水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)在公路软基处理中的应用

■谢 彬 ■中铁十四局集团第四工程有限公司，山东 济南 250002

在高速公路建设中，CFG桩处理加固软土地基是20世纪90年代出现的一种地基处理技术，由水泥、碎石、粉煤灰掺水拌合，用普通振动沉管机或长螺旋钻机施工而成。成桩后由桩、桩间土、褥垫层共同组成复合地基承受路堤荷载。CFG桩复合地基能够大幅提高原地基承载力，减小沉降变形，且可调整桩基间距来满足不同地基承载力的要求，具有可调性大的优点。

1 工程概况

江西某高速公路KXXX+130-KXXX+350段位于花岗岩地质区，地貌为微丘岗阜，自然坡度10°-20°，植被发育一般，自然边坡稳定。本段路基原设计为清除表土后直接填筑路基，填方高度为7-13米。在路基填筑过程中未发现异常现象，当填筑至约9米高时，路基右幅约27米(滑裂面至边坡坡脚距离)范围突然出现沉陷、滑移，垂直下沉最大处约2米，水平侧滑最大处约4米。滑移发生后，立即对路基塌方段进行了地质勘察分析，以查明地层分布和地下水埋藏条件。

经地质勘查，原地表以下分布有软土，厚度为0-7m，软土为灰黑色淤泥质粉质粘土，处于饱和状态。在路基填筑过程中，堆土荷载引起软土中产生较高的超静孔隙水压力，使软土摩擦强度降低，造成路基产生滑移。

2 地质勘察情况

2．1 地质剖面图

图1 滑裂段地质剖面图

2．2 各地层岩性特征

第①层:填筑土

填筑土:褐红色，土质稍密-中密，主要由粘土夹少量花岗岩中风化碎块组成，碎块分部不均，碾压后堆积时间不足一年。

第②层:淤泥质粉质粘土

灰黑色，流塑，成份以粘粒为主，土质不均匀，含有少量腐殖质，有臭味，干强度差，韧性好，无振摇反应，手捻有较强砂感。

第③层:砂质粘性土

褐黄色，可塑，成份以粘粒为主，土质不均匀，约含20-30%粗砂，干强度一般，韧性差，无振摇反应。

第④1层:花岗岩 全风化

棕黄色夹灰褐色，全风化，原岩结构已破坏但依稀可辨，钻进较快，岩芯呈土柱状，局部呈散砂状。

第④2层:花岗岩 强风化

灰白色，灰褐色，强风化，粗粒花岗结构，厚层状构造，节理裂隙发育，机械破碎，岩芯呈土柱状夹块状，块径2-3cm，岩质硬，锤击不易碎。

第④3层:花岗岩 中风化

灰白色，中风化，粗粒花岗结构，厚层状构造，节理裂隙发育，机械破碎，岩芯呈短柱状夹块状，节长5-7cm，块径4-6cm，岩质硬，锤击不易碎。

2．3 各岩土层的物理力学指标

根据地质钻孔资料和土工试验，该路段各主要岩土层的物理力学指标如下。

表2 -1各岩土层的物理力学指标

3 方案选择

根据地勘资料揭露，地基软土层较厚，采用换填法开挖方量大，难以施工且工程造价过高，规范要求一般换填深度不宜超过3m，所以本次处理考虑采用复合地基，主要在砂石桩、深层水泥搅拌桩和水泥粉煤灰碎石桩之间进行比选。本路段位于花岗岩地质区，地表下约8米位置可见花岗岩风化层，能提供较高的端阻力，从而缩短桩长，减少费用，而砂石桩虽有良好的挤密和排水效果，但无法发挥桩端阻力作用，在本次处理中难以达到地基承载力大幅提升的效果;深层水泥搅拌桩虽然能最大程度利用原土，具有费用低的优势，但其强度受原土影响大，本滑坡段路基底淤泥层较厚，含水量大，呈流塑状，为高压缩性土，不适合采用水泥搅拌桩;水泥粉煤灰碎石桩能同时发挥桩的侧阻和端阻作用，其桩身材料中加入工业废料粉煤灰，降低了工程造价;同时，本次处理必须解决厚层软土侧向沉降滑移问题，砂石桩不具备抗剪能力，水泥搅拌桩抗滑移能力也较差，在类似处理中已有失败案例，而水泥粉煤灰碎石桩竖向和水平抗剪能力均较强，特别是外侧桩基可通过配置钢筋增加其水平抗力，相当于抗滑桩，针对性强，效果尤其明显。综合经济技术比较，本次软基处理采用水泥粉煤灰碎石桩基复合地基。

4 CFG桩基设计

4．1 参数设计

根据地质情况，场内标高8米以下存在花岗岩全风化层，层厚约3米，地基承载力300Kpa，压缩模量15．0Mpa，可作为持力层，CFG桩长拟定为10m。

桩径的选择与施工设备有很大关系，目前CFG桩施工工艺主要有长螺旋钻孔灌注成桩和振动沉管灌注成桩两种，长螺旋钻孔灌注成桩适合于地下水位以上的粘土、粉土和路基填土，振动沉管灌注成桩适合于粘土、粉土、淤泥质土、填筑土、松散砂土等地质，本工程有0-6．6m深的淤泥质粉质粘土，且振动沉管施工在江西使用较多，故选用振动沉管工艺，桩径设计为500mm。

目前复合地基承载力计算方式较多，应用较普遍的一是将桩间土承载力和单桩承载力进行合理组合叠加，二是用天然地基承载力扩大一个倍数两种，本文按叠加法进行设计计算。首先计算单桩承载力特征值如下:

式中:UP-—CFG桩的周长;

qsik-—第i层土的侧阻力特征值，按表2-1查得;

h—第i层土厚度;

qpk-—桩端持力层端阻力特征值，查阅建筑桩基技术规范，取值2000;

Ap-—桩的截面面积(㎡);

K—安全系数，取2．0。

经计算，Rk=418KN(取Rk=400KN)

路基中心填土最高处为13m，参考湖南省公路工程地基触探实验规定，高速公路路堤填高12-16m时，要求地基承载力≥155Kpa，即复合地基承载力特征值fspk≥155Kpa，在已知天然地基承载力特征值、单桩承载力特征值和复合地基承载力特征值得情况下，按下式求得置换率

式中:Rk-—单桩承载力特征值，按式3-1求得;

fspk—复合地基承载力特征值(Kpa);

m—面积置换率;

fk—天然地基承载力特征值(Kpa)，按表2-1查得;

α—加固后桩间土承载力标准值与天然地基承载力标准值之比，取1．00;

Ap—桩的截面面积(㎡);

β—桩间土强度发挥度，取0．90。

经计算 m=0．042(取 m=0．04)

拟采用梅花形布桩，按下式计算桩间距S

式中:d—桩身直径(m);

m—置换率，按式3-2求得。

经计算桩间距 S=2．38m，(取 s=2．40m)

根据以上公式计算的参数，代入下式计算此时的复合地基承载力特征值

经计算，fspk=171kpa＞155kpa，满足要求。

桩体配比按桩体强度控制，桩体试块抗压强度应满足下式要求:

经计算，fcm≥6114kPa，CFG桩混合料强度选C10即可，塌落度为180～200mm。

4．2 桩位布置

图2 CFG桩平面布置示意图

图3 CFG桩处理立面图

5 施工工艺

5．1 CFG桩施工工艺流程图

5．2 关键工序控制

CFG桩经过20多年的施工摸索实践，工艺比较成熟，但在实际施工中，由于人为操作不当，频频出现缩颈断桩等缺陷，影响处理效果。下面重点谈谈在施工各个环节中如何避免出现缺陷，保证成桩质量。

5．2．1 桩基施工顺序设计

针对不同的地质情况，CFG桩的成桩顺序主要分为硬质地基连打，软质地基跳打两种。本处理段地表下存在近7米的软基，新打桩在软土层施工时，对相邻已打桩产生挤压效果，若旁边已打桩混凝土未凝固，会被新打桩挤压成椭圆或不规则形，产生缩颈甚至断桩，大大降低CFG桩的承载力，故采用隔桩跳打施工方案。

同时施工时桩机的振动力较大，在先打桩施工完成后，土体密度会显著增加。随着施工完成的桩越多，土的密度越大，在补打新桩时，即便采用隔桩跳打，若已打桩强度不高，仍可能被振裂甚至振断。所以本工地补打新桩时至少确保相邻已打桩达到7d强度。具体施工时采用从大里程方向向小里程方向打进，第一遍打完后返回来补打跳过的桩，既满足已打桩施工强度需要，也不会浪费工期。

5．2．2 混合料灌注工艺

振动沉管到设计标高后立即向管内投料，直到混合料与进料口齐平。混合料拌合时间不得少于1min。加水量按塌落度10cm控制，成桩后浮浆厚度不超过20cm。有些施工单位，灌注混合料时担心钻头阀门打开宽度不够，造成桩底部缩颈，喜欢先提钻30cm再灌注混合料，这种操作有很大弊端，首先提钻过程中可能使钻头上的土掉进桩孔;其次，当桩端为透水层时，提钻后地下水会迅速充满该空间，对灌注混合料形成清洗，造成桩底离析。所以应避免提钻灌料，为保证桩底质量，最好是在设计桩长时将粘性土层作为桩端持力层。

混合料与进料口齐平后，启动马达，振动5～10s开始提管。施工中注意控制提管速度，提管速度太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩;速度过慢又会造成水泥浆分布不匀，形成混和料离析现象，导致桩身强度不足。桩的提拔速度控制在1．2m/min～1．5m/min为宜，如遇淤泥或淤泥土质，提管速度适当放慢。我工地桩长介于9m～12m之间，每次提管时间控制在8分钟左右，保证成桩的质量。

提管过程避免反插，反插时因桩杆垂直度的偏差，容易使土与砼混合在一起，影响桩身质量。灌注完成后，若发现桩顶标高稍低于实际桩顶标高，不再往管道里灌注混凝土，避免钻头脱离地面时掉在桩顶的泥土被浇筑在桩中，形成夹层，应待挖除桩顶土层，施工桩帽时再进行接桩。

5．2．3 褥垫层施工注意事项

CFG桩完成28天后可开始褥垫层施工，褥垫采用30cm碎石铺设，用小型挖掘机清理桩头，挖除桩间土，此道工序要特别注意，许多工地在挖掘机协助工作时，由于操作不当及机械碾压，致使部分CFG桩在桩头下0．4～2m处开裂，形成断桩，本工地为减小对桩间土的干扰，同时避免破坏桩体结构，在挖至褥垫层底部标高以上10cm后采用人工清理桩间土。

6 结语

本次路基侧滑处理共施工CFG桩1100根，采用1台振动打桩机，施工周期20天，经低应变检测未出现缩颈、断桩等缺陷，均为Ⅰ类桩。处理完成后，经静载实验，复合地基承载力达到180-200Kpa，满足路基填筑要求。路基填筑完成至今近1年，未发现有路基沉降现象。本方案快速、高效的处理了此次路基侧滑事故，充分体现了CFG桩复合地基施工方便，周期短，费用低，地基承载力提高明显等特点，值得今后类似工程参考借鉴。

［1］CFG桩复合地基技术及工程实践．北京:中国水利水电出版社，2001．

［2］JGJ79-2012，建筑地基处理技术规范，北京:中国建筑工业出版社，2012．

［3］JGJ794-2008，建筑桩基技术规范，北京:中国建筑工业出版社，2008．

［4］GB50007-2011，建筑地基基础设计规范，北京:中国建筑工业出版社，2011．