水泥搅拌桩和CFG桩复合地基在软土路基处理的工程应用及对比分析

　　摘要:本文介绍了水泥搅拌桩和CFG桩复合地基两种常用的软土路基处理方法，基于地基沉降和承载能力双重控制考虑，结合工程实际情况，从设计和施工两个方面对两种软土路基处理方法进行优化设计和对比分析，软土路基处理要因地制宜综合利用地基处理方法，通过优化设计和合理施工可以减少差异沉降，具有很好的理论价值和工程实际意义。
　　关键词:软土路基，水泥搅拌桩，CFG桩，复合地基，承载力，沉降
　　1前言
　　复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由两种不同刚度（或模量）的材料基体(天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基[1-5]。近些年来，复合地基技术在房屋建设(包括高层建筑)、高等级公路、市政、高铁、堆场、机场、堤坝等工程建设中得到广泛应用。水泥搅拌桩和CFG桩都是两种典型的复合地基处理方法。本文结合工程实际情况，基于基于地基沉降和承载能力双重控制考虑，对软土路基处理中常用的两种复合地基处理方法进行优化设计和对比分析，具有很好的理论价值和实际意义。
　　2两种处理方法的基本概念
　　水泥搅拌桩法是利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度额和增大变形模量。水泥深层搅拌桩加固机理是通过水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体[4-7]。
　　水泥搅拌桩的布桩形式非常灵活，可以根据荷载要求及地质条件选择加固形式，根据地层结构采用适当方法进行沉降计算，由构筑物对变形的要求确定加固深度，选择施工桩长。软土路基处理都是在满足强度要求的条件下以沉降进行控制。根据土质条件、固化剂掺量、室内配比试验资料和现场工程经验选择桩身强度和水泥掺入量及有关施工参数。根据桩身强度大小及桩的断面尺寸，计算单桩承载力；根据单桩承载力及土质条件计算出有效桩长；根据单桩承载力、有效桩长和上部结构要求达到的复合地基承载力，极端桩土面积置换率；为了对水泥搅拌桩进行优化设计，确定最优置换率、最优桩体刚度及有效桩长[3，6，8]。
　　水泥粉煤灰碎石桩法（简称CFG桩），是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和，用振动（锤击）沉管打桩机或其它成桩机具形成高粘结强度桩，并由桩、桩间土和褥垫层一起组成复合地基的地基处理方法。CFG桩其主要用来加固地基，和被挤密的桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同承担上部荷载。褥垫层是桩与桩间土形成复合地基的必要条件，其加固软土地基主要靠桩体作用、挤密作用和褥垫层作用。CFG桩不同于碎石桩，是具有一定粘结强度的混合料，在荷载作用下CFG桩的压缩性明显比其周围软土小，因此基础传给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上，出现应力集中现象，复合地基的CFG桩起到了桩体作用[4，9，10]。
　　每一种地基处理方法，都有其使用的地质条件和范围，以及特定的施工方法，在不同的条件下会遇到不同的问题，都要因地制宜具体分析。对复合地基进行优化设计，合理选用最好的处理方法或几种方法综合同时利用，最大限度地提高复合地基的承载潜力，在保证安全的前提下尽可能地选用经济合理的地基处理方法，降低工程造价。
　　3两种地基处理方法的对比分析
　　对于处理复杂软土路基，必须对每一种地层组合计算复合地基的承载力和变形，如果变形满足要求，则地基承载力也满足要求，反之则不一定成立，因此变形验算和调整是复杂地质条件下进行复合地基设计与施工的重点，但现行规范中并未给出这种条件下的设计方法，而设计人员为回避风险，常设计长30m以上的桩基础，造成了很多的浪费。传统复合地基理论属于强度控制理论范畴，假定上部荷载全部由地基增强体来承担，完全不考虑地基土的承载能力，设计中通常采用等代墩基分层总和法计算，但地基土是能够分担荷载的，随着地基增强体间距增大，构筑物的沉降和差异沉降略有增加，但不迅速增加。由于涉及到两种或两种以上性质差异较大的材料所组成的复合地基，其应力应变协调机理比较复杂，对复合地基合理优化设计，就是突破常规限制，使地基土工作于极限承载力状态下，在总体承载力和沉降量双重控制下，使复合地基的局部和整体的差异沉降尽可能的小，从而进一步控制差异沉降。
　　对于水泥搅拌桩：
　　单桩承载力标准值
　　（1）
　　（2）                                 
　　复合地基承载力（3）
　　沉降（4）
　　对于CFG桩：
　　单桩承载力标准值（5）
　　（6）
　　复合地基承载力（7）
　　沉降（8）
　　式中：为强度折减系数，一般取0.3-0.5；为桩身试块的无侧限抗压强度平均值（Kpa），为桩的截面积（m2），为桩的平均直径（m），为桩长范围内第层土的厚度（m）；为第层土的侧壁摩擦力标准值（Kpa）；为桩端土承载力标准值（Kpa）；为单桩竖向承载力标准值（KN），为桩端土承载力折减系数，一般取0.3-0.6；为复合地基承载力标准值（Kpa），为桩间土天然地基承载力标准值（Kpa），为桩间土承载力折减系数，反映桩土间共同作用，一般取0-1.0；为桩群体变形（mm），为桩端末加固土层变形（mm），为桩群体的变形模量（Kpa），为桩底面各土层的变形模量（Kpa），为桩群底面宽度（m），为桩长（m）；，为桩群底面末加固土层的附加应力系数。为桩体28天立方体试块强度（Kpa），为面积置换率；为沉降计算经验修正系数；为桩、土应力比；为加固区分层数；为总的分层数；为荷载在第层中产生的平均附加应力Kpa）。
　　从两种复合地基处理方法中单桩承载力和复合地基承载力的计算来看，单桩竖向承载力标准值都是在桩本身承载力（受桩身强度控制）和桩土共同作用时承载力（受地基土承载力控制）中取较小值，复合地基承载力则都通过桩间土承载力折减系数和面积置换率来考虑桩土共同作用。但是两种复合地基处理方法的加固机理完全不同，水泥搅拌桩主要是靠水化作用、硬凝作用和碳酸化作用等物理化学作用，而CFG桩主要靠桩体作用、挤密作用和褥垫层作用等物理作用。水泥搅拌桩设计时主要确定桩径、桩长、褥垫层、加固范围、水泥掺入量，桩的承载力以及桩的布置形式等。水泥搅拌桩适用于路基不稳定，软土厚度较大的地段。施工技术成熟，工期短，处理效果较好，实际工程中使用广泛，在各种复合地基处治方案中造价较低，但施工监理难度大，对软基下部搅拌不易均匀，处理的深度有限。而CFG桩设计时主要确定桩径，桩距，桩长，桩体标号、褥垫层等；CFG桩适用于软土厚度大、承载力要求高的桥涵构造物及高路堤地段，处理的厚度大于15米。施工工期短，处理效果好，质量容易控制，可处理深层软土，但施工工艺复杂，工程造价高，具有沉降量小、承载力高、稳定快、工期短等特点。
　　4、工程应用实例分析
　　本工程位于广州市海珠区南洲路，地基软土为海陆交互淤泥质土上分布较广，埋藏较浅，层顶深度1.50m-8.10m，层厚2.0m-13.10m、平均厚度6.0m,淤泥质土均为饱和、流塑状态，其天然含水性高，孔隙比大，压缩性高，强度低，渗透系数小，对于埋藏较浅、较厚的路段对路基和构造物承载力都有很大影响。本工程软土路基处理综合考虑本项目所在场地的地质情况，施工工期、施工工艺、取材、工程造价等因素，并充分吸取珠三角地区软基处理的成功经验，进行多方案的经济技术比较和合理优化设计，才选择最佳地基处理方案。对于一般软土或垃圾填埋路基，当处理深度在2.5m以内时，采用浅层换填的处理措施，对于超过2.5m处理深度的软土路基，采用水泥搅拌桩或CFG桩+袋装砂井两种地基处理方法。为了在整体承载力和沉降量都满足要求的基础上尽量减少差异沉降，本工程实际施工中采用以下两种方式，一种是根据变形的大小调整各计算点的置换率调整桩间距，通过试算变形直到满足要求为止；另一种是有意布置短桩，在沉降小的部位布置短桩，增加桩端压缩层厚度。
　　本工程采用的水泥搅拌桩桩径为0.5m，按正三角形布置，处理深度应穿过软土层至少0.5m，桩顶设置50cm的粗砂垫层采用四喷四搅工艺，桩身强度保证不少于1.0Mpa，对于一般路基，横向处理范围为路基坡脚外1m，桩间距为1.5m，对应加固后的复合地基承载力应达到100Kpa。对于桥头路段，桩间距应适当减少，根据具体实际计算，有些减少到1.0m。
　　对于构造物地基软土处理，本工程采用CFG桩+袋装砂井处理20m深度以内的软土，采用7cm袋装砂井，CFG桩直径0.4m，按矩形布置，桩的立体抗压强度大于12Mpa,在CFG桩之间插设Φ7cm袋装砂井、桩间距纵向2.0m，砂垫层厚50cm，上铺1层双向土工格栅，CFG桩和袋装砂井均穿透软土层。对于桥头软基路段，采用CFG桩和袋装砂井处理20cm深度以内的软土，采用7cm袋装砂井，CFG桩直径40cm，按矩形布置，在CFG桩之间插设袋装砂井，桩间距纵向由2.2m逐渐减少到1.8m，砂垫层60cm厚，上铺两层双向土工格栅。
　　通过对以上两种复合地基处理方法成桩后的单桩复合地基承载力试验和工后沉降进行检查对比分析，两种复合地基处理的单桩复合地基承载力试验和工后沉降都符合设计要求，达到预期的结果。CFG桩和袋装砂井两者结合使用在软土地基处理，可以有效的提高地基承载力，并能有效的减少路基加载后深层沉降和侧向位移，满足了路基工后沉降及稳定的要求。广州地区地质条件相当复杂，在某些条件下使用水泥搅拌桩复合地基也能取得预期的效果。
　　水泥搅拌桩和CFG桩复合地基两种处理方法在软土路基中应用广泛，都有自己的优点和适用性，工程实际中要根据各自特点加以选用或综合应用。复合地基优化设计就是要充分发挥复合地基的承载潜力，在整体承载力和沉降量都满足要求的基础上使差异沉降接近于零。复合地基设计时要因地制宜选择复合地基方案或综合利用各种复合地基处理方案，合理选择持力层位置，优化设计参数，在整体安全度和平均沉降量双重控制下，让复合地基在接近极限荷载条件下工作必须坚持变形控制和变形协调的原则，使构筑物在荷载作用下各部分均匀变形和协调发展。减少差异沉降还可以合理优化施工来实现,一种是根据变形大小非均匀布桩调整各计算点的置换率；另一种是有意布置短桩，在沉降小的部位布置短桩，增加桩端压缩层厚度，从而使地基各点均匀沉降。
　　
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