CFG桩网结构在高速铁路软基处理中的应用

谢大伟，黄志军，王 旭，余云燕

(兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070)

0 引言

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称(即cement fly－ash gravel pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩自问世以来，在房屋建筑基础地基加固工程中得到较为广泛的应用，取得了较好的技术经济效果，但其在铁路路基沉降控制中的应用才刚刚起步。与工业与民用建筑等其它土木工程行业所采用的CFG桩复合地基作用相比，高速铁路CFG桩复合地基主要用于对路基沉降和路基不均匀沉降的控制，这主要是为了满足高速列车对铁路线路沉降及平顺性的严格要求。

1 CFG桩网结构及其加固机理

1.1 CFG桩网结构

桩网结构于1975年由日本工藤升首次提出，并用于北海道石狩河堤岸改造的软土地基加固工程中。目前，桩(CFG桩等刚性桩)、帽(混凝土或钢筋混凝土桩帽)、网(土工格栅、钢丝网等)组合的“桩网结构路基”(亦称“桩网复合地基”)如图1所示，已成为一种路堤地基加固的经典组合方式，在铁路、公路、水工堤坝等工程中都有应用。

CFG桩网结构通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在软弱土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递，并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上CFG桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价。

图1 CFG桩网结构路基示意图

1.2 CFG桩加固处理机理

(1)桩体作用:CFG桩体材料是有一定强度的混合料，具有刚性桩的某些特性，全长桩体与周围土体有粘结性并有较强的摩擦阻力，桩底落在坚硬土层上时起到了端承桩的作用。在荷载作用下CFG桩的压缩性比地基土小得多，因此复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上，出现了应力集中现象。

(2)排水固结作用:CFG桩体本身是良好的排水通道，有利于地基中孔隙水沿桩体向上排出，有利于土体加快固结，并降低液化的可能性，增强土体抗液化能力。

(3)垫层作用:垫层是CFG桩复合地基的主要组成部分，可优化CFG桩复合地基的受力状态。垫层为CFG桩的向上刺入提供了空间，可保证在各种荷载作用下桩间土都参与工作，与桩体共同受力。

2 工程应用实例

2.1 工程背景

新建福厦铁路客运专线DK129+650～+770路基工程，软基处理采用CFG桩网结构加固，设计桩长5.0～11.5 m、桩径0.5 m、桩距1.3 m、呈梅花形布置，采用振动沉管灌注桩工法施工。桩顶设置0.5 m厚级配碎石垫层，其间铺设两层土工格栅。桩身水泥采用32.5R普通硅酸盐水泥，掺加抗侵蚀防腐剂，水泥掺入量不大于200 kg/m3，水泥与粉煤灰之比为1.0～1.2，石屑率为0.3左右，要求桩身强度不小于5 MPa。该段软土地基位于浅丘与滨海海积平原交互地带，地面标高5～8 m，相对高差2～5 m，自然横坡相对平坦，平原地表多为水田。线路以填方通过，最大中心填高11.0 m。上覆第四系全新统长乐组海积层及坡残积层粉质粘土、淤泥、粉砂;下伏侏罗系南园组第二段凝灰岩、凝灰熔岩。地基地层参数如表1所示。地表水主要为沟水、河水、塘水;地下水发育，主要为孔隙水及基岩裂隙水。水对混凝土具有中等硫酸型酸性侵蚀及中等溶出型侵蚀。

表1 地基地层参数表

2.2 CFG桩网复合地基施工工艺过程

该段路基工程软基处理是采用振动沉管灌注成桩，属挤土成桩工艺，对桩间土具有挤(振)密效应。其成桩工艺流程:

施工准备→桩尖的预制与埋设→桩机进场→桩机就位→准确对孔→沉管成孔→混合料搅拌及投料→提升沉管→泵送孔底混合料→边泵送边提升沉管→成桩→封顶→检测→清理桩间土及预留桩头→铺设褥垫层。

2.3 施工质量控制要点

施工过程中需进行以下几方面的质量控制及管理:

(1)CFG桩施工前先疏干地表水、清除杂物、整平场地，并进行成桩试验，以掌握该场地的成桩经验及施工技术参数。

(2)施工前应按《建筑地基处理技术规范(JGJ79－2002)》进行室内配合比试验，施工中应严格控制混凝土的配合比，坍落度控制在30～50mm。混凝土搅拌应均匀。室内块体试样28 d龄期无侧限抗压强度不低于5 MPa。

(3)成桩的拔管速度按试桩参数确定，一般为1.20～1.50 m/min，如遇淤泥或淤泥质土，速度应放慢，控制在0.6～0.8m/min，拔管过程中不允许反插。

(4)桩长偏差不大于50mm，桩有效直径不得小于设计值，桩体垂直度偏差不大于l%。

(5)成孔后应立即向管内一次投放混合料，之后留振5～10s，直到混合料与进料口齐平，每根桩的投料量不得小于设计灌注量，施工桩顶应高出设计桩顶标高不少于0.5m。对桩顶以下2.5m内采用插入振动棒捣固，以增加桩顶混凝土密实度。沉管拔出地面，确认成桩符合设计要求后，桩顶采用湿黏土封顶。成桩后桩顶浮浆厚度不得超过20cm。如果上料不足，须在拔管过程中空中投料。

(6)采用振动沉管机施工，顺序为隔桩隔行跳打，避免在成孔过程中将相邻已灌注完的桩体挤断。

(7)振动沉管机的沉管表面设有明显的进尺标记，根据设计桩长、沉管入土深度确定机架高度和沉管长度。沉管过程中每沉1 m应记录电流表一次，并对土层变化处予以说明。

(8)CFG桩施工完毕28 d后对CFG桩和CFG桩复合地基进行检测，复合地基承载力不应小于250 kPa，同时采用低应变测试方法对桩身质量进行检测，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，对砂性土地基可采用标准贯入或动力触探等方法检测挤密程度。静载荷试验数量取CFG桩总数的0.5% ～l%，但不少于3点，低应变检测数量一般取CFG桩总数的10%。

(9)褥垫层施工中碎石垫层碾压时，严禁采用强振方式碾压，砂垫层碾压时碾压机械不得在其上掉头行走。

(10)铺设土工格栅时要拉紧，使其产生拉力，施工机械不得直接在铺好的土工格栅上行走。

2.4 检测结果及效果评价

(1)基桩低应变检测。本工程随机抽检了已施工完成桩总数的10%进行CFG桩完整性检测，共计525根，均采用低应变反射波发检测。结果为Ⅰ类桩484根，占抽检桩总数的92.19%;Ⅱ类桩41根，占抽检桩总数的7.81%，未发现严重缺陷桩和断桩，均属于完整性或基本完整性桩，桩身质量满足设计要求。

(2)复合地基静载荷试验检测。单桩复合地基承载力要求不小于250kPa。使用堆载平台法(正方形刚性承压板面积1 m2)提供试验反力，逐级加载直至加载结束，然后分级卸载到零。最大试验荷载不小于设计要求的2倍即500 kN，按8级逐级加荷。每加一级载荷前后分别读记承压板沉降量一次，当1小时内沉降增量小于0.1mm时可加下一级荷载。卸载级数为加载级数的一半，等量进行，每卸一级，间隔半小时，读记回弹量。待全部卸载后三小时，再读记回弹量。试验结果表明，在加载至584 kN时，地基总沉降量为5.10mm，沉降量不大，地基受压尚未进入极限状态，承载能力还有一定富余，如图2所示。根据《建筑地基处理技术规范(JGJ79－2002)》规定，可取最大试验荷载的一半即292 kN确定为复合地基的承载力特征值，292kN ＞250kN，因此，所试验的CFG桩单桩复合地基承载力完全满足设计要求。

图2 Q－S曲线

(3)桩间土静力触探试验。静力触探试验是在成桩28 d后测试的，从试验结果看，沿深度锥入阻力仅在砂土层处有略微增长，其余深度处几乎无变化。因此，加固后桩间土承载力没有增加，可以认为CFG桩对软土基本无挤密作用。这种现象与饱和软土自身的性质有关，与较低的面积置换率也有一定的关系。

3 结束语

高速铁路路基沉降控制是保证路基施工质量的重要措施。作为一类地基加固处理的方法，CFG桩网结构由于具有承载力提高幅度大、施工后沉降较小，是一种适用广泛、安全可靠、经济的桩基新技术。工程实践表明，通过严格的质量控制和管理，CFG桩网结构在高速铁路的软基加固中可以取得较好的效果。另外，由于CFG桩施工速度快、工期短、质量容易控制，且CFG桩不配筋，并能利用工业废料变废为宝，经济实用。所以CFG桩网结构可以在高速铁路上有效地处理软土路基。

［1］阎明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［2］HAN J，GABR M A.Numerical analysis of geosynthetic－reinforced and pile－supported earth platforms over soft soil［J］.Journal of Geotechnical and Geo－ environmental Engineering，ASCE，2002，128(1):44－53.

［3］郭忠贤，王斐，刘骏.CFG桩复合地基在深厚软土地基中的应用［J］.建筑技术，2000，31(3):168－169.

［4］JGJ79－2002，建筑地基处理技术规范［S］.

［5］JGJ106－2003，建筑基桩检测技术规范［S］.

［6］申耀伟.某铁路CFG桩复合地基试桩静荷载试验与分析［J］.山西建筑，2008，34(16):284－285.