CFG桩复合地基在箱涵软土基础处理中的应用.docx
《CFG桩复合地基在箱涵软土基础处理中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CFG桩复合地基在箱涵软土基础处理中的应用.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
CFG桩复合地基在箱涵软土基础处理中的应用
CFG桩复合地基在箱涵软土基础
处理中的应用
第二工程有限公司陈艳
【摘要】本文通过对软土地基箱涵基础的处理，详细介绍了CFG桩的设计与施工，通过现场检测与评价，该方法能够较好地满足地基承载力要求，值得在软土地基处理中推广应用。
【关键词】CFG桩复合地基箱涵软土基础
一、概述
CFG（CementFlyashGravelPile）桩是由碎石、石屑、粉煤灰和水泥加水拌合，制成一种粘结强度较高的半刚性桩体，又称水泥粉煤灰碎石桩，是在碎石桩加固地基法的基础上发展起来的一种地基处理技术。
由于CFG桩改善了碎石桩的刚性，可在全长范围内受力，能充分发挥桩周的摩阻力和桩端支撑力，它与桩顶的褥垫层、桩间土联合组成复合地基，并能通过调整桩长、桩距和褥垫层厚度来满足地基承载力的要求。
水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的一般规定有：
1、适用于处理粘性土、粉土、沙土和桩端具有相对硬土层、承载力标准值不低于70KPa的淤泥质土、非欠固结人工填土等地基。
2、水泥粉煤灰碎石桩桩端应位于相对硬的土层上。
3、水泥粉煤灰碎石桩复合地基按承载力设计师必须进行地基变形验算。
我国在上个世纪80年代开始该项技术的试验研究，90年代被列为建设部全国重点推广技术，在高层建筑、工业厂房等工业与民用建筑的地基处理方面得到了广泛应用，取得了良好的经济和社会效益。
二、工程实例
由中铁十九局集团第二工程有限公司承建的淮盐高速公路淮安三合同段工程，分布有大量深厚软基，软土主要为淤泥，土质均匀，局部夹少量淤泥质土层，流塑。
其中K20+250-K21+526.8段软土层厚度可达最深可达24.60m，分布连续，天然平均含水量W：
70.7%，天然孔隙比e：
1.696，液性指数I1：
1.53，压缩系数α0.1–0.2：
2.04Mpa-1，本段设计采用真空预压进行处治，该段在K21+030和K21+183处各设计有5*2.7米箱涵一座，箱涵所在位置河道宽度10~12米，由于真空预压施工正处于农忙季节，应地方强烈要求，施工期应继续保持渠道过水和小船通行，因此经多方研究决定：
真空预压施工在两箱涵处断开，改为CFG桩进行地基处治，避开农忙季节施工。
本文根据淮盐高速公路CFG桩试验段现场施工情况对CFG桩成桩质量及加固效果进行试验研究，取得了一些有意义的成果。
（一）CFG桩复合地基设计
1、桩径和桩距的确定
（1）桩径确定
一般为350~500mm，由施工设备的桩管决定，本次施工拟采用振动沉管法施工，桩径d=0.5m。
（2）桩距确定
根据本段落的地质勘查资料及地基承载力要求，并参考有关经验参数，选定桩距lp=1.6m，采用梅花形布置。
2、桩长的确定
（1）根据确定的桩径、桩距和布桩型式，求出复合地基置换率
（2）求出桩土应力比：
其中：
fsp.k—设计要求达到的复合地基承载力标准值（120Kpa）。
α—桩间土强度提高系数；β—桩间土强度折减系数。
fs.k—天然地基承载力标准值；Ap—桩体的断面积。
（3）确定单根CFG桩承受的荷载：
由桩顶应力
可计算得出单桩承受的荷载p：
Ap—桩体的断面积。
（4）估算桩长l：
k—安全系数，取1.5~1.75；qp—极限端阻力，按桩基技术规范取值；
up—桩周长；Σqsi—第i层土极限侧阻力，按桩基技术规范取值；
经上述计算并结合地质勘测资料，确定CFG设计桩长l=17m：
3、桩身强度设计
桩身强度
k—安全系数，取2.5~3.0；
桩身设计强度R应大于R28。
经计算，28天桩身设计强度R=6.0Mpa。
4、配料设计
由桩身设计强度，经过配合比计算和室内实验，确定配合比为：
水泥：
砂：
碎石：
粉煤灰：
水=1:
2.566:
4.799:
0.176:
0.76。
5、复合地基承载力标准值确定
水泥粉煤灰碎石桩复合地基承载力标准值，宜通过现场复合地基载荷实验确定，初步设计时也可按下式估算：
fsp,k=mRk/Ap+β（1-m）fs,k
式中fsp,k——复合地基承载力标准值（KPa）;
m——桩土面积置换率；
β——桩间土强度发挥系数，宜取0.9-1.0对变形要求高的建筑物可取低值；
fs,k——桩间土承载力标准值（KPa）。
6、单桩承载力标准值Rk的取值，应符合下列规定：
（1）当用单桩静载荷实验确定单桩极限承载力标准值Ruk后，Rk可按下式计算：
Rk=Ruk/γsp
式中γsp——调整系数，宜取1.50-1.60,一般工程或桩间土承载力高、基础埋深大以及基础下桩数较多时应取低值，重要工程、基础下桩数较少或桩间土为承载力较低的粘性土时应取高值。
（2）当无单桩载荷试验资料时，可按下式计算；
Rk=Up∑qsili+qpAp
式中Up——桩的周长（m）;
qsi——桩侧第ｉ层土德济限侧阻力标准值（KPa）可参照岩土工程勘察报告；
qp——桩的极限端阻力标准值（KPa）,可参照岩土工程勘察报告；
li——第ｉ层土的厚度（ｍ）。
7、地基处理后的变形计算应按现行的国家标准《建筑地基基础设计规范》GBJ7的有关规定执行，复合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ζ倍，ζ值可按下式确定：
ζ＝fsp,k/fki
式中fki——基础地面下第ｉ层土的天然地基承载力标准值。
变形计算经验系数Ψs根据地区沉降观测资料及经验确定，也可采用下表的树脂。
Es（Mpa）
2.5
4.0
7.0
15.0
20.0
Ψs
1.1
1.0
0.7
0.4
0.2
注：
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：
式中Ai——第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值；
Esi——基础底面下第i层土的压缩模量，桩长范围内的复合土层模量取值。
（二）CFG桩复合地基施工
两箱涵基础CFG桩处治施工选在11月份非农忙季节进行，为方便施工机械作业，先将河道处理范围内的两端码设草袋围堰，然后将围堰内的积水抽干并回填素土至原地面。
用推土机来回碾压几遍，保证打桩机施工时不致下沉。
然后进行测量放线，确定处理范围和工程数量，并绘制好布桩图，两处箱涵基础共计11295延米。
分别组织两台桩机进行施工，采用振动沉管法，共用13天完成了全部CFG桩施工。
施工段落见下表：
CFG桩段落
分段长度（m）
平均处理宽度（m）
间距（m）
施工长度（m）
总长度（m）
K21+020-K21+040.9
20.9
43.18
1.8
15
5355
K21+172.6-K21+193
20.4
43.18
1.8
16.5
5940
合计
11295
1、施工工艺
（1）沉管
1）测量放线，按已绘制好的布桩图放出桩位。
2）桩机就位，桩管保持垂直，要求垂直度不大于1%。
3）开动桩机，开始沉管，沉管过程中要记录激振电流变化，以反映实际地质情况。
（2）投料
混合料采用滚筒搅拌机进行搅拌，人工手推车上料，当沉管至设计标高后尽快进行投料，直到与投料口平齐。
若投料量不足，应在拔管过程中空中投料，以保证桩顶标高。
空中投料的方法是利用桩机本身的卷扬机起吊料斗进行投料。
（3）拔管
1）拔管前，应在原位留振10秒钟在振动拔管，以保证质量。
2）拔管速度要保持在1.0米/分钟左右，以防断桩。
3）必要时进行空中投料。
4）、桩管拔出地面后，用粘土进行回填。
2、施工控制参数
⑴混合料配合比：
水泥：
砂子：
碎石：
粉煤灰：
水（重量比）=1：
2.566：
4.799：
0.176：
0.76
⑵混合料搅拌时间：
不小于1min。
⑶混合料塌落度：
30～50mm。
⑷管内混合料充实度：
100%。
⑸拔管速度：
1.2~1.5m/min。
⑹打桩顺序：
隔桩跳打。
3、施工注意事项
为保证CFG桩复合地基的施工质量，应注意以下几个问题。
（1）要间隔跳打
施工时为防止造成邻桩被挤碎或缩径，采用间隔跳打法，隔桩不隔排，先逐排跳打，施工完毕后重新在已打桩中间补打新桩，施工时要保证新打桩与已打桩间隔不少于7天。
（2）设置保护桩长
桩在加料时，比设计桩长多加0.5米，将沉管拔出后，用插入式振捣棒对桩顶混合料加振3～5秒，提高桩顶混合料密实度。
上部用土封项，增大混合料表面的高度即增加了自重压力，可提高混合料抵抗周围土挤压的能力，避免新打桩振动导致已打桩受振动挤压，混合料上涌使桩径缩小。
（3）拔管过程避免反插
在拔管过程中若出现反插，由于桩管垂直度的偏差，容易使土与桩体材料混合，导致桩身掺土影响桩身质量，应避免反插。
（4）施工前要测量场地的标高
在打桩过程中则要随时测量地面是否发生降起，因为断桩常和地表隆起相联系。
在打新桩时，量测已打桩桩顶的上升量，可估算桩径缩小的数值，以判断是否产生缩径。
（5）对有怀疑的桩的处理
对桩顶上升量较大或怀疑发生质量问题的桩应开挖查看，并做出必要的处理。
4、成桩质量现场试验与检测
（1）目的与内容
通过对已达龄期CFG桩的桩身钻孔取样，检验CFG桩的实际施工桩长是否满足设计要求，以及桩身的完整性；通过单桩及复合地基的静载荷试验，检验CFG桩单桩及复合地基是否满足设计要求。
试验内容：
①试块抗压强度试验；②现场钻孔取芯检验；③芯样抗压强度试验；④单桩静载试验；⑤复合地基静载试验。
（2）CFG桩及其复合地基质量检验标准:
①中交第一公路勘察设计研究院2003年7月《两阶段施工图补充设计》的要求：
CFG桩桩体强度R28=6Mpa，设计单桩承载力为400Kpa，复合地基承载力为200Kpa。
②南京水利科学研究院岩土工程研究所提交的《淮盐高速公路淮安段软基处理新技术推广应用技术服务工作大纲》，其质量检验标准为：
间距1.8m复合地基容许承载力大于等于120Kpa为合格，大于等于140Kpa为优良。
（3）试块抗压强度试验
在CFG桩施工过程中由专业人员对拌和后的混合料进行随机取样，现场制成150mm×150mm×150mm的标准试块，试块在标准养护条件下进行养护，达到28天龄期后进行抗压强度试验。
强度测定值范围在17MPa23MPa之间，试块抗压强度大于R28＝6MPa的桩体设计强度要求。
（4）现场钻孔取芯检验
现场钻取芯样试验主要目的是检验CFG桩的施工质量。
检验内容为：
①实际施工桩长是否满足设计要求；
②检验设计桩长范围内桩身的连续性；
③是否出现断桩、离析、拌和不均匀等现象；
④为桩体的强度试验采样。
取芯检验时间距CFG桩施工结束时间约为2个月，龄期均大于28天。
确定CFG桩取芯抽检数量为4根桩，4根CFG桩取芯抽检结果为：
取芯至桩底，长度在15m16.5m之间。
桩身连续、完整。
（5）芯样抗压强度试验
选取不同桩号不同深度的CFG桩芯样，送试验室进行抗压强度试验，桩体的试样抗压强度在17.6MPa19.4MPa之间，均大于R28＝6MPa的桩体设计强度要求。
CFG桩芯样抗压强度试验成果表
序号
间距
桩号
试样深度（m）
抗压强度（Mpa）
1
1.8m
7排15号
6.00-6.30
17.6
2
1.8m
12排20号
4.20-4.50
19.4
（6）静载试验
①检测内容
根据设计文件要求：
1.8m桩间距进行2组静载试验，1组单桩静载试验和1组荷载板为1.8m×1.8m的单桩复合地基静载试验。
②检测依据
静载试验的过程、方法和试验资料的整理以及取值标准均按照现行国家标准进行，主要参照的规范是：
《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）
《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）
③加载与量测系统
加载系统：
垂直荷载采用主次梁上预先布设堆载的方法实施，预设荷载为预估极限荷载的120%；加荷系统的最大安全负荷能力为2000KN，用油压千斤顶分级加荷。
量测系统：
用4只安装在荷载板上的百分表测量荷载板与基准梁之间的垂直距离的变化，计算荷载板的沉降量。
试验前油压千斤顶，百分表等量测设备已进行标定。
④试验方法
用慢速维持荷载法，即逐级加荷，每级荷载达到相对稳定后再加下一级荷载，直至破坏或达到单桩或复合地基的极限承载力后，再逐级卸载至零。
A、荷载分级原则
按设计极限承载力的10%作为每级荷载增量。
B、沉降观测
每级荷载施加后间隔5、10、15min各测读一次，以后每隔15min测读一次，累计1h后每隔30分钟测读一次，直至沉降稳定。
C、沉降相对稳定标准
每小时沉降量不超过0.1mm（单桩）或0.2（复合地基），并连续出现二次，认为此级荷载下的沉降已达到相对稳定，可施加下一级荷载。
每级荷载维持时间不得小于2小时。
D、终止加载条件
当出现下列情况之一时，即可终止加载。
a沉降急骤增大，荷载承压板周围的土被明显挤出或出现裂缝；
b累计沉降量大于荷载承压板宽度的6%，或不大于100mm；
c总加载量已达设计要求值两倍以上。
E、卸载及其沉降观测
当满足终止加载条件后，即可进处卸载程序，每级卸载值为加载值的2倍。
每级卸载后在0-15-30-60min时刻读数，然后卸下一级荷载；全部卸载后，隔3-4小时再测读一次。
（5）单桩静载试验成果
试验时间距成桩时间超过2个月，龄期大于28天，CFG桩单桩静载试验P-S曲线见下图：
分析上图CFG单桩静载试验曲线，是比较典型的陡降型曲线，取P-S曲线发生明显陡降的起始点2450Kpa为其极限承载力基本值。
单桩静载试验成果汇总表见下表：
试验桩号
桩径（m）
最终加载量（KN）
累计沉降量（mm）
极限承载力（Kpa）
27排15号
0.5
540
76
2450
（6）复合地基静载试验成果
为分析研究褥垫层对CFG桩复合地基承载力的影响,进行了两次静载试验:
①无褥垫层的静载试验；②有完整褥垫层的静载试验。
第一次复合地基静载试验与单桩静载试验同时进行，此时场地内尚未铺设褥垫层，仅在荷载板下铺设了一定厚度的找平砂垫层。
复合地基静载试验P-S曲线见下图：
按相对变形分析，取s/b=0.01所对应的荷载值即为复合地基承载力特征值。
第一次静载试验得到的CFG桩复合地基承载力特征值在120KPa-130Kpa之间。
试验成果如下：
桩径（m）
荷载板面积（m2）
最终加载量（KN）
累计沉降量（mm）
承载力特征值（Kpa）
0.5
1.8×1.8=3.24
720
164
120
第二次复合地基承载试验,场地内已铺设了砂垫层,在CFG桩顶部已经形成复合褥垫层。
复合地基静载试验P-S曲线见图。
第二次静载试验复合地基承载力特征值取值方法同第一次试验，试验成果见表
桩径（m）
荷载板面积（m2）
最终加载值（KN）
累计沉降量（mm）
承载力特征值（KPa）
0.5
1.8×1.8=3.24
810
95
144
5、成桩质量检验分析
上述检验方法已经涵盖了CFG桩施工过程中的质量检验和成桩后的质量检验以及CFG桩复合地基的效果检验。
通过试验结果的初步分析，对淮盐高速公路CFG桩处理路段的加固效果有了较为全面的评价：
①从施工过程中取样的试块抗压强度试验和钻孔取样的芯样抗压强度试验结果来看，南京水利科学研究院岩土工程研究所推荐给本路段的CFG桩用料配全比是正确的，对CFG桩的成桩质量是有保证的。
②从CFG桩取芯抽检结果分析，取芯至桩底，实际施工长度合格，桩端均已穿过软弱的淤泥质粘土层进入相对较厚的粉质粘土层中。
③CFG单桩静载试验结果表明，其极限承载力为2450KPa。
若取其50%作为承载力基本值，则是设计承载力400KPa的3倍，完全满足设计要求。
④复合地基承载力特征值在144kPa180kPa之间，满足设计要求。
该路段的设计填土厚度在4m5m之间，考虑路面荷载及安全储备的因素，目前复合地基承载力在144kPa180kPa之间，能满足上覆荷载对地基的要求。
⑤褥垫层在CFG桩复合地基中作用明显，对比两次静载试验结果，铺设褥垫层之后复合地基承载力提高了20%。
三、结论
本文的现场试验成果表明CFG桩桩身连续、强度高，复合地基承载力满足设计要求，施工质量良好，确保了CFG桩复合地基的加固效果。
采用CFG桩复合地基技术处理高速公路深厚软基是有效的、可靠的。
参考文献
[1]《地基处理与基坑支护工程》。
武汉：
中国地质大学出版社，1999。
[2]《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ017-96）
[3]CFG桩复合地基加固高速公路深厚软基技术研究成果报告.南京水利科学研究院，2004.
升级会员 