摘要：在软土地基中选择合适的地基处理方法时，必须综合考虑地基土层特性、施工时间、施工后沉降标准、对环境的影响等因素。排水固结法联合等载或超载预压法是一种经济有效的软土加固方法，但该工法预压工期长；深层水泥搅拌桩法具有减少沉降及横向变形、施工周期短等特点，但软土处理深度不应大于12米。对于深层软土地基处理，以上两种常用处理方法均有一定的局限性。本文主要介绍了深层软土地基采用CFG桩加固的设计参数和施工方法，为促进CFG桩的应用提供参考。
关键词：CFG桩；复合地基；设计；施工
近20年来，CFG桩复合地基具有承载能力强、地基变形小、造价低、施工速度快等优点，在软土地基处理，特别是道路工程中的应用日益广泛。CFG桩是在碎石桩的基础上，加入一些石屑、粉煤灰和少量水泥搅拌而成的具有一定粘结强度的桩，可在桩体全长范围内受力，并能充分发挥侧摩阻力和端承力；通过置换和挤密作用，提高地基承载力，并且降低了路基沉降。它是近年来发展起来的一种新的基础处理技术。该地基加固方法吸取了振冲碎石桩和水泥搅拌桩的优点。首先，施工工艺与普通振动灌注桩一样，工艺简单，与振冲碎石桩的相比，没有现场污染，振动影响小。第二，所使用的材料只需要少量的水泥，便于就地取材。三是受力特性与水泥搅拌桩相似。
CFG桩法适用于黏性土、粉质土、砂质土等地基。CFG桩应选择承载力较高的土层作为持力层，在设计复合地基时应验算地基的变形。
一、加固机理
CFG桩加固了软弱的地基，桩与桩间的土通过褥垫层形成复合地基。由于CFG桩是一种高粘结强度桩，因此褥垫层作为传递层是CFG桩复合地基不可缺少的组成部分。
CFG桩复合地基示意图
其加固软弱地基有三个主要功能：
1、桩的作用：CFG桩是具有一定粘结强度的刚性桩。在荷载作用下，CFG桩的压缩性比周围的软土要小得多。因此，随着地基的变形，从地基到复合地基的附加应力逐渐集中在桩体上，产生应力集中现象，复合地基的CFG桩到起着桩体作用。据某工地CFG桩复合地基试验结构，在无褥垫层情况下，CFG桩单桩复合地基的桩土应力比n=24.3~29.4，四桩复合地基桩土应力比n=31.4~35.2，而碎石桩复合地基的桩土应力比n=2.2~3.4，可见CFG桩复合地基的桩土应力比明显大于碎石桩复合地基的桩土应力比，也就是说其桩体作用显著。
2、挤密与置换作用：当CFG桩用于挤密效果好的土体时，由于CFG桩采用振动沉管法施工，其振动和挤压作用使桩间土得到挤密，复合地基承载力的提高既有挤密又有置换；当CFG桩用于不可挤密的土体时，其承载力的提高只是置换作用。
3、褥垫层的作用：褥垫层主要由级配碎石、粗砂、碎石等散体材料造成，主要有一下几种作用：
1）基础荷载通过褥垫层扩散到桩间的土壤，共同承受上部荷载。
2）减少基础底面的应力集中
3）褥垫层可以调整桩土荷载分担比
4）褥垫层厚度可以调整桩、土水平荷载分担比
二、CFG桩的设计
在设计方面，应根据工程的地质条件、地基类型、地基承载力和变形要求确定参数。一般情况下，CFG桩的设计需要考虑上部结构对地基的要求和施工现场的地质因素，合理确定桩长、桩径、置换率等；同时进行检测复合地基的承载力和沉降情况。具体应注意下列技术指标：
1、CFG桩只能在基础范围内布置，桩径从350mm~600mm不等。
2、桩间距应当根据设计要求的复合地基承载力、土质、施工工艺等确定，适当采用桩径的3~5倍。
3、桩长的设计要求桩端保持层选择相对高承载力的土层。
4、桩体强度：混凝土强度符合设计要求，通常≥C15。
5、褥垫层：宜用中砂、粗砂、碎石或级配砂石等。不宜使用卵石，最大颗粒尺寸不应大于30mm。厚度150-500mm，夯填度≤0.9，当桩径较大或桩距较大时，褥垫层厚度应取高值。
以某道路工程为例，对CFG桩进行研究。拟建道路位于佛山市顺德区大良镇，沿线主要为鱼塘、花木场、现有道路、及施工工地等，地势较平缓。场地处于珠江三角洲冲积平原入海口附近地带，属冲积地貌类型区。
根据本次24个钻孔揭露，拟建场地地层按地质成因依次分为：第四系（Q4ml）填土层①，第四系冲积成因（Q4al）的淤泥质土②1、粉砂②2、中砂②3、淤泥质土②4、粉质粘土②5及粉砂②6，第四系（Q4el）残积土层③，下伏基岩为震旦系强风化、中风化花岗岩。现将各土、岩层由上而下进行综合描述如下：
1)素填土（Q4ml）（地层编号①）
2)冲积层（Q4al）（地层编号②）
②1淤泥质土
②2粉砂
②3中砂
②4淤泥质土
②5粉质粘土
②6粉砂
3)残积层（Qel）：（地层编号③）
③砂质粘性土
4)岩层（Z）（地层编号④）
④1强风化花岗岩
④2-1碎块状中风化花岗岩
④2-2柱状中风化花岗岩
（1）、特殊路基设计原则
特殊路基的处理是从稳定、沉降及满足构造物的承载力要求等方面进行分析。路堤稳定计算采用总应力法或有效固结应力法。地基沉降量采用分层总和法（e-p曲线）计算主固结沉降Sc，并采用经验修正系数对其进行修正，经验系数Ms取值为1.1~1.4。地基的固结度采用太沙基固结理论计算。
路基填筑期一般按3~6个月考虑，预压期按不少于6个月控制。
压缩层计算深度控制原则为计算层底面附加应力与有效自重应力之比不大于0.15。稳定验算时，采用圆弧条分法按路堤施工期及道路营运期的荷载分别计算稳定安全系数，施工期采用直剪快剪（不固结不排水）指标，按总应力法计算，其容许值为1.10，运营期采用固结快剪（固结不排水）指标，按有效固结应力法计算，其容许值为1.20。
（2）、软基处理工程控制标准
软土地基的处理是从稳定、沉降及满足构造物的承载力要求等方面进行分析。软土地基以工后沉降及路基稳定性控制，具体要求如下：
A、沉降计算及容许工后沉降
路基沉降量采用分层总和法计算主固结Sc，并采用沉降系数m对其进行修正。工后沉降要求如下：
桥台与路堤相邻处：≤0.10mm
涵洞、通道处：≤0.20m
一般路段：≤0.30m
B．稳定计算
稳定验算采用有效固结应力法计算，快剪和固结快剪指标同时考虑，稳定安全系数F≥1.2，当考虑地震影响时，稳定安全系数降低0.1。
C．加载速率及预压控制标准
路基加载时，路基中心的表面沉降速率宜控制在10~15mm/d以内，坡角处的侧向位移宜控制在5mm/d以内。孔压系数控制标准仅作为参考：单级孔压系数（各级加载的空隙水压力增量与荷载增量之比）小于0.8，综合孔压系数小于0.6。
路基中心的表面沉降速率在10mm/d以内时，方可进行下一层路堤的填筑。路基填筑至设计的预定高程后，排水固结区域应保证10~12个月的预压期，复合地基区应尽量保证3~6个月的预压期。实际预压时间应根据沉降观测和稳定要求确定。在满足连续2个月不超过5mm/月的沉降速率时方可卸载开挖路槽并开始管线、路面、桥涵等施工。
（3）、CFG桩
a、CFG桩处理位置及处理深度见特殊路基设计表、特殊路基工程数量表、特殊路基处理平面布置图。CFG桩采用正三角形布置，桩径50cm，桥台后10m，间距为1.8m，过渡段长20m，桩间距为2.0m，CFG桩处理至人行道外2排，处理桩长均为25.0m。CFG桩单桩承载力不少于200KN，28天复合地基承载力标准值不少于180KPa。
b、CFG桩材料要求
CFG桩的质量配合比初定为水泥：粉煤灰：石屑：碎石=1：1.53：3.529：8.555，建议通过现场试验确定。桩顶采用现浇C15砼托板，尺寸为1.0m×1.0m×0.4m。
CFG桩桩顶50cm砂垫层的中粗砂：大于0.5mm的砂的含量宜占总重的50％以上，含泥量小于3％，渗透系数不应小于5×10-3cm/s。
土工格栅为钢塑复合双向土工格栅铺，每延米抗拉屈服力≥80KN/m，屈服伸长率≤3%，2%伸长率时的拉伸力≥50KN/m，焊点剥离力≥30N。
三、CFG桩的施工方法
3.1 施工工艺的选择
CFG桩可选用振动沉管钻机或长螺旋钻机施工。具体选用哪一类成桩机械和什么型号，要视工程的具体情况而定。对于粘性土、粉土、淤泥质土采用振动沉管成桩工艺。对存在的夹有硬土层地质条件的地区，使用振动沉管机施工，会对已成的桩造成较大的振动，导致桩体被震裂或者震断。对于灵敏度高的图，振动会造成土的结构强度破坏、承载力下降，可采用螺旋钻音控，再用振动沉管成桩工艺。对于成孔要求质量高的地区，可使用长螺旋钻孔管内泵压成桩工艺。
3.2材料要求
CFG桩的质量配合比初定为水泥：粉煤灰：石屑：碎石=1：1.53：3.529：8.555，建议通过现场试验确定。
CFG桩桩顶50cm砂垫层的中粗砂：大于0.5mm的砂的含量宜占总重的50％以上，含泥量小于3％，渗透系数不应小于5×10-3cm/s。
3.2施工准备
在施工前，应对CFG桩复合地基处理区内的地下管道和过通高压电线进行调查、核实和迁改。对施工中可能影响其不改迁的地下管道，应注意加强施工保护。施工前应进行室内配套试验和现场成桩试验，数量不得少于2根，以检验设备和技术是否满足设计要求，确定选定的技术参数是否符合设计要求。
3.3施工步骤
（1）桩机进入现场，根据设计桩长、沉管入土深度确定机架高度和沉管长度，并进行设备组装。
（2）桩机就位，须保持水平、稳固、调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于1％。
（3）若采用预制钢筋混凝土桩尖，需埋入地表以下30cm左右。
（4）启动马达，沉管到预定标高，停机。
（5）沉管过程中须作好记录。激振电流每沉1m记录一次，对土层变化处应特别说明。
（6）按设计配比配置混合料，投入搅拌机加水拌和，加水量由混合料坍落度控制，一般坍落度为3～5cm，成桩后桩顶浮浆厚度一般不超过20cm。混合料的搅拌须均匀，搅拌时间不得少于1分钟。
（7）待沉管至设计标高后须尽快用料斗进行空中投料，直到管内混合料面与钢管料口平齐。如上料量不够，须在拔管过程中进行空中补充投料，以保证成桩桩顶标高满足设计要求。
（8）开动马达，沉管原地留振10秒左右，然后边振动，边拔管。拔管速度一般控制在1.2～1.5米/分钟左右，如遇淤泥或淤泥质土，拔管速度可适当放慢。拔管过程中不容许反插。
（9）当桩管拔出地面，确认成桩符合设计要求后用粒状材料或湿粘土封顶，然后移机继续下一根桩施工。
3.4CFG桩复合地基质量控制
（1）施工前应对水泥、粉煤灰、碎石等原材料进行试验。
（2）施工中应检查桩身混凝土配合比、坍落度、提拔杆速度、成孔深度、混合料灌入量等。
（3）施工结束，一般28天后做桩、土以及复合地基检测。施工质量主要应检查施工记录、混合料坍落度、桩数、桩位偏差、桩顶标高、褥垫层厚度及其质量、夯填度和桩体试块抗压强度等。
③、CFG桩的质量检验具体为：
CFG桩施工结束后，应间隔一定时间方可进行质量检验。一般养护龄期可取28d。桩间土质量检验可用标准贯入、静力触探和钻孔取样等试验对桩间土进行处理前后的对比试验。CFG桩身施工质量采用低应变试验检测，检测数量为桩根数的3%。CFG桩的单桩承载力及复合地基承载力通过静载荷试验检测。静载荷试验一般要求每个场地的试验点不少于3个。抽芯检测为0.5%，每工点不少于3根桩。
桩距偏差不大于10cm，桩径不小于设计要求；桩长不小于设计要求；垂直度偏差小于1.5%。
3.5CFG桩复合地基质量检测
CFG桩的质量检验内容应当包括桩身的完整性、均匀性、强度、单桩承载力和复合地基承载力。成桩28天后，可以用低应变检查桩体的完整性，在桩的中心和桩的长度范围内垂直钻孔取芯，观察桩的完整性和均匀性，两者检查数量为不少于施工总桩数的10%。并根据低应变法的检测见过,对桩身质量进行评价。对于三类桩，采用取芯法检测桩体强度能够达到设计值的，可以使用。其他三类桩及四类桩应采用补强、补桩、设计变更等措施处理。
成桩28天后，应进行CFG桩的承载力，应采用单桩承载力或复合地基荷载试验，检查量为施工中桩总数的0.2%~0.5%，且不得少于3根，测定的承载力应满足设计要求。
四、结语
CFG桩复合地基通过褥垫层将桩与基础隔开，不依赖桩承担水平荷载，竖向荷载不完全由桩承担；而且桩和地基土共同分担。CFG桩不需要加固，对桩材的要求也较低，可以显著降低成本，减少浪费。在设计中，可灵活处理CFG桩长。如果上部荷载不同，或者上部荷载相同而地质条件不同，可以使用不同的桩长和不同的桩距。
通过实践证明，CFG桩基比传统桩基具有明显的优势，CFG桩基对深软土层的处理效果良好，不仅能大大提高路基承载力，而且具有显著的经济效益。它本身也发展成为一种比较成熟的地基处理技术，值得推广应用。
参考文献：
[1]《建筑地基处理技术规范》（JPJ 79-2012）
[2]《铁路工程地基处理技术规程》（TB 10106-2010）
[3]郭伟.公路软土路基的设计特点及处理方法分析[J].交通世界，2017（08）.
[4]高海燕.公路软土路基处理技术的应用分析[J].黑龙江科学，2014（01）.
论文作者:刘忠良
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/20
标签：地基论文; 褥垫论文; 承载力论文; 应力论文; 路基论文; 荷载论文; 碎石论文; 《基层建设》2018年第32期论文;