CFG桩复合地基加固技术在莘县特大桥的应用

尹光凯

（中电建路桥集团有限公司，北京 100089）

0 引言

随着岩土工程加固技术的快速迭代，单一地基处治技术逐渐被复合处治技术所替代。CFG 桩（Cement Flyash Gravel Pile）是水泥、砂、卵碎石等一系列原材料在夯击作用下形成的桩体，再通过与褥垫层和桩间土共同组成了CFG桩复合地基，CFG桩属于刚性桩和柔性桩之间的桩型[1-2]。与其他桩基础不同的是，CFG复合地基的桩与桩之间能够实现共同作用，由此形成受力整体，对来自上部的荷载进行有效承担[3]。针对天然地基不均匀、稳定性较差的情况，CFG 桩复合地基处理技术具有加固效果好、安全性和灵活性较优等优点，在铁路工程、多层建筑中逐步得到推广。

但在现代铁路工程，特别是特大桥工程中，CFG 桩虽然有一定的应用，但对CFG桩复合地基加固措施的分析较少，影响其进一步推广应用。因此，本文以莘县特大桥CFG桩为例，提出了针对性的复合地基加固措施，以期提高桥梁加固施工的工程质量。

1 工程概况

本次选择的标段为莘县特大桥，线路位于华北平原西南缘，主线起点位于聊城莘县，终点位于山东和河南省的交界处，正线全长27.7km。该线路从聊城市莘县尹营村开始，途经十八里铺镇和张寨镇，止于河南与山东的省界。该条线路地貌类型主要是冲洪积平原和黄河冲击平原，地势开阔，地形平坦，地表主要为耕地，局部是林地和城镇。城市、居民点和村镇分布密集，田地和种植区广袤分布，并有纵横交错的灌溉河渠。

在地质情况方面，其隶属于华北地层系，且具有较广的分布范围。地层主要是第四系全新统冲积层粉土、黏土及粉砂等，局部含有少量的淤泥质粉质黏土，并伴有不少钙质结核，通过测量，该层厚度在20~50mm之间。第四系上同样含不规则钙质结核，局部富集厚度为30~40cm。下伏基岩主要是泥灰岩和砂质泥岩等，局部上覆填筑土、素填土以及人工堆积而成的杂填土，厚度具有较大的变化幅度。

地质构造方面，位于华北地震区，地震活动较为强烈。自中生代以来，该处地壳运动保持以下降为主的趋势，新生界地层覆盖较厚，因此掩盖大部分构造形迹。标段内以太子河、草佛寺沟、范莘干渠等7条河流为主，第四系孔隙潜水是主要的地下水类型，赋存于粉土和砂类土中，埋深1.5～23.2m，水质较好。标段线路为暖温带季风型大陆性气候，春季干旱少雨，夏季炎热，雨量充沛。秋季旱涝不均，冬季雨雪稀少。

2 CFG桩复合地基加固施工要点

2.1 施工前准备

施工前需清理和平整场地，同时确定具体的开挖设计标高，即桩顶标高加上0.5m。然后通过光轮压路机进行碾压。钻机就位需要稳固、平整，切忌出现移动和倾斜。平整场地后通过红线两侧排水沟进行排水，并由石灰画网格线实现准确定位[4]。为了实现钻孔深度的精准控制，钻架上必须配备控制深度的标尺。同时钻机就位后桩位中心与钻杆需保持垂直对准状态，桩位纵横方向的偏差限定在5cm 之内，确保CFG 桩垂直度偏差在1%以下。

2.2 混合料配制

基底通过CFG 桩进行加固，桩径为0.5m，间距为2.2m。碎石垫层铺设于桩顶，厚0.5m，并在垫层中有一层双向径编涤纶土工格栅。桩帽为C35混凝土，混合料强度在C20 以上。CFG 桩桩体混合料是由碎石、水泥、砂、屑、粉煤灰加水搅拌而成。其中，水泥采用42.5级以上普通硅酸盐水泥；石屑率控制在0.25～0.33之间；采用含泥量为5%以下的干净中粗砂；粉煤灰细度保持在45%以下。在质量控制中，碎石粒径控制在20mm内，进场原材料按照批次试验，砂含泥量始终在5%以下。

在进行混合料搅拌时，搅拌时间必须在60s以上，坍落度控制在160~200mm范围内。

2.3 钻孔成桩

长螺旋钻孔成桩技术采用非挤土方法钻孔，可明显减少对桩土的扰动，钻孔优势较强，因此莘县特大桥CFG桩采用长螺旋钻孔和管内泵压混合料成桩。

按照已设计的桩径、桩深钻进成孔。CFG桩桩点设置如图1所示。

图1 CFG桩桩点设置

钻头到达既定标高，以动力头底面所在位置相应的钻机塔身作为桩长控制的依据，钻机施打按照线路中心线逐步扩散至两侧进行[5]。所有桩的投料量需要多于设计的灌注量，拔管必须在混合料充满钻芯管后进行，速率应在1.2~1.5m/min范围内。在此过程中，拔管以混合料充满钻杆芯管为判断标准，桩顶浮浆维持在50cm 上下，完成灌注成桩才能进行桩头处理，并且需要养护桩顶覆盖。同时在成桩过程中需要保证钻头一直在混合料中，并避免停机待料情况出现。上一根桩完成后，通过钻机移位施工下一根桩，此过程需要复核施工桩位，最大程度上保证桩位的准确性。

移动钻机时防止扰动已灌注好的桩，避免造成浅层断桩和未凝固的桩体断裂或变形。CFG桩施工完成7d后，利用小型挖掘机将高于桩帽顶20cm桩间土挖除，采用人工清理至桩帽顶上5cm位置，将弃土清理至施工区域外，采用小型振动压路机碾压夯实桩间原状土，尽量保证原状土高程与桩帽顶设计高程相一致。CFG 桩桩顶设桩帽为圆形，主要制作材料为C35 钢筋混凝土，直径为1.2m，嵌入桩顶0.1m，厚0.4m。

通过钻机本身的垂直度调控器进行垂直度的调节，在下沉前，钻杆垂直度必须保证复合调整，偏差控制在1%以内。由于混合料坍落度达到一定程度时，产生的桩顶浮浆会过多，影响了桩体强度，所以将混凝土搅拌时间保持在120s。严格把控拔管速率，以避免桩顶浮浆过多或缩颈断桩。

3 试桩内容与方法

CFG 桩的受力特性始终在素混凝土桩和碎石桩之间，为了验证所设计的CFG桩在最大承载力方面的良好表现，在施工前通过试桩，对竖向承载力下所呈现的破坏性进行检测。

3.1 试验加载终止条件

3.1.1 单桩加载终止条件

采取慢速荷载法对单桩竖向静载进行检测，此过程的加载终止条件有3种。

（1）在施加一定级别的荷载下，桩顶沉降量比上一级荷载沉降量高出5倍，桩顶总沉降量大于40mm；

（2）某级荷载施加下，桩顶沉降量高于上一级荷载沉降量的2倍，同时经过24h后，桩顶沉降并不满足相对稳定标准；

（3）已经达到设计的最大加载值。

3.1.2 复合地基终止加载条件

复合地基的终止加载条件有4种情况：

（1）沉降量出现急剧增加，压板周围有明显裂缝，或者有土被挤出[6]；（2）累计沉降量已经为90mm；（3）累计沉降量超过荷载板宽度的10%；（4）某级荷载施加下，沉降量高出前一级两倍，历时24h并未稳定。

满足其中一个条件，即可终止加载。根据实际情况，设计的加载装置示意图如图2所示。

图2 加载装置示意图

3.2 试桩过程及承载力计算

3.2.1 试桩过程

试桩时，将预估最大荷载的1/10作为加载级差，并经逐级等量加载。对于第一级，选择2倍加载量实施加载，并且在所有级的荷载维持中，确保数值稳定。每次加载完成后，按照第5min、15min、30min和60min进行试桩沉降量的测试，并且每隔30min测读一次，直到所得沉降速率能够满足相对稳定标准，才实施下一级加载，这是对于测读时间的规定。在卸载阶段，所有级别的荷载维持时间均为1h，同样按照第5min、15min、30min 和60min的时间节点进行测读，到达0时，测定处于稳定状态的残余沉降量，通常在180min 左右。稳定标准为在1h内所呈现的沉降量小于0mm，并且此种情况需要连续出现2次。

3.2.2 单桩承载力试验

对于CFG单桩承载力，其计算公式如式（1）所示。

式中：Rk——单桩承载力所要求的标准值，kN；

UP——桩的周长，m；

i——土的层数；

qsik——极限侧阻力所定标准值，kPa；

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hi——第i层土的厚度；

AP——单桩截面面积，m2；

qpk——桩端土要求的极限端阻力标准值，kPa；

k——安全系数，范围在1.5~1.6之间中。

3.2.3 复合地基承载力计算

CFG桩复合地基所具有的承载力按下式计算：

式中：fsp,k——复合地基承载力所得标准值，kPa；

m——面积置换率；

α——桩间土强度提高系数；

β——桩间土强度发挥系数；

fs,k——天然地基承载力求得的标准值，kPa。

4 CFG桩复合地基加固质量检验结果分析

4.1 承载力检测

检验CFG桩处理后的单桩以及复合地基承载力，通过检测机构抽检总桩数的2‰，并将抽检路段划分为A、B、C、D、E五个区域，所得CFG单桩和CFG复合地基的承载力和回弹率统计。总桩数2‰的抽检结果表明，CFG复合地基的回弹率最高超过了30%，且承载力都在800kN以上，承载力较高，满足工程质量要求。

4.2 工程质量检验

对于该工程的质量检验，首先通过单桩静载荷试验和复合地基静载试验进行。从该工程的CFG 桩中随机选取6 个桩，CFG 单桩桩号分别命名为O、P、Q，CFG 复合地基中的桩号则命名为X、Y、Z，然后由CFG桩的静载试验得到复合地基P-S 曲线和单桩F-S 曲线变化情况见图3。

图3 复合地基P-S曲线和单桩F-S曲线

通过曲线分析可知：根据CFG 复合地基从740kPa到148kPa 荷载下，与横轴总体上保持平行，仅仅在148kPa 到0kPa 阶段存在较大回弹。在具有代表性的118#、147#和169#三根桩号荷载试验中，所得结果如图4所示。从图4中可知，CFG复合地基最大沉降量分别为15mm、12mm 和11mm，均在20mm 以内，且未发生Q-S曲线陡降，验证了该方法的有效性，同时也说明该加固工程能够满足质量检验要求。

图4 三根桩号荷载试验下的Q-S曲线

5 结束语

CFG 桩以施工简便，耗时较短的特点，在建筑工程中应用优势显著。本文以莘县特大桥的某一标段工程为例，首先分析了该段工程的施工特点，然后提出了CFG桩复合地基加固施工要点，最后通过承载力测定和静荷载试验对工程质量进行了检验。结果表明，在总桩数2‰的抽样检验中，CFG桩处理后的复合地基承载力均在800kN 以上，质量达到设计要求，为桥梁地基加固工程施工及质量管理提供了参考。

需要提出的是，该方法对于CFG桩承载力的计算并没有进行相应地优化，可能影响结果的准确性，因此有待在此方面进一步探讨。