汕头市潮南区地方公路管理总站 广东 汕头 515000
【摘 要】GFC对软弱地基的加固处理效果明显，因此在公路软基处理中得到较多应用。本文阐述了水泥粉煤灰碎石桩复合地基的加固原理，并结合工程实例，详细介绍了CFG桩在公路软基处理中的应用，分析了CFG桩复合地基施工的关键技术，旨在为类似工程提供参考借鉴。
【关键词】CFG桩；公路软基；应用
随着我国国民经济的快速发展以及城市化进程的不断加快，公路行业也取得了巨大的进步。在我国，软弱地基十分常见，是公路建设的一个重要难点。如何有效地处理公路软基已成为公路行业面临的一个重要问题。而CFG桩能够有效地处理软弱地基，起到较好的加固固定作用，在公路的软基处理中得到广泛应用。对此，笔者进行了相关介绍。
1 水泥粉煤灰碎石桩复合地基的加固原理
碎石桩在使用过程中存在承载力明显不足的问题，为解决这一问题，逐渐发展出水泥粉煤灰碎石桩。而水泥粉煤灰碎石桩在公路软土路基处理中的应用是为了弥补水泥搅拌桩承载力不足、处理深度不够等方面的缺陷而引入的。水泥粉煤灰碎石桩是一种低强度混凝土桩，它主要是根据科学合理的配合比将足量的石屑、粉煤灰、水泥以及水等混合在一起，经过充分的搅拌制作而成。这种桩体能够获得较高的胶结强度，继而提高承载力。
根据相关工程经验，碎石桩在砂土层、粉土层中进行应用，可有效解决地基液化问题，同时提高地基承载力，但是当其在塑性指数较大的粘土路基中使用时，即使增加桩长也无法取得令人满意的承载力效果，这主要是因为碎石桩仅存在于4倍桩径范围内，同时随着桩长增加，其轴向力将会急剧降低，显然，通过增加桩长来提高桩承载力并不是有效方法，而在粘土路基中使用水泥粉煤灰碎石桩则能够大幅度提高桩体承载力，这主要是因为通过桩体与土之间的桩侧摩阻力和桩端阻力，可以有效的将桩体所受到的荷载传递到土体中，从而提高桩体承载力。与刚性桩不同，水泥粉煤灰碎石桩的强度和刚度要相对小很多，这就使得桩体材料的特性能够得到充分的发挥，从而大大减少了路基处理的成本。
在公路软土路基中使用水泥粉煤灰碎石桩，使其与褥垫层一起构成复合地基，简称为CFG桩复合地基。该类型地基加固机理为：当路基在垂直方向受到荷载作用时，桩与桩间土将共同承受荷载的作用从而产生一定量的变形，但是相对而言，桩体刚度大，所产生的变形会小于土体的变形，当两者之间出现变形差时，通过利用褥垫层来有效地抵消桩体向上的刺入度，然后桩间土之间通过垫层材料得以补充，可以有效增强桩间土和桩之间的共同承载力。
CFG桩复合地基的理论研究表明，该类型地基的加固机理主要概括为以下几点：（1）对桩体起到了有效的置换作用，从而提高承载力；（2）褥垫层具有对桩体和桩间土所受荷载的调整均化作用，从而改善两者承担荷载的效果。而对于砂土和粉土而言，复合地基具有显著的挤密效果。现分别分析CFG桩复合地基各个组成部分的特点及作用机理。
1.1 褥垫层
在CFG桩复合地基中，褥垫层是一个重要的组成部分，它具有对桩体和桩间土所受荷载的调整均化作用，同时还能减少桩体的向上刺入度。当在桩顶设置褥垫层之后，在上部荷载作用下，褥垫层将出现向下的位移，而当桩顶与褥垫层接触部分的应力超过褥垫层的局部抗压强度时，桩体即会产生向上的刺入，这种方式可以有效改善桩顶的受力状态，充分发挥桩体承载力，从而使桩体与桩间土可以根据合理的比例承受荷载，起到共同承担荷载的作用。
（1）调整桩土竖向荷载分担比。如果在桩顶不设置褥垫层，此时路堤地面将于桩和桩间土直接接触，在轴向荷载的作用下，桩和桩间土各自所承受的荷载是根据面积比进行分配的，这样就无法充分发挥桩体材料的承载力。而在桩顶设置一层褥垫层就可以很好的改善这种情况，在褥垫层的影响下，桩体将承受更多的竖向荷载。
（2）调整桩土水平荷载的分担比。水泥粉煤灰碎石桩在软土路基中的使用主要是承担竖向荷载，但是在某些情况下，复合地基需要承担一定的水平荷载，比如在进行路堤变管线施工，河塘突然降水等情况下，此时褥垫层的设置就可以使桩体抵抗水平荷载的能力得到提高，从而避免了桩体断裂问题的产生。一般情况下，当褥垫层的厚度为零时，即不设置褥垫层，水平荷载的大部分将由桩体承担，当褥垫层的厚度增加时，桩体承受的水平荷载将减小，桩间土承受的水平荷载将增大；当厚度增大到一定数值时，将主要由桩间土承担水平荷载。随着褥垫层厚度的增加，桩体所承担的竖向荷载的比例将随之增大，所承受的水平荷载的比例将减小，而桩间土所承受的竖向荷载的比例将减小，水平荷载的比例将增大。
（3）减少桩体刺入度。当褥垫层的厚度为零，即不设置褥垫层时，桩体的向上刺入度很明显，此时桩体可能对路堤产生冲切破坏，因此在路堤的施工中需要考虑这一情况。通常情况下，当进行褥垫层的设置时，其刚度应比路堤填料的刚度大，这样才能起到减小桩体刺入度的作用。如图1所示为β值与褥垫层厚度的关系曲线，图1中纵坐标为β值，β=σRp/σRs，σRp为桩顶对应的基础底面测得的应力，σRs为桩间土对应的基础底面测得的应力，β代表桩顶对应的路堤底面反力与桩间土对应的路堤底面反力之比，横坐标则为褥垫层的厚度，单位为cm。从图1中可以看出，在褥垫层厚度较小时（10cm以内），随着褥垫层的增加，β值迅速降低，这表明桩对路堤地面所产生的应力集中现象迅速得到缓解；而随着厚度的继续增大，β值的降低幅度逐级减小，曲线逐级平缓，在曲线后期基本成为一条直线。虽然在桩顶设置褥垫层可以有效提高桩体承受荷载的比例，但是褥垫层整体刚度增加会提高抗“桩顶冲剪”能力。此外从图1中还可以看出，褥垫层不宜设置太厚，这会导致路基所承担荷载过大。试验表明，当褥垫层厚度H＞10cm时桩对基础底面产生的应力集中已显著降低，当褥垫层的厚度为30cm时β约只有1.23左右。
图1 β值与褥垫层厚度的关系曲线
1.2 桩体
在CFG桩复合地基中，桩体是作为承担荷载的作用部分，它主要能巩固承担上部荷载和水平荷载。对于挤密效果不同的地基而言，它还可能还能起到一定的置换作用和挤密作用。当在挤密效果较好的土层中应用水泥粉煤灰碎石桩时，它可以同时起到置换和挤密的作用；当在挤密效果较差的土层应用时，它只能起到置换的作用。在进行水泥粉煤灰碎石桩的施工过程中，需要通过振动或者冲击，对桩间的土体产生挤密作用。当成桩完成之后，反滤性较好的粗颗粒将填充于桩体内空隙和周边，同时在一系列的化学作用下，路基中将会形成良好渗透性的竖向排水和减压通道，这样可以有利于土体的排水固结。目前，在我国公路软土路基的处理中，主要采用的是低强度混凝土桩，这种桩体的排水效果不太好，因此需要将其与砂桩结合起来进行使用，这样可以有效的提高土体的排水效果，从而提高复合地基的承载力。当在砂土和粉土路基中采用水泥粉煤灰碎石桩时，在成桩施工过程中不仅会对土体产生挤密作用，同时还能提高土体的相对密实度，从而减轻路基的液化性能。
1.3 桩间土
对于CFG桩复合地基来说，桩间土是承担荷载的中重要组成部分，其主要承担竖向荷载和水平荷载。在竖向荷载的作用下，通过褥垫层使得桩体和桩间土按照一定的比例共同承担荷载。在桩的施工过程中，桩间土将受到挤密作用，从而桩间土的承载力提高，而在桩间土的承载力提高之后，会使桩周围土侧应力增加，从而使桩体本身的性能得到提高。在水泥粉煤灰碎石桩复合地基中，桩间土可以有效地约束桩体，从而保证了桩体的正常使用。
表1 土层的主要物理力学指标
2 工程实例
本工程为汕头市潮南区峡新公路新建工程，采用一级公路标准，兼有城市道路功能，路线全长6.102公里，采用整体式路基，双向六车道，路基宽度为32m，该工程存在软土路基的问题，CFG桩设计总根数5423根，总长117232米，通过分析对比选取水泥粉煤灰碎石桩复合地基来处理本工程的软土路基，表1所示为本工程土层的主要物理力学指标。
3 CFG桩复合地基设计参数确定
本工程高等级公路软基处理中，CFG桩复合地基设计主要是确定桩长、桩径、桩间距、桩体强度、垫层厚度及材料等5个设计参数。
3.1 桩长的确定
一般情况下水泥粉煤灰碎石桩需打设至持力层下1.0～1.5m，根据地质资料和工程实际情况，考虑有无砂层等特殊状况具体确定每一根桩长。
3.2 桩径、桩间距、桩体强度的确定
一般要考虑路堤填土高度、路面结构层厚度、车辆动载以及适当的安全贮备，需进行复合地基承载力计算。根据CFG桩复合地基特点分析，承载力估算采用如下简易实用的方法：
fspk=［1+m（n－1）］αfk，
式中，fspk为复合地基承载力标准值；fk为天然地基承载力标准值；m为面积置换率；n为桩土应力比；α=fsk/fk，fsk为加固后桩间土承载力标准值；根据高等级公路软基处理特点，在高等级公路软基处理中，桩径d宜取350～600mm，桩体强度取C12～C15，采用正方形布桩时，桩间距S可用下式估算：
式中，n1为加固范围内土分层数，n2为沉降计算深度范围内总的分层数；p0为对应荷载的附加压力；Esi为第i层土的压缩模量；zi、zi－1为处理地面至第i层、第i－1层土底面的距离； 、 为处理地面至第i层、第i－1层土底面范围内平均附加应力系数；ψ为沉降计算修正系数；ξ为加固区土的模量提高系数。
（4）垫层厚度及材料的确定
一般需根据桩距进行估算，通过试验和理论研究得到如下公式：
，
式中，ΔH为垫层厚度；λ为修正系数，取值范围0.5～0.6，m为面积置换率；S为桩距，fspk为复合地基承载力标准值；fk为天然地基承载力标准值；
综合考虑本工程的地质条件情况，结合施工工期、运营合作等各方因素，本工程最终所确定的水泥粉煤灰碎石桩复合地基的设计参数为：桩长取21m，需要打入到持力层下1～1.5m；桩径取为500mm，桩体强度为C12～C15，桩体采用正方形布置，间距为1.5m。褥垫层厚度取为35cm，材料选用2～4级配碎石。本工程成桩方式主要采用振动沉管成桩。
4 CFG桩复合地基施工关键技术
4.1 施工工艺流程
（1）沉管灌注成桩的施工流程主要分成3部，分别为沉管、灌浆以及拔管。具体施工过程中，首先应根据设计图纸进行桩位放样，并埋入桩头，确保桩头中心与桩位中心相重合。
（2）对于沉管下沉至设计标高时，应立即进行混合料的灌注施工，尽量缩短两道工序之间的间隔时间，从而避免泥土或者水进入到管底。混合料的材料应根据设计要求进行选用，同时严格根据设计配合比的要求在搅拌机中加入并进行充分的拌和，一般拌和时间应控制在1min以上，如果其中添加的粉煤灰用量较大时，可以适当增加拌和时间，拌和过程中应根据坍落度3～5cm进行加水量控制。
（3）当混凝土灌注完成之后，即可进入到拔管施工阶段。首先应在原位留振约10s之后再进行振动拔管，拔管过程中应将速度控制在1.5m/min以内，每拔起1m的高度时即停止拔管而进行倒打轻击，这一行为应在达到设计桩顶之前一直持续进行。当上拔至距离地面2m时，应将拔管的速度减慢，从而确保剩余这段的桩身直径满足设计要求。
（4）在进行混凝土灌注施工过程中，应根据要求制作和保养混凝土试块。混合料灌注完成后应采取措施对桩头进行保护，在养护期内禁止采用重型机械对桩头进行碾压，也不得在其上加载。本工程施工中采用跳打方式，即每隔1～2条施工1条，这样可避免对刚施工好的相邻桩造成挤压损坏，剩下的桩应在已完成桩的强度达到设计强度要求后方可进行施工。
（5）褥垫层施工。当桩体的桩头处理完成后，则可以进行下一步施工工艺———褥垫层施工。褥垫层厚度选取是该施工工艺的关键参数之一，结合工程实施效果，其厚度应超过基础宽度，当褥垫层填料摊铺完成后，即可采用静力或者动力对其进行压实处理，使褥垫层顶面标高达到设计标高。本工程对褥垫层压实施工上采用平板振动器实施，同时采取措施控制振实后的厚度与虚铺厚度之比小于0.93。
4.2 施工关键技术
4.2.1 原材料及混合料配比控制
（1）原材料选择
CFG桩成桩主要采取的材料为水泥、砂石、粉煤灰。对于水泥等级选取方面适宜采取32.5号普通硅酸盐水泥，同时适宜采用20～40mm。在正式施工前，应当结合试验结果进行现场配合比试配选取出最佳配比。
4.2.2 施工机械选择
结合工程实践经验，为了能有效保证成桩施工质量，在CFG桩机械设备选取上，可以考虑采取振动沉管灌注法，但对于出现坚硬黏土层时，则应当适宜首先采取长螺旋钻作为引孔处理，然后采取振动沉管机成孔。
4.2.3 成桩控制
（1）桩身垂直度控制
钻机就位后，应用钻机塔身前后和左右的垂直标杆检查导杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，要求桩身垂直度偏差小于1.5%，沉管施工前要确保桩机精确就位，沉管前调平桩机，使得套管能够垂直套入桩头上，防止因套管与桩头接触不紧密而使淤泥挤入套管中；沉管时控制锤头落距，一般不大于1.5m，落距过大可能会由于冲击太大而引起套管脱落，造成套管与桩头分离，具体施工过程中调整好桩机垂直度，确保桩头中心与桩位中心相重合、桩管中心与桩头重合，确保桩身的垂直度。
（2）成桩施工过程控制
在钻孔过程中，为了能有效地确保成桩施工质量，当钻头到达设计标高后，钻杆停止转动，开始泵送混凝土；同时应当连续地提供混凝土供料，以保证成桩质量。若施工中不能连续灌注，应尽量避开饱和砂土、粉土层，不宜在此类土层内停机；施工过程中为防止混合料出现离析，避免混合料进行长时间放置。
（3）拔管速率、高度控制
拔管速度直接影响成桩效果，结合笔者的工程实践经验，对于每次拔管高度宜控制在0.5～1.0m，一般取0.7m左右，每拔管一次便停拔，视现场施工情况锤击5～10s或者反插深度0.3～0.5m，当拔管通过淤泥夹层时，应适当放慢拔管速度，以防止桩身出现缩颈、断桩现象。表2所示为水泥粉煤灰碎石桩施工质量标准。
表2 水泥粉煤灰碎石桩施工质量标准
5 处理效果检测
为了检验水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的处理效果，施工现场组织进行了单桩静载试验和复合地基静载试验。静载试验时检测桩的承载力，用在一定荷载下桩体的下沉量来反映。静载试验采用压重平台反力装置作为荷载反力，慢速维持荷载法。为保证检测试验分析可靠，试桩时采用RS－JBY桩基测试分析系统，试验过程全自动化。根据计算结果和实际情况的需要，施加荷载分别选取为60吨和70吨。
如图2所示为静载试验的Q－S曲线。根据规范规定，桩号61取沉降量为30mm对应的荷载为极限荷载，单桩极限承载力为578kN，符合设计要求。248号桩试验最大荷载为700kN，总沉降量为41.75mm，卸载后回弹变形13.64mm，回弹系数32.67%，其Q～S曲线如图5所示，根据规范综合分析，取沉降量为40mm对应的荷载为极限荷载，单桩极限承载力为464kN，符合设计要求；复合地基静载试验（桩号60－桩号61处）的地基极限承载力为286kPa，（桩号247－桩号248处）地基极限承载力为245kPa，符合设计要求。
图2 静载试验的Q－S曲线
6 结语
综上所述，该工程采用CFG桩处理公路软基，取得了良好的成效，有效提高了承载力，使得软弱地基的各项参数指标满足工程的要求，保证了软弱地基地区的沉降小于路用标准的要求，具有较好的经济效益和社会效益，可供类似工程参考借鉴。
参考文献：
[1]裴双存.CFG桩在高速公路软基处理中的应用[J].中国高新技术企业.2015（31）
[2]廖万明.探究CFG桩在沿海高速公路软基处理中的应用[J].江西建材.2015（11）
论文作者:马丹杰
论文发表刊物:《低碳地产》2016年第8期
论文发表时间:2016/9/2
标签：褥垫论文; 荷载论文; 地基论文; 碎石论文; 承载力论文; 厚度论文; 桩头论文; 《低碳地产》2016年第8期论文;