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摘要:本文主要是研究了CFG桩复合地基在铁路工程中的应用,分析了CFG桩复合地基的特性和优点,探讨了铁路工程中CFG桩复合地基的桩土协调变形机理和负摩阻力作用机理,以及施工中施工检测及验收时注意的问题，得以推广CFG桩复合地基的在工地中的实施。
关键词:CFG桩复合地基,铁路工程,桩土协调变形,负摩阻力作用，施工检测及验收
随着社会的发展,工程建设规模日益扩大、技术要求也越来越高。目前CFG桩复合地基技术在国内已有许多省市应用，就工程类型而言，有工业与民用建筑，也有高耸构筑物；有多层建筑，也有高层建筑。常见的为楼房越建越高而要求的地基承载力越来越高,列车越行越快而要求的轨道越来越平顺,这就要求地基沉降控制的精度也越来越高。随着我国高速铁路的运行,我国客运专线建设发展迅猛，所有这些对铁路质量要求越来越高,不仅要满足地基承载力的要求,更重要的是要满足沉降变形的要求。因此,为了满足这些要求,通常需要对天然土层进行人工加固处理。复合地基作为主要的加固手段之一,以其良好的经济效益和社会效益,得到越来越广泛的应用。
1 CFG桩复合地基特点
由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺适量水泥加水拌和,用各种成桩机制成的可变强度桩,称之为水泥粉煤灰碎石桩(Cement Flyash Graval pile , 简称CFG桩) ,强度等级为C5～C15 。复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体,并由原土和增强体共同承担由基础传来的建筑物荷载的一种人工地基,增强体一般是由强度和模量相对原土高的材料组成,而CFG桩是粘结强度桩,桩体强度高,弹性模量也很大,因而它可以很好地充当复合地基的增强体。
（1) CFG桩复合地基的工程特性。
承载力提高幅度大、可调性强:CFG桩桩长可以从最多可以到20多米,并且可全桩长发挥侧摩阻力,桩承担的荷载占总荷载的百分比可在40 %～75 %之间变化,使得复合地基承载力提高幅度大并具有很大的可调性。当地基的承载力较高时,荷载又不大,可将桩长设计得短一点,荷载大时,桩长可设计得长一点。特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高时,用柔性桩复合地基一般难以滿足设计要求,CFG桩复合地基则比较容易实现。适用范围广:对基础形式而言,CFG桩既可适用于条形基础、独立基础,也可适用于筏基和箱形基础。就土性而言,CFG桩可用于填土、饱和及非饱和黏性土,既可用于挤密效果好的土又可用于挤密效果差的土。当CFG 桩用于挤密效果好的土时,承载力的提高值既有挤密分量又有置换分量;当CFG 桩用于不可挤密土时,承载力的提高只与置换作用有关;当土的承载力特征值f ak ≤50 kPa 时,CFG桩的实用性值得研究;当为塑性指数高的饱和软黏土,成桩时土的挤密分量为0 。承载力的提高唯一取决于桩的置换作用。由于桩间土承载力太小,土的荷载分担比太低,因此不宜再做复合地基。刚性桩的形状明显:对柔性桩,特别是散体桩,它们主要是通过有限的桩长(6～10) d 传递垂直荷载。当桩长大于某一数值后,桩传递荷载的作用已显著减小。CFG桩像刚性桩一样,可全桩长发挥侧阻力,桩落在好的土层时,具有明显的端承作用。桩体的排水作用:CFG桩在饱和粉土和砂土中施工时,由于沉管和拔管的振动,会使土体产生超空隙水压力。较好的透水层上面还有透水性较差的土层时,刚刚施工完的CFG 桩将是一个良好的排水通道,空隙水将沿着桩体向上排出,直到CFG桩体结硬为止,这样的排水可延续几个小时。时间效应:利用振动沉管机施工将会对周围土产生扰动,特别是对灵敏度较高的土,会使结构破坏、强度降低。施工结束后,随着恢复期的增长,结构强度会有所恢复。复合地基变形小:复合地基模量大、建筑物沉降量小是CFG桩复合地基最重要的特点之一。大量工程实践证明,CFG桩复合地基对沉降能控制到相当小的范围,并且又比同类刚性桩有价格上的优势。
2) CFG桩复合地基的主要优点。
复合地基沉降变形小。早期主要是散体材料桩,如碎石桩、砂桩等,后来逐渐发展了自身具有粘结强度的柔性桩,如水泥搅拌桩、石灰桩等。这两类桩所形成的复合地基的共同特点是,桩与土的模量比不太高,桩土变形协调,桩土共同作用形成复合地基承受上部荷载。但复合地基承载力都不是很高,一般不超过200 kPa ,这是由桩身强度决定的,而且由于复合地基压缩模量较天然地基的压缩模量的提高幅度有限,因此复合地基仍有较大的变形。然而,CFG桩复合地基承载力标准值可达600 kPa 以上,它具有刚性桩的性状,很好控制了沉降。CFG工程造价低。由于CFG桩不配筋,桩身材料采用了粉煤灰,大量消耗工业废料。在降低工程成本的同时,保护了环境,大大降低了工程造价,和桩基相比,造价可节省1/ 3～1/ 2 。
2 CFG桩复合地基在铁路工程中的应用
（1) CFG桩复合地基桩土协调变形机理。
CFG桩复合地基桩与桩间土之间所承受荷载的比例问题,实际上是一个涉及多种介质及其界面的多种变形间的反复协调过程。CFG桩复合地基在基础与桩间土之间要设置一定厚度的褥垫层(由散体状材料组成) ,当建筑物荷载加于复合地基之初,由于CFG桩的模量远大于土的模量,荷载通过垫层较多部分传向刚度大的CFG桩,较少部分传向桩间土,随着荷载的增加和桩间土的固结,桩间土表面变形大于桩顶变形,桩向褥垫层刺入,伴随这一过程,粒状散体材料不断调整补充到桩间土表面上,基础通过褥垫层始终与桩间土接触,桩间土始终参与工作,桩间土承载力可得以发挥。可见,基础下设置褥垫层,桩间土承载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降,即使桩落在好的持力层上,也能保证荷载通过褥垫层作用把荷载传到桩间土上,使桩土共同承担荷载。总之,桩的刺入变形、褥垫层的调整和桩间土的压缩变形就这样经历着一个反复循环、协调的过程,这个过程同时还伴随着土体压密和强度增长的过程,这种协调过程最终会达到平衡。
（2) CFG桩复合地基负摩阻力作用机理。
普通混凝土桩与承台刚性连接,受垂直荷载作用后桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以及承台的沉降都相等。桩顶以下桩各部位的位移都大于相应部位土的位移,桩间土体对桩产生与桩位移相反方向的侧阻力,即正摩擦力。桩的最大轴力发生在桩的顶部。然而,复合地基中的负摩阻力与桩基的有所不同。对桩基而言,并不是所有的桩都能产生负摩阻力,只有桩在穿过欠密实的软黏土或新填土等欠固结土层时才产生,其结果可能导致基础结构沉降、桩基损坏等工程事故,甚至被迫拆除或需花费大量资金进行补救加固,故应采取有效措施防止产生过大的负摩阻力。对于刚性CFG桩复合地基而言,CFG桩施工在复合地基中铺设了一定厚度的褥垫层,桩端无论落在软弱土层还是硬土层,从加荷一开始就存在一个负摩阻区,也就是在初始加荷时即有负摩阻力产生,其作用由于桩间土参与承担上部荷载,适当的负摩阻力可以提高土的承载力,对整个地基承载力的提高有利,但过大的负摩阻力会降低桩身强度的安全度,可能导致CFG 桩发生脆性破坏,并且,CFG桩复合地基在任一荷载下的桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以及基础的沉降均不相同。
3、施工检测及验收
1.施工检测
一般CFG桩施工完毕28d后对CFG桩和CFG桩复合地基进行检测，包括对桩身质量的低应变检测和对承载力的静载荷试验检测。一般进行单桩或多桩复合地基静载荷试验，根据试验结果评价复合地基承载力，亦可采用单桩载荷试验，通过计算评价复合地基承载力。
检测数量一般遵守以下原则：静载荷试验数量取CFG桩总桩数的0.5％～1.0％，且每个单体工程的试验数量不少于3点；低应变检测桩的数量一般取CFG桩总桩数的10％。选择试验点时应本着随机分布的原则进行选择。挑选施工质量好的桩或施工质量差的桩，或者为了检测方便将所有试桩集中在一个区域的选桩方法，都不能体现随机分布的原则。低应变检测取桩数10％進行检验时，建议采用下列方法选桩：对桩编号，再选择编号个位数为0～9的任何一个数字，如个位数为5的桩为试验桩，这样就能够较好地体现随机分布的原则。
（1）CFG桩的检测。
CFG桩单桩静载荷试验按《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002附录Q“单桩竖向静载荷试验要点”执行。CFG桩低应变检测桩身质量评价分为以下四类：
①Ⅰ类桩：完好桩；
②Ⅱ类桩：有轻微缺陷，但不影响原设计桩身结构强度的桩；
③Ⅲ类桩：有明显缺陷，但应采用其他方法进一步确认可用性的桩；
④Ⅳ类桩：有严重缺陷桩或断桩。
（2）CFG桩复合地基的检测。
CFG桩复合地基属于高粘结强度桩复合地基，载荷试验具有其特殊性，试验方法直接影响对复合地基承载力的评价。对此，试验时按《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2002“复合地基载荷试验要点”执行。
①褥垫层的厚度与铺设方法。试验时褥垫层的底标高与桩顶设计标高相同，褥垫层底面要求平整，褥垫层铺设厚度为50～150mm，铺设面积与载荷板面积相同，褥垫层周围要求有原状土约束。
②当p－s曲线为平缓的光滑曲线时，按相对变形值确定复合地基承载力。对于以卵石、圆砾、密实粗中砂为主的地基，可取沉降比s／b或s／d等于0.008所对应的压力作为CFG桩复合地基承载力特征值。对于以粘性土、粉土为主的地基，可取沉降比s／b或s／d等于0.01所对应的压力作为CFG桩复合地基承载力特征值。
2.CFG桩复合地基竣工验收
CFG桩复合地基验收时应提交下列资料：
（1）桩位测量放线图（包括桩位编号）；
（2）材料检验及混合料试块试验报告书；
（3）竣工平面图；
（4）CFG桩施工原始记录；
（5）设计变更通知书、事故处理记录；
（6）复合地基静载试验检测报告；
（7）施工技术措施。
对于桩的施工容许偏差应满足下列要求：
①桩长容许偏差不大于10cm；
②桩径容许偏差不大于2cm；
③垂直度容许偏差不大于1％；
④桩位容许偏差：对于满堂布桩的基础，桩位偏差不应大于0.4倍桩径；对于条形基础，桩位偏差不应大于0.25倍桩径；对于单排布桩，桩位偏差不应大于60mm。
总之，我们对于工地CFG施工的优点以及根据具体情况来判断是否适合，以及验收的时候也要注意以上注意事项，保证铁路工程质量。
关键词:CFG桩复合地基,铁路工程,桩土协调变形,负摩阻力作用，施工检测及验收
随着社会的发展,工程建设规模日益扩大、技术要求也越来越高。目前CFG桩复合地基技术在国内已有许多省市应用，就工程类型而言，有工业与民用建筑，也有高耸构筑物；有多层建筑，也有高层建筑。常见的为楼房越建越高而要求的地基承载力越来越高,列车越行越快而要求的轨道越来越平顺,这就要求地基沉降控制的精度也越来越高。随着我国高速铁路的运行,我国客运专线建设发展迅猛，所有这些对铁路质量要求越来越高,不仅要满足地基承载力的要求,更重要的是要满足沉降变形的要求。因此,为了满足这些要求,通常需要对天然土层进行人工加固处理。复合地基作为主要的加固手段之一,以其良好的经济效益和社会效益,得到越来越广泛的应用。
1 CFG桩复合地基特点
由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺适量水泥加水拌和,用各种成桩机制成的可变强度桩,称之为水泥粉煤灰碎石桩(Cement Flyash Graval pile , 简称CFG桩) ,强度等级为C5～C15 。复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体,并由原土和增强体共同承担由基础传来的建筑物荷载的一种人工地基,增强体一般是由强度和模量相对原土高的材料组成,而CFG桩是粘结强度桩,桩体强度高,弹性模量也很大,因而它可以很好地充当复合地基的增强体。
（1) CFG桩复合地基的工程特性。
承载力提高幅度大、可调性强:CFG桩桩长可以从最多可以到20多米,并且可全桩长发挥侧摩阻力,桩承担的荷载占总荷载的百分比可在40 %～75 %之间变化,使得复合地基承载力提高幅度大并具有很大的可调性。当地基的承载力较高时,荷载又不大,可将桩长设计得短一点,荷载大时,桩长可设计得长一点。特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高时,用柔性桩复合地基一般难以滿足设计要求,CFG桩复合地基则比较容易实现。适用范围广:对基础形式而言,CFG桩既可适用于条形基础、独立基础,也可适用于筏基和箱形基础。就土性而言,CFG桩可用于填土、饱和及非饱和黏性土,既可用于挤密效果好的土又可用于挤密效果差的土。当CFG 桩用于挤密效果好的土时,承载力的提高值既有挤密分量又有置换分量;当CFG 桩用于不可挤密土时,承载力的提高只与置换作用有关;当土的承载力特征值f ak ≤50 kPa 时,CFG桩的实用性值得研究;当为塑性指数高的饱和软黏土,成桩时土的挤密分量为0 。承载力的提高唯一取决于桩的置换作用。由于桩间土承载力太小,土的荷载分担比太低,因此不宜再做复合地基。刚性桩的形状明显:对柔性桩,特别是散体桩,它们主要是通过有限的桩长(6～10) d 传递垂直荷载。当桩长大于某一数值后,桩传递荷载的作用已显著减小。CFG桩像刚性桩一样,可全桩长发挥侧阻力,桩落在好的土层时,具有明显的端承作用。桩体的排水作用:CFG桩在饱和粉土和砂土中施工时,由于沉管和拔管的振动,会使土体产生超空隙水压力。较好的透水层上面还有透水性较差的土层时,刚刚施工完的CFG 桩将是一个良好的排水通道,空隙水将沿着桩体向上排出,直到CFG桩体结硬为止,这样的排水可延续几个小时。时间效应:利用振动沉管机施工将会对周围土产生扰动,特别是对灵敏度较高的土,会使结构破坏、强度降低。施工结束后,随着恢复期的增长,结构强度会有所恢复。复合地基变形小:复合地基模量大、建筑物沉降量小是CFG桩复合地基最重要的特点之一。大量工程实践证明,CFG桩复合地基对沉降能控制到相当小的范围,并且又比同类刚性桩有价格上的优势。
2) CFG桩复合地基的主要优点。
复合地基沉降变形小。早期主要是散体材料桩,如碎石桩、砂桩等,后来逐渐发展了自身具有粘结强度的柔性桩,如水泥搅拌桩、石灰桩等。这两类桩所形成的复合地基的共同特点是,桩与土的模量比不太高,桩土变形协调,桩土共同作用形成复合地基承受上部荷载。但复合地基承载力都不是很高,一般不超过200 kPa ,这是由桩身强度决定的,而且由于复合地基压缩模量较天然地基的压缩模量的提高幅度有限,因此复合地基仍有较大的变形。然而,CFG桩复合地基承载力标准值可达600 kPa 以上,它具有刚性桩的性状,很好控制了沉降。CFG工程造价低。由于CFG桩不配筋,桩身材料采用了粉煤灰,大量消耗工业废料。在降低工程成本的同时,保护了环境,大大降低了工程造价,和桩基相比,造价可节省1/ 3～1/ 2 。
2 CFG桩复合地基在铁路工程中的应用
（1) CFG桩复合地基桩土协调变形机理。
CFG桩复合地基桩与桩间土之间所承受荷载的比例问题,实际上是一个涉及多种介质及其界面的多种变形间的反复协调过程。CFG桩复合地基在基础与桩间土之间要设置一定厚度的褥垫层(由散体状材料组成) ,当建筑物荷载加于复合地基之初,由于CFG桩的模量远大于土的模量,荷载通过垫层较多部分传向刚度大的CFG桩,较少部分传向桩间土,随着荷载的增加和桩间土的固结,桩间土表面变形大于桩顶变形,桩向褥垫层刺入,伴随这一过程,粒状散体材料不断调整补充到桩间土表面上,基础通过褥垫层始终与桩间土接触,桩间土始终参与工作,桩间土承载力可得以发挥。可见,基础下设置褥垫层,桩间土承载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降,即使桩落在好的持力层上,也能保证荷载通过褥垫层作用把荷载传到桩间土上,使桩土共同承担荷载。总之,桩的刺入变形、褥垫层的调整和桩间土的压缩变形就这样经历着一个反复循环、协调的过程,这个过程同时还伴随着土体压密和强度增长的过程,这种协调过程最终会达到平衡。
（2) CFG桩复合地基负摩阻力作用机理。
普通混凝土桩与承台刚性连接,受垂直荷载作用后桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以及承台的沉降都相等。桩顶以下桩各部位的位移都大于相应部位土的位移,桩间土体对桩产生与桩位移相反方向的侧阻力,即正摩擦力。桩的最大轴力发生在桩的顶部。然而,复合地基中的负摩阻力与桩基的有所不同。对桩基而言,并不是所有的桩都能产生负摩阻力,只有桩在穿过欠密实的软黏土或新填土等欠固结土层时才产生,其结果可能导致基础结构沉降、桩基损坏等工程事故,甚至被迫拆除或需花费大量资金进行补救加固,故应采取有效措施防止产生过大的负摩阻力。对于刚性CFG桩复合地基而言,CFG桩施工在复合地基中铺设了一定厚度的褥垫层,桩端无论落在软弱土层还是硬土层,从加荷一开始就存在一个负摩阻区,也就是在初始加荷时即有负摩阻力产生,其作用由于桩间土参与承担上部荷载,适当的负摩阻力可以提高土的承载力,对整个地基承载力的提高有利,但过大的负摩阻力会降低桩身强度的安全度,可能导致CFG 桩发生脆性破坏,并且,CFG桩复合地基在任一荷载下的桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以及基础的沉降均不相同。
3、施工检测及验收
1.施工检测
一般CFG桩施工完毕28d后对CFG桩和CFG桩复合地基进行检测，包括对桩身质量的低应变检测和对承载力的静载荷试验检测。一般进行单桩或多桩复合地基静载荷试验，根据试验结果评价复合地基承载力，亦可采用单桩载荷试验，通过计算评价复合地基承载力。
检测数量一般遵守以下原则：静载荷试验数量取CFG桩总桩数的0.5％～1.0％，且每个单体工程的试验数量不少于3点；低应变检测桩的数量一般取CFG桩总桩数的10％。选择试验点时应本着随机分布的原则进行选择。挑选施工质量好的桩或施工质量差的桩，或者为了检测方便将所有试桩集中在一个区域的选桩方法，都不能体现随机分布的原则。低应变检测取桩数10％進行检验时，建议采用下列方法选桩：对桩编号，再选择编号个位数为0～9的任何一个数字，如个位数为5的桩为试验桩，这样就能够较好地体现随机分布的原则。
（1）CFG桩的检测。
CFG桩单桩静载荷试验按《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002附录Q“单桩竖向静载荷试验要点”执行。CFG桩低应变检测桩身质量评价分为以下四类：
①Ⅰ类桩：完好桩；
②Ⅱ类桩：有轻微缺陷，但不影响原设计桩身结构强度的桩；
③Ⅲ类桩：有明显缺陷，但应采用其他方法进一步确认可用性的桩；
④Ⅳ类桩：有严重缺陷桩或断桩。
（2）CFG桩复合地基的检测。
CFG桩复合地基属于高粘结强度桩复合地基，载荷试验具有其特殊性，试验方法直接影响对复合地基承载力的评价。对此，试验时按《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2002“复合地基载荷试验要点”执行。
①褥垫层的厚度与铺设方法。试验时褥垫层的底标高与桩顶设计标高相同，褥垫层底面要求平整，褥垫层铺设厚度为50～150mm，铺设面积与载荷板面积相同，褥垫层周围要求有原状土约束。
②当p－s曲线为平缓的光滑曲线时，按相对变形值确定复合地基承载力。对于以卵石、圆砾、密实粗中砂为主的地基，可取沉降比s／b或s／d等于0.008所对应的压力作为CFG桩复合地基承载力特征值。对于以粘性土、粉土为主的地基，可取沉降比s／b或s／d等于0.01所对应的压力作为CFG桩复合地基承载力特征值。
2.CFG桩复合地基竣工验收
CFG桩复合地基验收时应提交下列资料：
（1）桩位测量放线图（包括桩位编号）；
（2）材料检验及混合料试块试验报告书；
（3）竣工平面图；
（4）CFG桩施工原始记录；
（5）设计变更通知书、事故处理记录；
（6）复合地基静载试验检测报告；
（7）施工技术措施。
对于桩的施工容许偏差应满足下列要求：
①桩长容许偏差不大于10cm；
②桩径容许偏差不大于2cm；
③垂直度容许偏差不大于1％；
④桩位容许偏差：对于满堂布桩的基础，桩位偏差不应大于0.4倍桩径；对于条形基础，桩位偏差不应大于0.25倍桩径；对于单排布桩，桩位偏差不应大于60mm。
总之，我们对于工地CFG施工的优点以及根据具体情况来判断是否适合，以及验收的时候也要注意以上注意事项，保证铁路工程质量。