能够把荷载传递到深层土上;
CFG桩复合地基与天然地基的变形比随面积置换率m的增大而减小,当m<
10%时,效果显著;
经CFG桩处理后的复合地基承载力高达天然地基的2.5倍以上[17]。
林晖针对不同材料构成的褥垫层(相同厚度)及同一种材料不同厚度情况进行了土压力盒试验,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,随着荷载的增大,桩分担的荷载也逐渐增大[18]。
4CFG桩复合地基桩土应力比研究
秦然等[19]通过选取双曲线来表征单桩与地基土的荷载—沉降曲线,导出了一组确定水泥土桩复合地基桩土应力比的解析式,分析了桩土应力比与总荷载的关系,并指出置换率和桩土极限强度对桩土应力比的影响。
秦建庆等[20]结合水泥土桩复合地基载荷试验,现场量测了桩顶反力、桩间土反力,并分析了复合地基的桩土应力比。
郑俊杰[21]选取常用的双折线荷载传递函数,推导出一组轴向荷载—沉降曲线的解析式,从而表征桩的荷载—沉降曲线,并选取双曲线来表征地基土的荷载—沉降曲线,推导出了水泥土桩复合地基中考虑桩—土相互作用的桩土应力比的解析式,并讨论了相关参数对桩土应力比的影响。
李作勤[22]从复合地基的设计思想出发,阐明影响桩土应力的主要因素,介绍用荷载试验检验应力比的方法。
朱世哲等[23]研究了带垫层的刚性桩复合地基桩土应力比计算方法,同时,考虑到桩顶刺入垫层和桩端刺入下卧层的情况,从理论上论证了各种因素对桩土应力比的影响。
4总结分析
结合目前的研究资料,CFG桩复合地基具有强度高,造价低,工艺简单,节约材料,受力特性与水泥搅拌桩类似等优点。
CFG桩复合地基适用于处理粘性土、粉土、砂土、人工填土和淤泥质土地基;
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中国建筑工业出版社.2005
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[12]阎明礼,刘国安,杨军等.水平荷载作用下CFG桩复合地基的性状[J].建筑科学,1994,15
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[14]孙健等.复合地基CFG桩负摩阻力的影响及研究[J].地质装备,2005,3
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[17]陈东佐,梁仁旺.CFG桩复合地基的试验研究[J].建筑结构学报,2002(23):
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[22]李作勤.复合地基中桩土应力比和优化设计[J].岩土力学,1995,16(4):
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[23]朱世哲,徐日庆,杨晓军等.带垫层刚性桩复合地基桩土应力比的计算与分析[J].岩土力学,2004,25(5):
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安庆石化新区黄土坑路CFG桩复合地基设计
摘要
CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)是由,水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩,由桩、桩间土和褥垫层一起构成的复合地基,目前大量用于高层和超高层建筑地基加固。
桩身强度等级多在C15-C25之间,由于其具有施工速度快、工期短、质量容易控制、总价低廉的特点,该技术已在全国各地区地基处理中得到广泛应用,目前已成为应用普遍的地基处理技术之一。
关键词:
CFG桩;
复合地基承载力;
地基变形
ABSTRACT
CFGpile(cementflyashgravelpile)iscomposedofcement,flyash,sand,gravel,stonechipsormixedwithwatertoformhighbondstrengthpile,thepile,thesoilbetweenpilesandcushionlayertogetherconstitutethecompositefoundation,ithasbeenwidelyappliedinhigh-riseandsuperhigh-risebuildingfoundationreinforcement.PilestrengthgradeinC15-C25,duetoitshighconstructionspeed,shortconstructionperiod,easyqualitycontrol,pricelow,thetechnologyhasbeenintheareaoffoundationtreatmentiswidelyused,hasbecomeoneofthewidelyusedtechniqueoffoundationtreatment.
Keywords:
CFGpile;
bearingcapacityofcompositefoundation;
foundationdeformation
1前言
路基是公路的重要组成比分,是按照路线位置和一定技术要求修筑的带状构造物,承受由路面传来的荷载,应具有足够的强度、稳定性与耐久性。
路基一边可分为填方、挖方路基、半填半挖路基和零填路基。
路基工程的主要特点是:
工艺比较简单,工程数量大,耗资达。
路及稳定与否,对路面工程质量影响甚大,关系到公路正常使用。
实践证明没有坚固稳定的路基,就没有稳固的路面。
因此,前期做好路基工程的设计,中期做好施工,后期重视养护是非常必要的。
综上所述,路基应满足下列基本要求:
(1)具有足够的整体稳定性
(2)具有足够强度
(3)具有足够的水温稳定性
随着越来越多的公路,高填方路堤不断增多,相应路基的沉降问题就显得尤为突出。
作为一个合格的道路设计人员,发现问题并找到相应的解决方法是我们的职责所在。
造成高填方路堤下沉的原因,主要是地基下沉或路堤本身的沉降引起,包括均匀沉降和不均匀沉降。
在一边路段,少量的均匀沉降不会对路面造成破坏;
而过量沉降的主要矛盾出现在构造物台背后,由于桥涵构造物沉降量较小,构造物两侧的高填路堤沉降量偏大,常会引起桥头跳车,并造成路面过早损坏,纵面线形不连续。
针对上述路堤下沉产生的原因,就需要我们在设计阶段综合考虑对地基采用何种处理方法尽可能的减小地基沉降对路基造成的破坏。
目前公路地基处理中使用的方法主要有:
桩基、分喷桩、散体材料桩、强夯法和真空预压、堆载预压等加固方法。
上面任何一种加固技术都有它的优越性,也有其局限性。
分喷桩、散体材料桩造价低廉,但施工质量不易控制,且加固深度有限。
堆载预压法由于地基土的强度很低,因存在路堤的稳定性问题,不可能快速加载,制约着工程的进度,因此施工工期长;
由于现在公路建设周期很短,采用这种加固方法机会很小;
此外堆载预压需要额外土方,将会多占用耕地,破坏环境。
桩基在加固路基中使用,可大大缩短工期,加固处理深度较其他方法更深,明显增加了路基的稳定性,减少地基沉降,但缺点是造价太高。
在近几年高速公路的设计中,一些工程采用水泥粉煤灰碎石桩进行高填方路基加固处理。
水泥粉煤灰桩,简称CFG桩,属于高粘结强度桩复合地基。
他与素混凝土桩的区别仅在于状体材料的构成不同,而在受力和变形特性方面没什么区别。
CFG装成桩质量稳定,可沉桩较深,桩体和桩间土一起,通过褥垫层形成复合地基,复合层的变形很小,地基稳定性得到提高。
该技术在京承高速公路一期工程桥头地基处理中得到广泛的应用。
2设计资料
2.1工程概况
黄土坑路为安庆石化新区内运输道路,起点为新区1号门至终点新区3号门,全长800米。
道路宽度12米,路堤高度3m,双向4车道,二级公路。
天然地基承载力特征值为140Kpa,采用CFG桩复合地基进行处理,实际要求处理后地基承载力特征值fspk不小于240kpa,沉降量不大于40mm
2.2工程地质条件
本场地没有大的活动断裂经过,地形较平坦,地基稳定,地基土层面坡度不大,不良地质现象不发育,场地稳定性较好。
抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组,特征周期0.35s。
①层素填土,未经统一压实处理,土质均匀性较差,未经处理不宜直接作为拟建建(构)筑物的天然地基持力层。
②层粉质粘土,在分布稳定、连续地段,可作为一般建(构)筑物的天然地基持力层。
③层卵石,厚度较大,承载力较高,压缩性低,分布稳定地段,是一般建(构)筑物较好的天然地基压缩层,在埋深较浅的地段是良好的天然地基持力层。
④层全风化泥质砂岩、砂岩,承载力较高,压缩性中等,是较好的。
在分布稳定、厚度较大,埋藏较浅的地段,是一般建(构)筑物较好的天然地基持力层。
⑤层强风化泥质砂岩、砂岩,分布较稳定,厚度较大,承载力较高,压缩性低,是重要建(构)筑物较好的桩端持力层。
⑥层中等风化泥质砂岩、砂岩,分布稳定、连续,承载力高,压缩变形可以忽略不计,是重要建(构)筑物良好的桩端持力层。
表2-1土层主要物理力学指标
土层编号
土层名称
层底埋深
(m)
平均层厚
含水率
W%
塑性
Ip
液性
Il
孔隙比
e
压缩模量
(Mpa
地基承载力
(Kpa)
1
素填土
1.5
粉质粘土
5.1
3.6
23.0
14.6
0.13
0.7
7.0
140
3
卵石层
9.1
28.0
300
泥质砂岩
18.6
9.5
26.1
14.7
0.10
0.748
13.0
150
3选择桩型和尺寸
为加快新区建设,本次设计对时间要求短,因此选用CFG桩复合地基为本次设计方案,CFG桩对于山区浅层地基充分利用桩间土较高的承载力,同时在造价、成桩工艺无振动及粉尘污染、成桩质量易于保证。
对于一般建(构)筑物,①层素填土未经处理不宜作为天然地基持力层,②层粉质粘土和
层卵石,在埋深较浅、分布稳定地段,均可作为一般建(构)筑物的天然持力层。
本次工程选择第三层卵石层为持力层,桩端进入持力层深度为1米。
则桩长
=1.5+3.6+1=6.1m。
4CFG桩复合地基设计
4.1设计参数
4.1.1桩径
CFG桩桩径宜取350~600mm。
[1]根据设计要求取桩径400mm。
4.1.2桩距
根据复合地基承载力、土性、施工工艺等,桩距s取2.0m。
4.1.3桩长
取第三层卵石层为持力层,桩端进入持力层深度为1.0米。
4.1.4褥垫层
褥垫层铺设宜采用静力压实法,当基础底面下桩间土的含水量较小时,也可采用动力夯实法。
褥垫层厚度取25cm,褥垫层材料可选用粗砂、中砂、碎石、级配砂石(最大粒径不大于20mm。
)
4.2单桩承载力特征值
确定
4.2.1面积置换率
正方形布桩
式(4-1)
式中:
d-----桩体直径;
s-----桩中心距;
h-----桩的中心排距;
当按正方型布桩时排距系数n=h/s=1.0面积置换率m为
0.0314
4.2.2单桩承载力特征值
[2]式(4-2)
-----单桩竖向承载力特征值;
-----桩端端阻力、桩侧阻力特征值;
-----桩底端横截面面积;
-----桩身周边长度;
-----第i层岩土的厚度;
各岩土层桩侧阻力特征值qsia及桩端阻力特征值qpa建议采用值见表3-1。
表3-1桩侧阻力特征值qsia及桩端阻力特征值qpa
层号
qsia(kPa)
40
70
qpa(kPa)
1800
4.3复合地基承载力特征值
式(4-3)
-----复合地基承载力特征值(kPa);
-----面积置换率;
-----单桩竖向承载力特征值(kN);
-----桩的截面积(m2);
β-----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,β取0.9;
-----处理后桩间土承载力特征值(kPa),可取天然地基承载力特征值。
=0.0314
+1.9(1—0.0314)140=245.79
240kpa满足要求。
5复合地基变形计算
地基变形计算深度应大于复合土层的厚度,并符合《规范》关于地基变形计算深度的规定。
计算沉降深度按下式计算:
=12m
(2.5
)=18.1m
因第⑤层为强风化泥质砂岩层,沉降计算深度取在强风泥质砂岩层表面,即z=18.6m。
复合地基土层的分层与天然地基相同,各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的
倍,
根据设计资料实验计算所得,路基地面中心点附加应力为
=164.9Kpa。
采用《建筑地基基础设计规范》推荐的地基沉降计算公式计算沉降量:
式(5-1)
S-----CFG桩复合地基总沉降量,mm。
-----变形计算经验系数,根据当地沉降量观测资料及经验确定,也可采用表4-1数值。
-----对应于荷载效应标准组合时的基础底面出的附加应力,Kpa。
-----基础底面至第i层土、第i-1层土地面范围内平均附加应力系数,可查规范附录。
n-----地基变形计算深度范围内所划分的土层数。
-----第i层土的压缩模量,Mpa,对于加固区范围内土层,取复合土层的压缩模量
,对柱底下卧层土层,取天然土层的压缩模量
。
-----基础底面第i层土、第i-1层土地面的距离(m)
表5-1变形经验系数
[2]
2.5
4.0
15.0
20.0
1.1
1.0
0.4
0.2
沉降计算深度范围内土层压缩量采用角点法计算,
计算结果见表4-2。
.
表5-2复合地基沉降计算
Z/m
/MPa
/mm
35.01mm
0.250
0.2487
1.268
12.25
17.07
0.2439
2.219
0.951
49
3.200
0.2286
4.252
2.033
22.75
14.74
由《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002(9.2.8-2式)
式(5-2)
-----第
层土附加应力沿土层厚度积分值;
-----基础底面下第
层土的压缩模量值
,桩长范围内的复合土层按复合土层的压缩模量取值。
复合地基变形计算深度必须大于复合土层的厚度。
压缩模量当量值为:
查表4-1得变形经验系数
=0.2.
<
满足沉降量控制要求。
6CFG桩桩体强度设计
桩体试块抗压强度平均值应满足
式(6-1)
桩身混合料强度取11
7布桩
根据方形布桩
理论布桩数:
式(7-1)
可得
取
根
8CFG桩复合地基施工[3]
8.1特点和适用范围
CFG桩为桩体中掺加适量石屑、粉煤灰和水泥加水拌和,制成一种粘结强度较高的桩体,与桩间土和褥垫层一起构成CFG桩复合地基。
桩,桩间土与基础
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