谈CFG桩复合地基技术在公路工程中的应用

1前言
　　CFG桩复合地基是近年来在碎石桩加固地基的基础上发展起来的一种地基处理技术。该技术在北京、天津、廊坊、石家庄、唐山、成都、南宁、深圳、德州、长春、哈尔滨、新疆等地多层、高层和超高层建筑、工业厂房地基处理工程中得以广泛使用，并取得良好的经济和社会效益。目前，已逐步应用到公路工程建设当中，并具有极好的应用前景。
　　本文就从CFG桩及其复合地基的基本知识、加固机理以及施工工艺技术、质量控制要点和常见问题处理几方面进行了较为系统的介绍，以期为广大公路设计和建设者们提供一些有益的帮助。
　　2 CFG桩及其复合地基知识概述
　　2.1 CFG桩
　　CFG（Cement Flying-ash Gravel pile）桩是在碎石桩桩体中掺加适量的粉煤灰、石屑或砂、水泥及特种添加剂加水拌合，用各种成桩机械制成的一种高粘结强度桩体的简称。就其功能原理来讲属于地基处理范畴,桩身可在全长范围内受力，和桩基相比，由于CFG桩可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基的1/3～1/2。CFG桩施工速度很快，一台设备10～15天可处理1000平米地基。目前已应用于公路建设的软基处理、桥涵台背处理和结构物基底处理工程等项目中。
　　2.2 CFG桩复合地基
　　CFG桩复合地基由CFG桩、桩间土及褥垫层三部分构成。其构造示意图如图1所示。
　　其加固机理总体来说就是：褥垫层受上部基础荷载作用产生变形后以一定的比例将荷载分摊给桩及桩间土，使二者共同受力。同时土体受到桩的挤密而提高承载力，而桩又由于周围土的侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部传来的荷载。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间士表面应力大。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，沉降变形减小，并同时提高了土体的抗剪强度，亦可使CFG桩避免产生刺入破坏的可能。

　　2.3 CFG桩复合地基加固机理
　　2.3.1 CFG 桩加固机理
　　CFG 桩加固地基的机理主要表现在桩体置换和桩间土挤密两方面：
　　1）桩体置换作用。水泥经水解和水化反应以及与粉煤灰的凝硬反应后生成稳定的结晶化合物，这些化合物填充了碎石和石屑的空隙，将这些骨料黏结在一起，因而提高了桩体的抗剪强度和变形模量，使CFG 桩起到了桩体的作用，承担大部分上部荷载。
　　2）对桩间土挤密作用。CFG 桩在处理砂性土、粉土和塑性指数较低的黏性土地基时，采用振动沉管等排土、挤密施工工艺，提高了桩间土的强度，并通过提高桩侧法向应力增加了桩体侧壁摩阻力，使单桩承载力也提高了，从而提高复合地基承载力。
　　2.3.2 设置褥垫层的基本原理
　　据有关试验资料表明，地基不设置褥垫层与设置一定厚度的褥垫层，其桩间土承担荷载的情况有明显区别。如图2、图3 所示。
常用铺设一定厚度一定级配的砂石、碎石或粗砂、中砂形成厚度为10 ～ 30cm 的褥垫层，使基础荷载向桩间土扩散，调整桩体和桩间土承担竖向荷载的比例，由此产生桩体与桩间土共同承担上部荷载的作用。因此，设置褥垫层的基本原理主要体现在保证桩与桩间土共同承担荷载和均匀地基应力，减小地基沉降变形两个方面。
　　

　　
　　3 施工工艺技术
　　CFG桩施工工艺较简单，其施工主要是成桩机械和混凝土拌和设备。操作方便，施工进度较快，质量能够保证。但成桩设备不同，工艺流程也略有不同。
　　 3.1.采用长螺旋钻孔灌注成桩工艺流程
　　桩位放点→搅拌混凝土→长螺旋钻机就位、成孔→压灌素混凝土→边提升钻杆边压灌素混凝土→成桩、桩体养护→检测→清桩间土及预留桩头→铺设褥垫层。
　　3.2采用振动沉管灌注成桩工艺流程
　　施工准备→桩尖的预制与埋设→桩机进场→桩机就位→沉管→混合料搅拌及投料→拔管→封顶→检测→清理桩间土及预留桩头→铺设褥垫层。
　　4 CFG桩施工质量控制的要点
　　4.1深入了解地质情况，选用合理的成桩工艺，减少施工扰动
　　在施工过程中，成桩的施工工艺对CFG桩复合地基的质量至关重要，不合理的施工工艺将造成重大的质量问题，甚至导致质量事故，而要选择确定合理的施工工艺必须深入了解地质情况。同时，CFG桩复合地基区别于桩基的主要特点就是：充分考虑利用桩间土的承载力，所以施工中应减少扰动土而引起土的强度降低。CFG桩成桩工艺中，选用哪一类成桩机和什么型号，与土的性质具有密切关系，要视工程的具体情况而定。
　　所以，在施工准备阶段，应根据地质情况合理地选用施工机械。这是确保CFG桩复合地基施工质量的有效途径。
　　4.2采用正确的打桩顺序(以振动沉管机施工为例)
　　(1)在饱和软土中成桩，桩机的振动力较小，当采用连打作业时，由于饱和软土的特性，新打桩将挤压已打桩，使已打桩被挤扁形成椭圆状或不规则形状，严重的产生缩颈和断桩。此时，应采用隔桩跳打施工方案。
　　(2)在饱和的松散粉土中施工，由于松散粉土振密效果好，先打桩施工完后，土体密度会有显著增加。而且，打的桩越多，土的密度越大。在补打新桩时，一是加大了沉管难度，二是非常容易造成已打桩断桩。此时，隔桩跳打方法不宜采用。
　　 (3)当满堂布桩时，不宜从四周转向内推进施工，宜从中心向外推进施工，或从一边向另一边推进施工。但仅凭打桩顺序的改变并不能完全避免新打桩的振动对已结硬的已打桩产生影响。此时，应采用螺旋钻引孔的方案，避免新打桩的振动造成已打桩的断桩。
4.3严格控制拔管速率
　　 控制混合料泵送量与拔管速度相匹配，不得停泵待料。拔管速率太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩，而拔管速率过慢又会造成水泥浆分布不匀，桩顶浮浆过多，桩身强度不足和形成混和料离析现象，导致桩身强度不足。故施工时，应严格控制拔管速率。正常的拔管速率应控制在1.2～1.5米／分，一般桩顶浮浆可控制在10厘米左右。
　　4.4控制好混合料的坍落度
　　大量工程实践表明，塌落度的大小对CFG桩施工质量影响最为显著。混合料坍落度过大，会形成桩顶浮浆过多，形成砼的离析和泌水，桩体强度也会降低,而且会导致砼流动性降低，频繁堵管。坍落度控制在3～5厘米时，和易性好，成桩质量容易控制。
　　 4.5设置保护桩长
　　每根桩在加料时，要比设计桩长多加0.5米桩长的混合料。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。在上部基础施工时再将保护桩长剔除掉，确保成桩与设计标高一致。同时褥垫层铺设应保证桩顶以下30-50mm，即桩体嵌入褥垫层30-50mm 。
　　4.6 加强施工过程中的监测和反馈
　　在施工过程中，应加强监测，及时发现问题，以便针对性地采取有效措施.重点应做好施工场地和已打桩桩顶标高观测；经纬仪跟踪进行桩轴线的控制；及时抽查浇筑质量；对承压水压力较高的场地应钻探深井降低水压力；褥垫层施工前，桩间浮土必须清除干净等几方面的监测工作。
　　5 常见问题处理
　　CFG桩施工中最常见的成桩质量问题就是出现缩颈、断桩现象，桩体强度不足和不均。
　　5.1原因分析
　　(1)由于土层变化，在高水位的粘性土中，振动作用下会产生缩颈。
　　(2)灌桩填料没有严格按配合比进行配料、搅拌以及搅拌时间不够。
　　(3)在冬期施工中，对粉煤灰碎石桩的混合料保温措施不当，灌注温度不符合要求，浇灌又不及时，使之受冻或达到初凝。雨季施工，防雨措施不利，材料中混入较多的水分，坍落度过大，从而使强度降低。
　　(4)拔管速度控制不严。
　　(5)冬期施工冻层与非冻层结合部易产生缩颈或断桩。
　　 (6)开槽及桩顶处理不好。
　　5.2防治措施
　　(1)要严格按不同土层进行配料，搅拌时间要充分，每盘至少3分钟。
　　(2)控制拔管速度。用浮标观测(测每米混合料灌量是否满足设计灌量)以找出缩颈部位，每拔管1.5～2.0m，留振20秒左右(根据地质情况掌握留振次数与时间或者不留振)。
　　(3)出现缩颈或断桩，可采取扩颈方法(如复打法、翻插法或局部翻插法)，或者加桩处理。
　　(4)混合料的供应有两种方法。一是现场搅拌，一是购买商品混合料。但都应注意做好季节施工。雨期防雨，冬期保温，都要苫盖，并保证灌入温度满足规范要求。
　　(5)每个工程开工前，都要做工艺试桩，以确定合理的工艺，并保证设计参数，必要时要做荷载试验桩。
　　(6)混合料的配合比在工艺试桩时进行试配，以便最后确定配合比(荷载试桩最好同时参考相同工程的配合比)。
　　(7)在桩顶处，必须每1.0～1.5m翻插一次，以保证设计桩径。
　　(8)冬期施工，在冻层与非冻层结合部(超过结合部搭接1.0m为好)，要进行局部复打或局部翻插，克服缩颈或断桩。
　　(9)施工中要详细、认真地做好施工记录及施工监测。如出现问题，应立即停止施工，找有关单位研究解决后方可施工。
　　(10)开槽与桩顶处理要合理选择施工方案，否则应采取补救措施，桩体施工完毕待桩达到一定强度(一般7d左右)，方可进行开槽。

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