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CFG桩复合地基实用设计与工程应用探析
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内容提示：根据高速公路软基处理特点和质量要求，以解决实际工程问题为背景，从实用设计方法、施工控制等方面系统的对CFG桩在高速公路软基处理中的应用进行了研究，同时通过工程实例，介绍了CFG桩复合地基在软基处理的具体应用。
摘 要：根据高速公路软基处理特点和质量要求，以解决实际工程问题为背景，从实用设计方法、施工控制等方面系统的对CFG桩在高速公路软基处理中的应用进行了研究，同时通过工程实例，介绍了CFG桩复合地基在软基处理的具体应用。
关键词：CFG桩复合地基；软基；高速公路；处理
1 CFG桩复合地基实用设计方法
1.1 CFG桩复合地基的设计思路
在长期的工程实践中，复合地基的设计方法可归结为以下三类：（1）正常使用极限状态的承载力作为控制条件，以正常使用极限状态的沉降量作为验算条件；（2）正常使用极限状态的沉降量作为控制条件，以正常使用极限状态的承载力作为验算条件；（3）沉降量和承载力双控制。对于第一种设计思路，其适用条件为CFG桩复合地基加固的土体性质较好、桩体强度大且置换率较高的情况，按承载力为控制条件，沉降量一般会满足要求。当CFG桩复合地基加固的土体性质差，如淤泥、欠固结填土等，往往出现承载力满足，但沉降不满足的情况。特别是在高速公路软基处理中，其置换率一般较低、路堤荷载较小，更容易出现沉降或差异沉降不满足。从而前面两种设计思想，在两个条件都满足的情况下，有可能会出现当其中的一个条件满足时，另外一个条件有较大的富裕的问题，这样就会在物力和财力上造成较大的浪费。因此最佳的设计是两个条件同时满足，这就要求在设计的过程中寻求最优方案。但由于影响CFG桩复合地基承载和变形的因素较多，针对沉降量和承载力两个约束条件的情况，就桩径、桩长、桩距、置换率等多个设计参数人工寻求最优解存在较大的困难。
由上述的讨论分析可知，采用第二种设计思路对高速公路CFG桩复合地基进行设计较为适宜。
1.2 实用设计方法
（1）桩长：CFG桩复合地基的一个重要原则是要求桩落在好的土层上，因此桩长是复合地基设计时候首先需要确定的参数。它取决于承载力和变形的要求、地质条件和设备能力等因素，并且前桩端应该进入持力层0.5～1.0m。（2）桩径：CFG桩桩径的确定取决于采用的设备，一般桩径为35cm～60cm，路堤荷载作用下，为了减小不均匀沉降，应采用相对较小的桩径以达到相对较密的桩间距，一般取50cm左右。（3）桩间距：路堤荷载一般包括一下几项：路堤荷载高度，H1；路面结构层荷载厚度，H2；汽车荷载，H3；路堤荷载
p=［（H1 H3）×γs H2•γ2］； （4）复合地基沉降量计算：根据经验或工程实际选择几个置换率，然后根据下式求出相应的沉降量。
作出复合地基沉降与置换率的关系图线，根据沉降及差异沉降控制标准确定较为合理的置换率。再由置换率及布桩形式确定桩间距。
（5）复合地基承载力验算：
式中：天然地基承载力可根据天然地基承载力静载等试验确定，或根据地质条件估算。单桩承载力可由静载荷试验确定，或根据下式估算：
若承载力不满足要求，再对置换率进行调整设计。
A.桩体强度确定：桩体试块抗压确定平均值应满足下式要求：
当桩体强度不满足时，为了施工方便，最好在同一个工程中采用统一的桩体强度，即配合比相同，可以通过加密桩间距进行调整，有利于减小不均匀沉降。
B.褥垫层厚度确定：采用刚性承台，褥垫层材料多为粗砂、中砂或碎石，不宜选用卵石，因为其咬合力小，褥垫层厚度一般为10～30cm。对于大桩距的情况，褥垫层厚度应加厚，为了形成柔性承台，减小不均匀沉降，增加路堤的整体稳定性，应适当增加褥垫层厚度，并在垫层中增设一到两层土工格栅。高速公路软基处理中一般需根据桩距进行估算，公式：
2 CFG桩复合地基的工程应用
2.1 工程背景
广州至肇庆高速公路二期工程K5 410~K5 572.50段路基宽47.2m、长近162.5m，路堤与一河道斜交（河道约30m宽），河道中间与两侧附近的淤泥厚度变化极不均匀（两者厚度相差约10m~13m），地形较平坦，以旱地为主，地面标高约为5.1~7.2m，该路段软土以淤泥、淤泥质亚粘土为主，其含水量约为26.3%~66.6%，天然孔隙比为0.651~1.712之间，承载力低，直接快剪凝聚力C在5~10kPa，摩擦角Φ在0o~12.8o之间，再加之路堤填土高（8.4m），通过稳定性计算，不能满足路基稳定和沉降要求。因此，该路段的软基需采取必要的工程措施进行处理。
2.2 实用设计方案
（1）桩长的确定：对于一般情况，CFG桩需打设至持力层下1.0m～1.5m。针对上述实际工程，根据地质资料，该路段软土层厚约20.6m，以下为全风化泥质粉砂岩，故桩长取21.6m。
（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，需要进行复合地基承载力的计算。根据CFG桩复合地基的特点和分析，笔者建议承载力的估算采用如下简易实用的方法：
式中：fsp，k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；Ap为CFG单桩截面积；α＝fsk/fk/fsk为加固后桩间土承载力标准值；β＝0.75～0.95；Rk为CFG单桩承载力标准值。在己知天然地基承载、单桩承载力标准值和复合地基承载力标准值的条件下，求出置换率m。根据高速公路软基处理特点，建议在高速公路软基处理中，桩径取500mm，桩体强度取C12～C15，在计算时取桩间土发挥系数β＝0.9，桩间土强度提高系数α＝1.5，采用正方形布桩时桩间距l可用下式估算：
根据上述滑塌段路堤填土高度、路面结构层厚度、车辆动载以及适当的安全贮备等情况，复合地基承载力标准值fsp，k取250Kpa，天然地基承载力标准值fk取45Kpa。考虑到留有一定的安全贮备以及便于施工，实际桩距应取l=1.50m。
（3）沉降估算：CFG桩复合地基的最终累计沉降量可下式进行估算：
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；αi，αi-1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；ζ为加固区土的模量提高系数；ψ为沉降计算修正系数。 3 施工工艺与质量控制
大量的工程实践表明，CFG桩复合地基承载力方面不会有太大的问题，但是CFG桩的施工经常会出现缩径和断桩，难以穿透厚的硬土层，施工时会产生较的振动及噪音污染。
如何避免出现断桩是CFG桩施工的重要问题。只要做好CFG桩施工前的工艺试验，加强施工过程的监测，一般可以避免上述成桩质量事故的产生，特别是断桩事故的发生。通过试验段的CFG桩施工，发现CFG成桩质量主要由施工过程中桩头与套管的垂直程度、提升套管的高度、拔管速度、留振时间等因素决定的。因此在沉管前，
在已成桩的桩顶埋设标尺，观察施工对已成桩的挤压情况，防止己成桩受挤压而断裂并了解地面地冒情况。具体的质量控制要点如下：
（1）试桩。
施工工艺性试验可配合工程桩施工进行，主要考查设计的施工打顺序、桩距能否保证桩身质量。试桩不少于5根，试桩成功后方可进行大面积施工。
（2）沉管和拔管工艺。
桩机就位后，首先对机械进行调平和对中，根据桩机顶部吊下的垂球即可控制垂直度，垂直度控制在1%以内。位置偏差为大于10cm。在开始沉管时，桩头垂直套入套管内，防止因套管与桩头接触不紧密而使淤泥挤入套管中，沉管时锤头落距不能过大（不大于1.5m），防止因冲量太大而造成套管与桩头分离。当套管沉入到下承层时，加大沉入力度，使套管沉放下承层不小于1.0m。
达到要求的沉管深度后，加入事先拌和好的混合料进行成桩施工。在制作桩体时应特别注意拔管的高度与速度。在没有施工现场成桩试验等有关参数时，桩管内灌满混合料后，应先锤击5～10s，再开始边锤击边拔，以防止桩底出现吊脚现象。每次拔管高度宜控制在1.0～2.0m，拔管速度控制在1.0m~1.4m/min以内，每提升管1.5m~2.0m时，留振10s，当离地面2m时，拔管速度控制在0.5m~0.7m/min以内，每米留振20s；拔管过程中，应分段添加混合料，桩管内混合料始终高于拔管高度1.5m，以保证桩身的完整性。当拔管通过淤泥夹层时，应适当放慢拔管速度，以防止桩身出现缩径现象。
关键词：CFG桩复合地基；软基；高速公路；处理
1 CFG桩复合地基实用设计方法
1.1 CFG桩复合地基的设计思路
在长期的工程实践中，复合地基的设计方法可归结为以下三类：（1）正常使用极限状态的承载力作为控制条件，以正常使用极限状态的沉降量作为验算条件；（2）正常使用极限状态的沉降量作为控制条件，以正常使用极限状态的承载力作为验算条件；（3）沉降量和承载力双控制。对于第一种设计思路，其适用条件为CFG桩复合地基加固的土体性质较好、桩体强度大且置换率较高的情况，按承载力为控制条件，沉降量一般会满足要求。当CFG桩复合地基加固的土体性质差，如淤泥、欠固结填土等，往往出现承载力满足，但沉降不满足的情况。特别是在高速公路软基处理中，其置换率一般较低、路堤荷载较小，更容易出现沉降或差异沉降不满足。从而前面两种设计思想，在两个条件都满足的情况下，有可能会出现当其中的一个条件满足时，另外一个条件有较大的富裕的问题，这样就会在物力和财力上造成较大的浪费。因此最佳的设计是两个条件同时满足，这就要求在设计的过程中寻求最优方案。但由于影响CFG桩复合地基承载和变形的因素较多，针对沉降量和承载力两个约束条件的情况，就桩径、桩长、桩距、置换率等多个设计参数人工寻求最优解存在较大的困难。
由上述的讨论分析可知，采用第二种设计思路对高速公路CFG桩复合地基进行设计较为适宜。
1.2 实用设计方法
（1）桩长：CFG桩复合地基的一个重要原则是要求桩落在好的土层上，因此桩长是复合地基设计时候首先需要确定的参数。它取决于承载力和变形的要求、地质条件和设备能力等因素，并且前桩端应该进入持力层0.5～1.0m。（2）桩径：CFG桩桩径的确定取决于采用的设备，一般桩径为35cm～60cm，路堤荷载作用下，为了减小不均匀沉降，应采用相对较小的桩径以达到相对较密的桩间距，一般取50cm左右。（3）桩间距：路堤荷载一般包括一下几项：路堤荷载高度，H1；路面结构层荷载厚度，H2；汽车荷载，H3；路堤荷载
p=［（H1 H3）×γs H2•γ2］； （4）复合地基沉降量计算：根据经验或工程实际选择几个置换率，然后根据下式求出相应的沉降量。
作出复合地基沉降与置换率的关系图线，根据沉降及差异沉降控制标准确定较为合理的置换率。再由置换率及布桩形式确定桩间距。
（5）复合地基承载力验算：
式中：天然地基承载力可根据天然地基承载力静载等试验确定，或根据地质条件估算。单桩承载力可由静载荷试验确定，或根据下式估算：
若承载力不满足要求，再对置换率进行调整设计。
A.桩体强度确定：桩体试块抗压确定平均值应满足下式要求：
当桩体强度不满足时，为了施工方便，最好在同一个工程中采用统一的桩体强度，即配合比相同，可以通过加密桩间距进行调整，有利于减小不均匀沉降。
B.褥垫层厚度确定：采用刚性承台，褥垫层材料多为粗砂、中砂或碎石，不宜选用卵石，因为其咬合力小，褥垫层厚度一般为10～30cm。对于大桩距的情况，褥垫层厚度应加厚，为了形成柔性承台，减小不均匀沉降，增加路堤的整体稳定性，应适当增加褥垫层厚度，并在垫层中增设一到两层土工格栅。高速公路软基处理中一般需根据桩距进行估算，公式：
2 CFG桩复合地基的工程应用
2.1 工程背景
广州至肇庆高速公路二期工程K5 410~K5 572.50段路基宽47.2m、长近162.5m，路堤与一河道斜交（河道约30m宽），河道中间与两侧附近的淤泥厚度变化极不均匀（两者厚度相差约10m~13m），地形较平坦，以旱地为主，地面标高约为5.1~7.2m，该路段软土以淤泥、淤泥质亚粘土为主，其含水量约为26.3%~66.6%，天然孔隙比为0.651~1.712之间，承载力低，直接快剪凝聚力C在5~10kPa，摩擦角Φ在0o~12.8o之间，再加之路堤填土高（8.4m），通过稳定性计算，不能满足路基稳定和沉降要求。因此，该路段的软基需采取必要的工程措施进行处理。
2.2 实用设计方案
（1）桩长的确定：对于一般情况，CFG桩需打设至持力层下1.0m～1.5m。针对上述实际工程，根据地质资料，该路段软土层厚约20.6m，以下为全风化泥质粉砂岩，故桩长取21.6m。
（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，需要进行复合地基承载力的计算。根据CFG桩复合地基的特点和分析，笔者建议承载力的估算采用如下简易实用的方法：
式中：fsp，k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；Ap为CFG单桩截面积；α＝fsk/fk/fsk为加固后桩间土承载力标准值；β＝0.75～0.95；Rk为CFG单桩承载力标准值。在己知天然地基承载、单桩承载力标准值和复合地基承载力标准值的条件下，求出置换率m。根据高速公路软基处理特点，建议在高速公路软基处理中，桩径取500mm，桩体强度取C12～C15，在计算时取桩间土发挥系数β＝0.9，桩间土强度提高系数α＝1.5，采用正方形布桩时桩间距l可用下式估算：
根据上述滑塌段路堤填土高度、路面结构层厚度、车辆动载以及适当的安全贮备等情况，复合地基承载力标准值fsp，k取250Kpa，天然地基承载力标准值fk取45Kpa。考虑到留有一定的安全贮备以及便于施工，实际桩距应取l=1.50m。
（3）沉降估算：CFG桩复合地基的最终累计沉降量可下式进行估算：
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；αi，αi-1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；ζ为加固区土的模量提高系数；ψ为沉降计算修正系数。 3 施工工艺与质量控制
大量的工程实践表明，CFG桩复合地基承载力方面不会有太大的问题，但是CFG桩的施工经常会出现缩径和断桩，难以穿透厚的硬土层，施工时会产生较的振动及噪音污染。
如何避免出现断桩是CFG桩施工的重要问题。只要做好CFG桩施工前的工艺试验，加强施工过程的监测，一般可以避免上述成桩质量事故的产生，特别是断桩事故的发生。通过试验段的CFG桩施工，发现CFG成桩质量主要由施工过程中桩头与套管的垂直程度、提升套管的高度、拔管速度、留振时间等因素决定的。因此在沉管前，
在已成桩的桩顶埋设标尺，观察施工对已成桩的挤压情况，防止己成桩受挤压而断裂并了解地面地冒情况。具体的质量控制要点如下：
（1）试桩。
施工工艺性试验可配合工程桩施工进行，主要考查设计的施工打顺序、桩距能否保证桩身质量。试桩不少于5根，试桩成功后方可进行大面积施工。
（2）沉管和拔管工艺。
桩机就位后，首先对机械进行调平和对中，根据桩机顶部吊下的垂球即可控制垂直度，垂直度控制在1%以内。位置偏差为大于10cm。在开始沉管时，桩头垂直套入套管内，防止因套管与桩头接触不紧密而使淤泥挤入套管中，沉管时锤头落距不能过大（不大于1.5m），防止因冲量太大而造成套管与桩头分离。当套管沉入到下承层时，加大沉入力度，使套管沉放下承层不小于1.0m。
达到要求的沉管深度后，加入事先拌和好的混合料进行成桩施工。在制作桩体时应特别注意拔管的高度与速度。在没有施工现场成桩试验等有关参数时，桩管内灌满混合料后，应先锤击5～10s，再开始边锤击边拔，以防止桩底出现吊脚现象。每次拔管高度宜控制在1.0～2.0m，拔管速度控制在1.0m~1.4m/min以内，每提升管1.5m~2.0m时，留振10s，当离地面2m时，拔管速度控制在0.5m~0.7m/min以内，每米留振20s；拔管过程中，应分段添加混合料，桩管内混合料始终高于拔管高度1.5m，以保证桩身的完整性。当拔管通过淤泥夹层时，应适当放慢拔管速度，以防止桩身出现缩径现象。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200903/13918.htm
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