CFG桩在沿海高铁的应用与体会

吴培荣

(东南沿海铁路福建有限责任公司，福建福州　350013)

The Application and Experience of CFG-pile in Wenzhou to Fuzhou Coastal Railway

WU Peirong

CFG桩在沿海高铁的应用与体会

吴培荣

(东南沿海铁路福建有限责任公司，福建福州350013)

The Application and Experience of CFG-pile in Wenzhou to Fuzhou Coastal Railway

WU Peirong

摘要温福线海相软土分布较广，厚度大、成因类型及地层结构复杂、工程力学性质差。在全线投资控制严格的情况下，部分软基地段采取了CFG桩这种较为经济的地基加固措施。鉴于当时CFG桩在铁路软土加固工程中应用较早，施工中出现了一些病害。通过对工点病害情况的分析、补充钻孔以及开挖后桩体施工的实际情况，查明了病害出现原因。结合工点实际情况，提出了管桩、灌注桩、旋喷桩、反压护道等不同的处理方案。在总结温福线CFG桩的实践经验，提出CFG桩在设计和施工中一些需要注意的问题。

关键词铁路CFG桩病害处治措施

温福铁路北起温州南站，途径浙江省温州市，穿越分水关后，进入福建省宁德市、福州市，南端接入外福线樟林站，是我国东部沿海铁路的重要组成部分。

沿线温州至苍南线路主要通过海积平原，对厚度大于20 m的深厚层软土原则上以桥梁通过，但在附近有大量挖方或隧道弃碴可用时，经过技术经济综合比较后，尽可能降低填方高度，可以以路堤通过。由于CFG桩可以利用挖方和隧道弃碴，保护了环境，且施工方法简单，周期相对较短，处理地基后承载力较高等优点，沿线部分路基采取CFG桩对海积平原软弱基础进行加固，是我国铁路中较早采用CFG桩加固软土的铁路。由于部分施工单位对CFG桩在滨海相、泻湖相、溺谷相沉积土中的施工经验不足，以及局部地段地质条件非常复杂，在施工中出现了一些CFG桩病害。

1地质概况

1.1　地形地貌

温福线地处闽浙二省东部沿海地带，线路所经地区地形地貌较为复杂，地形总的趋势是西北高、东南低。其中苍南至福州以低山丘陵为主，地势起伏较大，峰顶高程200～800 m，多呈尖顶状，自然坡度20°～50°；局部分布滨海海积平原，主要位于各河口及海湾滩涂地带，海岸线曲折，湾内多为淤泥质漫滩。

1.2　工程地质

在滨海平原及滩涂区，广布全新统淤泥和淤泥质土，局部地段夹有泥炭。土质松软饱水，软塑至流塑状，具有高压缩性和高触变性、低承载力等特性。

1.3　水文地质

本区地下水类型有：松散岩类孔隙潜水、裂隙水(基岩裂隙水、风化裂隙水)。除第四系冲洪积潜水、断层裂隙水较丰外，一般地下水欠发育。

2CFG桩加固地基机理

CFG桩对地基的加固作用主要表现在其置换作用、排水作用、桩间土改良作用、桩对土的约束作用。

置换作用：水泥浆将碎石和石屑这些骨料粘结起来形成一个整体，使得CFG桩起到了桩体的作用，能承担大部分的上部荷载。张尚东[1]、邢仲星[2]、阎明礼[3-4]等研究表明，置换作用的大小，取决于桩体的直径、材料组成、强度、弹性模量、泊松比等(如图1)。

图1　复合地基

排水作用：沈旦申[1,5]研究发现，由于CFG桩桩体渗透系数较桩间土大，在成桩初期，透水性较好，使桩周土处于一个良好的排水环境，加速了桩周土的固结，特别对于砂性土效果比较明显(如图2)。

图2　桩的排水作用

桩间土的改良：CFG桩采用振动沉管等排土、挤土工艺，提高了桩间土的强度。对于不同土体，桩间土的加固方法及效果不同，对于黏性土改良作用较为明显；对于砂类土，改良作用基本没有改变，但振密的效果显著(如图3)。

图3　桩间土的改良

桩对桩间土的约束作用：周德培[6]、阎明礼[3-4]等研究表明，复合地基中，桩间土由于受到桩的侧向位移限制，会形成桩间竖向土拱，使桩间土抵抗垂直变形的能力加强(如图4)。

图4　桩对土的约束效应

3CFG桩常见破坏及病害

3.1　设计方面

在设计时，对于碎石类竖向增强体桩，考虑的破坏主要为四种模式[7-8](如图5)。

图5　竖向增强体复合地基破坏模式

刺入破坏：表现为桩体承载能力不足，桩体直接刺入下卧层，引起路基产生较大的竖向位移，破坏时主要表现为路堤冲切破坏或路基竖向沉陷。

鼓胀破坏：CFG桩在承受到上部荷载后，向下卧层传递荷载，由于桩周土体较软，对桩的约束力较小，CFG桩容易产生受压轴向鼓胀破坏。破坏时主要表现为路基整体下沉，拉裂等，且主要发生在浅层。

桩体剪切破坏：主要发生在复合地基浅层土体非常软弱、竖向增强体为柔性桩、布桩不够时，导致浅层桩周土剪切破坏。这种破坏可以通过用较好的土料来置换地基表面较差的土来解决[9]。

滑动剪切破坏：主要发生在桩对桩周土体的抗侧向变形抵抗力不足，发生桩身剪切破坏。破坏时主要表现为路堤失稳发生坍塌等现象，其破坏面主要呈弧线形状。

CFG桩由水泥浆黏结，其黏结强度较高，抗压强度高，但由于其没有配筋，其抗拉强度与抗剪强度较低，主要容易发生竖向刺入破坏、滑动剪切破坏两种类型的破坏。

3.2　施工作业

CFG桩成桩时主要病害为桩身缩颈、夹泥甚至断桩，灌注时混凝土拒落，沉桩时进水，CFG桩未达到预定持力层，成桩时受周边影响破损[10-11]。

(a)桩身缩颈、夹泥、断桩：施工作业时，在遇到淤泥或淤泥质土时，拔管过快，淤泥涌入，造成桩身缩颈、夹泥甚至断桩[12]。

(b)拒落：在CFG桩灌注拔管时，活瓣被周围土包住打不开，或者封底的泥浆过干在管底形成栓塞，最终导致桩下部无充填物或桩底不密实[10]。

(c)进水：CFG桩在砂层灌注或者遇到承压水时，地下水涌入水泥浆中，造成CFG桩碎石不能很好的粘合在一起，形成缺陷。

(d) CFG桩未达到预定持力层：在地质复杂、土层变化较大的地方施工时，由于局部地区含有软弱下卧层或者透镜体，常造成桩没有进入设计的持力层，造成路基不均匀沉降。

(e)成桩时受周边影响破损：CFG桩在成桩前，其自身强度比较低，且由于没有配筋，其自身的抗剪强度较小。在CFG成桩前，大型施工机械的碾压，CFG钻机没有间隔打桩，甚至因为近距离的施工便道上重型机械通过，或者既有铁路列车经过时造成的震动，都有可能造成CFG桩破损。

对于海相软土，由于加固区土层较软，且含水量较大，上述的施工病害极易在施工中发生。铁道第四勘察设计院开发了布袋注浆桩，较好的解决了CFG桩在海相软土中的施工问题[13-15]。

4路基病害原因及处治

温福铁路路基工程中以大量的深厚层软基为其主要特点，其中软土或松软土路基路基共有44 614.07 m/60处，占路基工程总长56 633.6 m的78.77%。沿线软土成因类型复杂，主要包括滨海相、泻湖相、溺谷相沉积，由于沉积类型不同，软土分布厚度、工程性质均有较大差别。主要采取的地基加固措施有CFG桩、预应力管桩、强夯置换、水泥搅拌桩、高压旋喷桩、碾压片石、挖除换填和排水固结等。

4.1　DK209+148.33～+338.00工点

在该段路堤填筑至高4.5 m时，发现在DK209+220～+255路堤顶面中偏右出现2 mm宽的纵向长35 m裂缝，右侧坡脚及反压护道出现裂缝；3日后裂缝发展到60 m长，裂缝里程DK209+200～+260。同时，DK209+200～+260路基中心开裂沉降继续发展，由于路基向右滑移，原2～3条裂缝向下塌落逐渐形成一条宽度达20～40 cm的裂缝，DK209+170～+280段右侧坡脚鼓胀开裂继续发展，最大宽度20～40 cm， DK209+170～+280左侧坡脚有开裂情况，裂缝1～2条，最大宽度1 cm。

病害产生的主要原因：①DK209+220～+255路堤处于丘陵坡脚附近的沿海滩涂区，补充钻探显示，在路基的一个横断面范围内，土层有较大变化，路堤穿过养殖鱼塘，造成桩身断桩，路堤产生冲切下沉。②CFG桩大面积施工的经验不足，造成单桩承载力不足，导致路堤下沉滑移。

处治措施：

①DK209+148.33～+161.53段，为防止地基向己施工完成的半山特大桥福州台纵向位移，采用地基钻孔灌注桩(取土桩)加固。

②DK209+161.53～+305发生下沉滑移段，地基采用管桩重新加固。

③DK209+305～+338软土厚小于2.5 m段，地基采用挖除表层松软土，换填A组填料处理。

4.2　DK247+595～DK248+100工点

该段路堤填筑至高5.09 m，距路肩面2.5 m时，停止填筑。放置3个月后发现DK247+700处左侧排水沟开裂，同时向左侧位移。再经过3个月，该段最大位移量左侧为21 cm，右侧为1 cm，最大位移处里程为DK247+700。左半幅填筑面微向左倾斜，DK247+675处1-4.0×4.7 m框架涵、八字墙及二节涵身向左拉开。路肩右侧电缆槽下沉最大约9 cm，坡脚水沟铁路侧有外挤现象(如图6、图7)。

图6　路肩下沉

图7　骨道开裂

病害产生的主要原因是在地质条件复杂地段，施工单位未按设计意图进行施工，设计桩长虽然足够，但是桩端未进入持力层，造成单桩承载力不足，导致路堤变形过大。

处治措施：

①路堤在填筑过程发生位移后，填筑高度距路肩2.5 m，高路堤设计填高8.49～9.42 m，且地质条件复杂，地基采用管桩补强加固。

②DK247+595～+609.8、DK247+755.2～+770二段，为防止挤土及震动影响邻近己施工完成的CFG桩，地基采用钻孔灌注桩(取土桩)加固。

③在桩施工前于基底范围内铺设1.0 m厚C组以上填料工作垫层，施工完成后于桩顶设置0.6 m碎石垫层，并于其间铺设一层高强度土工格室。土工格室高0.1 m，其抗拉强度≥180 MPa，延伸率≤10%，焊缝强度≥1 500 N/10 cm。

4.3　DK270+270～DK270+701.99工点

该段路基在填筑完成后1个月内，浆砌片石路肩与骨架护坡连接处出现横向裂缝，裂缝出现后，在路基两侧采取反压护道，护道宽15～35 m、高3.5 m，并没能阻止边坡裂缝的发展。

该段路基产生病害的主要原因有两个方面。一是该段2004年定测时为稻田，地面高程3.8～4.2 m。2006年8月施工进场时，该段已经挖为水塘。2007年6月受“飞燕”台风，导致暴雨成灾，地面积水深1.2 m，长达2天，退水过后骨架下沉开裂。

二是CFG桩在抬高工作垫层情况下按设计桩长施工，造成桩端下部尚有部分软弱地基，以及下卧卵石土表层承载力较低，导致施工期沉降过大，边坡开裂(CFG桩底未进入设计地层)。

处治措施：

①DK270+281.6～+685.59段地基采用预应力管桩补强。

②DK270+270～+281.6与+685.59～+701.99二段，为防止挤土及震动影响邻近己施工完成的CFG桩，地基采用钻孔灌注桩(取土桩)加固。

4.4　DK260+673.82～+921工点

该段路堤填筑到离CFG桩桩顶4.85 m，在左线中心附近产生弧状宽15 mm裂缝，随后发生路基失稳坍滑。

该段路堤发生较大弧度的溜塌，路基边坡表面开裂明显，应是桩抗剪强度不足，发生了滑动破坏。

CFG桩抗剪强度不足的主要原因是：

(1)由于重载施工便道紧贴右侧路堤坡脚，便道地基没有加固处理，施工运输土石方的重载汽车经过，来回震动，对初凝阶段CFG桩造成影响。

(2)CFG桩大面积施工经验不足，造成部分CFG桩断桩。

处治措施：

DK260+673.82～+810基采用旋喷桩地基；

DK260+673.82～+766.0右侧设反压护道；

DK260+810～+904.170段软土地基采用管桩加固；

DK260+904.17～+921.57段软土地基采用C30钢筋混凝土钻孔灌注桩加固。

5CFG桩处理沿海软弱地基体会

CFG桩首次在温福铁路软基处理中进行了试验与应用，大部分工点达到了设计预期，还是有部分工点产生了各种病害，有许多经验及教训值得我们去吸取，建议在今后的勘察设计及施工过程中加以改进。

(1)针对滨海相软土含水量大、强度低、触变性高等特点，应以桥代路的方案通过海积平原或滩涂区，从本质上保证铁路工程的安全。

(2)沿海地段古地貌复杂，持力层高程起伏大，建议加强地质调查和走访，查明古地貌形态，加密勘探点，勘探孔深要进入一定厚度的持力层。

(3)在大面积施工前应进行一定面积的试桩，取得适应自身工点的CFG桩施工参数和工艺。

(4)针对CFG桩施工过程中出现的断桩、缩颈、浮桩等问题，施工单位应加强施工工艺的管控，正确了解设计意图。

(5)对于紧邻公路的CFG桩加固工点，特别是重载车辆频繁通过产生的振动对初凝阶段的CFG桩有很大的影响的地段，建议对CFG桩加固措施进行变更。

(6)对于紧邻桥台、涵洞地段10～15 m，建议采用钻孔桩(取土桩)加固，隔离CFG桩，减缓CFG桩挤土效应对桥桩的影响。

参考文献

[1]张尚东,娄国充,刘俊彦.CFG桩复合地基特性分析及承载力计算[J].石家庄铁道学院学报,2000(S1):15-18

[2]邢仲星,陈晓平.复合地基力学特性研究及有限元分析[J].土工基础,2000(2):1-4

[3]阎明礼,吴春林,杨军.水泥粉煤灰碎石桩复合地基试验研究[J].岩土工程学报,1996(2):55-62

[4]吴春林,阎明礼,杨军.CFG桩复合地基承载力简易计算方法[J].岩土工程学报,1993(2):94-103

[5]沈旦申.粉煤灰混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1989

[6]周应华,周德培,冯君.推力桩桩间土拱几何力学特性及桩间距的确定[J].岩土力学,2006(3):455-457

[7]龚晓南.广义复合地基理论及工程应用[J].岩土工程学报, 2007(1):1-13

[8]龚晓南.复合地基理论及工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2002

[9]TB10012—2004铁路工程地质勘察规范[S]

中图分类号：TU472.3+2

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)03-0060-04

作者简介：吴培荣(1966—)，男，2004年毕业于福州大学交通工程专业，高级工程师。

收稿日期：2015-03-03