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摘要：本文对CFG桩复合地基的加固机理和褥垫层的设置进行了详细阐述，并简要介绍了CFG桩复合地基的设计方法和施工中常见到的问题及质量控制措施。
关键词：CFG桩复合地基；褥垫层；加固机理
CFG桩复合地基是20世纪90年代初出现的一种地基处理新技术。CFG桩为用适量的水泥、粉煤灰、石屑或砂及碎石，加水拌合而成的具有高粘结强度的桩，其中碎石为粗骨料，石屑或砂为细骨料，水泥为胶凝材料。CFG桩适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。
1、CFG桩复合地基的构成
CFG桩复合地基由CFG桩体、桩间土和褥垫层三部分组成，如下图所示。
CFG桩复合地基示意
2、CFG桩复合地基的加固机理
2.1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，使桩体的抗剪强度和变形模量大大提高。CFG桩的压缩性小于周围土体的压缩性，在荷载的作用下桩可将承受的荷载向较深的土层中传递，相应减少了桩间土承担的荷载，复合地基承载力有明显提高。由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减少，这在工程中称之为置换作用。
2.2桩体的挤密、振密作用
由于振动沉管CFG桩的振动和侧向挤压作用，使桩周围土体、桩间土的孔隙比减小、密度粘聚力增加、含水量降低，进而改善了土的力学性能，进一步提高了复合地基的承载力。
2.3桩体对周围土体的约束作用
桩对桩间土具有阻止土体侧向变形的作用，相同荷载条件下，无侧向约束时土的侧向变形大，从而使垂直变形加大；由于桩对土体侧向变形的限制，减少了侧向变形，也就减少了垂直变形，使复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。
2.4褥垫层的作用
褥垫层是由粒状材料组成的散体垫层，其在CFG桩复合地基中起着承上启下的不可替代的作用。一般情况下，褥垫层是由粒径5—25mm的碎石组成的，其作用主要有：
（1）保证桩和桩间土共同承担荷载
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，基础受到垂直荷载时，桩和桩间土都要发生变形，由于桩的变形模量比土的变形模量小，伴随着桩向上刺入的过程，褥垫层的材料不断地补充到桩间土上，保证了荷载通过褥垫层传递到桩间土上，实现了桩和桩间土的自始至终的共同作用。
（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）减小基础底面的应力集中
通过实验，当褥垫层厚度大于10cm时，桩对基础底面产生的应力集中已经显著降低，当褥垫层厚度为30cm时，其产生的应力集中已经很小了。
3.影响褥垫层对CFG桩复合地基桩土应力的调节作用的因素
3.1、褥垫层厚度的影响
褥垫层厚度过小时，复合地基的承载机理如群桩一般，不能充分发挥桩间土的承载能力，当褥垫层厚度达到一定厚度时，桩土应力比变化不大，此时，增加褥垫层的厚度，对复合地基承载能力的改善不明显，还增加了工程成本。当褥垫层模量过高，桩土应力比增大，桩体应力增加，桩间土应力减少，不利于桩间土强度的发挥。当褥垫层模量过低，桩间土应力增大，当桩间土进入塑性破坏阶段时，桩体的承载能力远远没有得以发挥。工程实践表明，褥垫层合理厚度为100～300mm，考虑施工时的不均匀性，褥垫层厚度取150～300mm，当桩经大，桩距大时宜取高值。
3.2、褥垫层刚度的影响
垫层模量也是影响桩土应力比的另一个主要因素。在同一级荷载作用下，随着垫层模量的增大，桩体应力越大，桩土应力比增大，桩间土的应力减少，所以当垫层模量太大时复合地基就达不到减缓CFG桩桩顶应力集中的目的。在同一垫层模量条件下，随着荷载的增加，桩土应力比减少。综上，垫层刚度是影响CFG桩复合地基承载能力的又一因素，可以调节桩土荷载分担比，但是其条件能力是有限，当模量达到一定程度时，应力比的变化趋于缓慢，褥垫层模量太高，不利于复合地基承载能力的发挥，而且还增加工程的造价，造成不必要的浪费。因此，在复合地基设计中，如何选取垫层材料也是设计的关键所在，选择合理的垫层材料可以充分发挥复合地基桩土的承载能力，减少单位面积的桩体数量，降低地基处理成本。
4.CFG桩施工中常见的质量问题及解决方法
CFG桩复合地基中常见的质量问题主要有缩径、断桩、混合料离析等。其中缩径和离析对承载力影响明显，有些情况下会造成结构的脆性破坏；断桩对地基承载力的影响程度目前仍有较大争议，不同的断面形式影响不同（断面倾角存在一临界值，该值与桩截面积和桩身摩擦系数成正比），当其于该临界值时，在不考虑断面对水平力影响的情况下，对竖向承载力的影响较大。
解决这些问题应注意以下几方面施工环节：1）选择正确的打桩顺序；2）控制拔管速率3）合理的混凝土配合比4）设置适当的保护桩长5）及时观测及时反馈施工中要观测新打桩对已硬结的已打桩的影响，注意已打桩桩顶标高的变化，确定是否产生缩颈，还要注意观测已打桩桩顶的位移情况，并把观测的结果进行及时反馈，以便可以及时发现问题，及时解决，以保证施工质量。
5.缺陷桩的处理方法
（1）原位复桩。即对缺陷桩采用彻底清理后在原位新浇筑新桩，做到彻底处理。该方法效果好，但难度大、周期长、费用高，可根据工程的需要、地质条件、缺陷桩数量等因素选择采用；
（2）接桩。开挖至断面下30cm，利用人工凿毛，结合桩帽的做法，并可考虑适当加筋，然后进行混凝土浇筑。开挖过程中尽量避免扩大桩间土的扰动范围；
（3）桩芯开井法。根据桩径大小确定内井直径，深度至少超过缺陷部位30cm，然后封闭清洗泥砂，采用加筋或纤维的方法用膨胀混凝土浇筑。该方法工期长、费用高，应视工程情况而定。
6CFG桩复合地基施工方法及适用范围
水泥粉煤灰碎石桩的施工，应根据设计要求和现场地基土的性质、地下水位、场地周边是否有居民、有无对振动反应敏感的设备等多种因素选择施工工艺。一般有以下施工工艺可供选择。
（l）振动沉管灌注成桩工艺
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上成桩工艺，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，挤断已打桩，且振动和噪声污染严重，在城市居民区施工受到限制。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。
（2）长螺旋钻孔灌注成桩工艺
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、中等密实以上的砂上，属非挤土成桩工艺，该工艺具有穿透能力强，无振动、低噪音、无泥浆污染等特点，但要求桩长范围内无地下水，以保证成孔时不塌孔。
（3）长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩工艺
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、低噪音、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、管内泵压混合料成桩工艺，在城市居民区施工，对周围居民和环境的不良影响较小。
（4）泥浆护壁钻孔灌注成桩工艺
适用于分布有砂层的地质条件，以及对振动噪音要求严格的场地。该方法钻孔速度较快，但是泥浆对场地的污染严重，影响后续孔的施工，且往往孔底沉渣较大也会影明成桩质量。
7结论
1）CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和褥垫层组成的。
2）CFG桩复合地基和桩基不同，它充分利用了桩间土的承载力。
3）褥垫层技术是CFG桩复合地基的一个核心技术，CFG桩复合地基的许多特性都与褥垫层的作用密切相关。
4）CFG桩复合地基的设计计算方法简单易学，但是其施工中的质量隐患要引起重视。