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摘要：随着工程建设的飞速发展，地基处理手段也日趋多样化，CFG桩加固软土地基在房屋、公路的地基加固以及中东部客运专线铁路建设过程中均得到了广泛的应用。对于西北地区以黄土为代表地基加固，CFG桩设计参数选取及施工工艺缺乏试验研究，兰新线之前尚未大面积应用，现结合工程实践，从设计及施工工法的适用范围及操作要点方面进行初步总结，以供参考。
关键性：CFG桩 加固 黄土 适用性
中图分类号：TU473.1文献标识码： A 文章编号：
0引言
水泥粉煤灰碎石桩（Cement Flyash Gravel pile）简称CFG桩。它是在碎石桩的基础上掺入适量石屑、粉煤灰和少量水泥加水拌和后制成的一种具有一定强度的桩体。其骨料仍是碎石，用掺入石屑来改善颗粒级配，掺入粉煤灰来改善混合料的和易性，并利用其活性减少水泥用量，掺入少量水泥使其具有一定的粘结强度，具有某些柔性桩特点的高粘结强度桩，其强度等级在C15～C25之间变化，是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型。
CFG桩复合地基由桩、桩间土及褥垫层3部分构成。其加固机理：当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的变形模量远比土的变形模量大，所以桩比土的变形小，由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，褥垫层将上部基础传来的基底压力通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩间土，使二者共同受力。同时土由于桩的挤密作用(沉管方法成桩时)而提高了承载力，而桩又由于其周围土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，共同承担上部基础传来的荷载。如不设置褥垫层，在桩体沉降很小的情况下，上部荷载主要由桩体承担，与桩基作用机理相近，桩间土不能充分发挥作用；当不设褥垫层或褥垫层较薄时，桩对基础的应力明显集中，需考虑桩对基础的冲切破坏，当褥垫层厚度达到一定程度，基础反力接近天然地基的反力分布，已不存在基底面的应力集中，无需考虑桩体对基础的冲切破坏。另外不设褥垫层时，水平荷载主要由桩基来分担，随着褥垫层的设置和增厚，桩顶承受的水平荷载逐渐变小，当褥垫层厚度达到一定程度时，水平荷载主要由桩问土承担，这样大大减少桩体发生水平折断的可能性，以免桩体在复合地基中失去工作能力。对于水泥粉煤灰碎石桩宜设置扩大桩头（或桩帽）和加筋垫层，垫层厚度宜取300～600mm，垫层材料宜用砂砾石、碎石等，最大粒径不宜大于30mm。
1 工程概况
1.1 地质条件
兰新第二双线某工点地层主要为第四系全新统冲积黏质黄土、粗圆砾土、卵石土及白垩系下统泥岩。岩性如下：黏质黄土(Q4al3)，分布于地表，厚3.0～6m，黏性强，具孔隙，底部多分布有薄层粉土和砂土。软塑-流塑，表层多为硬塑，σ0=80～100kPa。粗圆砾土(Q4al6)：下伏于黏质黄土，厚度1.8～5.4m，饱和，中密，σ0=500kPa。卵石土(Q4al7)：下伏于黏质黄土，厚度6.0～8.0m，潮湿－饱和，中密，Ⅲ级硬土。泥岩（K1Ms）：下伏于卵石土， Ⅳ级软石。据钻探揭示，工点范围内地下水主要为第四系孔隙潜水，地下水位埋深1.5～4.0m，地下水位受大气降水和农田灌溉影响随季节变化。水质为硫酸盐侵蚀，环境等级为H2。对钢筋具氯盐侵蚀性，环境作用等级为L1。
1.2 参数确定
复合地基承载力计算参数主要有地基参数、设计参数两种，以某工点一断面为例，地基参数根据施工现场实际勘探资料确定，见表1
表1 地基参数
设计参数根据地区地基处理经验及具体工程确定，本工程取值如下：列车换算荷载为61.6kN/m，填土宽度B=13.6m,填土高度H=6.96 m，填土容重γ=19kN/m3,路基本体预留沉降量为1‰；桩的直径D=0.40m，桩身强度P=15MPa，桩身强度折减系数=0.333，桩间土承载力折减系数=0．75。
2 复合地基计算
2.1复合地基承载力
按照CFG桩复合地基承载力宜通过现场复合地基载荷试验确定，设计时按式（1）估算：
式中——单桩竖向容许承载力（kN）；
σsp——复合地基承载力 （kPa）；
m——面积置换率；
Ap——桩身截面积（m2）；
β——桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值；
σs——处理后桩间土容许承载力（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基容许承载力；
单桩竖向容许承载力的取值，根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩容许承载力时，可按式（2）估算（、取值应考虑施工方法的影响）：
式中 U——桩身截面周长（m）；
——桩周第i层地层的容许侧阻力（kPa）；
——桩周第i层土的厚度（m）；
——桩尖地层容许端阻力（kPa）。
2.2 CFG桩复合地基沉降
高速鐵路地基压缩层的计算深度应满足下式要求：
复合地基沉降量可按下式计算：
式中——加固区沉降量；
——下卧层沉降量。
ms——沉降经验修正系数，与地基条件、荷载强度等因素有关，根据地区沉降观测资料及经验确定，其值可取1.0～1.4。
2.3 计算结论
根据以上计算参数及计算公式，复合地基计算结果如下表2：
表2复合地基沉降计算结果
对上表进行计算分析，对于软弱土层相对较薄的地基采用CFG桩进行加固时，桩尖进入软弱层下部较硬地层可有效提高复合地基承载力。综合考虑复合地基沉降值及复合地基承载力要求，桩间距采用1.5m，桩长采用6.3m。CFG桩横断面及平面布置图见下图1、图2：
由于本段黄土饱和度较高，成桩方式设计采用长螺旋成孔，建议现场进行振动沉管成孔与长螺旋成孔工艺试验对照。
2.4 工程实施情况
现场按照设计桩长、桩间距、桩体强度进行工艺性试验，检测情况如下：
（1）振动沉管施工CFG桩完整性检测发现，存在以下桩身断桩缺陷及桩身质量不满足设计要求，易断桩等严重问题。经对桩芯取样验证发现，振动沉管在地下1.5m、3m左右极易产生断桩，且桩体总长达不到设计要求。
（2）长螺旋成孔施工CFG桩完整性检测，桩身完整性及桩体强度、复合地基承载力特征值均满足设计要求。
3 结论及分析
对于西北黄土地基采用CFG桩进行加固时，以下几个方面必需重点考虑：
（1）地基参数需结合工程经验加以判断，相对常规偏差较大的数值要分清产生原因，加强地质核查，尽量避免对设计文件质量造成影响。
（2）对于地下水位较浅且地下水位线易随季节变化的黄土地层，不宜采用振动沉管法成孔。当确需采用振动沉管成孔时，需经先导性试验确定各项控制参数，避免缩径及断桩现象的产生。钻至预定深度后应尽量少提钻，且应在混凝土淹没钻头一定高度后再提钻，提钻速度也不宜过快，一定要注意提钻速度和泵送速度的匹配。
（3）对于较薄层松软土地基，下伏有持力层时，设计桩长宜进入持力层0.5～1.0m，以满足地基承载力的要求，同时通过桩的施工可对地层进行进一步验证，以保证工程安全。
（4）废桩处理：对于出现个别的Ⅲ类桩，可采用接桩处理，但对于断桩部位较深且受场地及地下水的影响，开挖通常比较因难，宜采用补桩的方法解决。补桩时要注意不能破坏其它的桩。对于大面积Ⅲ类桩或Ⅳ类桩需查明原因，从根本上进行解决。
参考文献：
[1]铁道部. 铁路工程地基处理技术规程（TB10106-2010）.北京：中国铁道出版社.2010.
[2]薛会青.长螺旋CFG桩在武广客运专线的应用及造价分析.铁道标准设计. 2009.
[3]京沪高速铁路CFG桩加固松软土地基的研究.西南交通大学毕业论文.2009
[4]建筑地基基础设计规范（GB 50007－2002）中国建筑工业出版社.2002
关键性：CFG桩 加固 黄土 适用性
中图分类号：TU473.1文献标识码： A 文章编号：
0引言
水泥粉煤灰碎石桩（Cement Flyash Gravel pile）简称CFG桩。它是在碎石桩的基础上掺入适量石屑、粉煤灰和少量水泥加水拌和后制成的一种具有一定强度的桩体。其骨料仍是碎石，用掺入石屑来改善颗粒级配，掺入粉煤灰来改善混合料的和易性，并利用其活性减少水泥用量，掺入少量水泥使其具有一定的粘结强度，具有某些柔性桩特点的高粘结强度桩，其强度等级在C15～C25之间变化，是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型。
CFG桩复合地基由桩、桩间土及褥垫层3部分构成。其加固机理：当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的变形模量远比土的变形模量大，所以桩比土的变形小，由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，褥垫层将上部基础传来的基底压力通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩间土，使二者共同受力。同时土由于桩的挤密作用(沉管方法成桩时)而提高了承载力，而桩又由于其周围土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，共同承担上部基础传来的荷载。如不设置褥垫层，在桩体沉降很小的情况下，上部荷载主要由桩体承担，与桩基作用机理相近，桩间土不能充分发挥作用；当不设褥垫层或褥垫层较薄时，桩对基础的应力明显集中，需考虑桩对基础的冲切破坏，当褥垫层厚度达到一定程度，基础反力接近天然地基的反力分布，已不存在基底面的应力集中，无需考虑桩体对基础的冲切破坏。另外不设褥垫层时，水平荷载主要由桩基来分担，随着褥垫层的设置和增厚，桩顶承受的水平荷载逐渐变小，当褥垫层厚度达到一定程度时，水平荷载主要由桩问土承担，这样大大减少桩体发生水平折断的可能性，以免桩体在复合地基中失去工作能力。对于水泥粉煤灰碎石桩宜设置扩大桩头（或桩帽）和加筋垫层，垫层厚度宜取300～600mm，垫层材料宜用砂砾石、碎石等，最大粒径不宜大于30mm。
1 工程概况
1.1 地质条件
兰新第二双线某工点地层主要为第四系全新统冲积黏质黄土、粗圆砾土、卵石土及白垩系下统泥岩。岩性如下：黏质黄土(Q4al3)，分布于地表，厚3.0～6m，黏性强，具孔隙，底部多分布有薄层粉土和砂土。软塑-流塑，表层多为硬塑，σ0=80～100kPa。粗圆砾土(Q4al6)：下伏于黏质黄土，厚度1.8～5.4m，饱和，中密，σ0=500kPa。卵石土(Q4al7)：下伏于黏质黄土，厚度6.0～8.0m，潮湿－饱和，中密，Ⅲ级硬土。泥岩（K1Ms）：下伏于卵石土， Ⅳ级软石。据钻探揭示，工点范围内地下水主要为第四系孔隙潜水，地下水位埋深1.5～4.0m，地下水位受大气降水和农田灌溉影响随季节变化。水质为硫酸盐侵蚀，环境等级为H2。对钢筋具氯盐侵蚀性，环境作用等级为L1。
1.2 参数确定
复合地基承载力计算参数主要有地基参数、设计参数两种，以某工点一断面为例，地基参数根据施工现场实际勘探资料确定，见表1
表1 地基参数
设计参数根据地区地基处理经验及具体工程确定，本工程取值如下：列车换算荷载为61.6kN/m，填土宽度B=13.6m,填土高度H=6.96 m，填土容重γ=19kN/m3,路基本体预留沉降量为1‰；桩的直径D=0.40m，桩身强度P=15MPa，桩身强度折减系数=0.333，桩间土承载力折减系数=0．75。
2 复合地基计算
2.1复合地基承载力
按照CFG桩复合地基承载力宜通过现场复合地基载荷试验确定，设计时按式（1）估算：
式中——单桩竖向容许承载力（kN）；
σsp——复合地基承载力 （kPa）；
m——面积置换率；
Ap——桩身截面积（m2）；
β——桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值；
σs——处理后桩间土容许承载力（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基容许承载力；
单桩竖向容许承载力的取值，根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩容许承载力时，可按式（2）估算（、取值应考虑施工方法的影响）：
式中 U——桩身截面周长（m）；
——桩周第i层地层的容许侧阻力（kPa）；
——桩周第i层土的厚度（m）；
——桩尖地层容许端阻力（kPa）。
2.2 CFG桩复合地基沉降
高速鐵路地基压缩层的计算深度应满足下式要求：
复合地基沉降量可按下式计算：
式中——加固区沉降量；
——下卧层沉降量。
ms——沉降经验修正系数，与地基条件、荷载强度等因素有关，根据地区沉降观测资料及经验确定，其值可取1.0～1.4。
2.3 计算结论
根据以上计算参数及计算公式，复合地基计算结果如下表2：
表2复合地基沉降计算结果
对上表进行计算分析，对于软弱土层相对较薄的地基采用CFG桩进行加固时，桩尖进入软弱层下部较硬地层可有效提高复合地基承载力。综合考虑复合地基沉降值及复合地基承载力要求，桩间距采用1.5m，桩长采用6.3m。CFG桩横断面及平面布置图见下图1、图2：
由于本段黄土饱和度较高，成桩方式设计采用长螺旋成孔，建议现场进行振动沉管成孔与长螺旋成孔工艺试验对照。
2.4 工程实施情况
现场按照设计桩长、桩间距、桩体强度进行工艺性试验，检测情况如下：
（1）振动沉管施工CFG桩完整性检测发现，存在以下桩身断桩缺陷及桩身质量不满足设计要求，易断桩等严重问题。经对桩芯取样验证发现，振动沉管在地下1.5m、3m左右极易产生断桩，且桩体总长达不到设计要求。
（2）长螺旋成孔施工CFG桩完整性检测，桩身完整性及桩体强度、复合地基承载力特征值均满足设计要求。
3 结论及分析
对于西北黄土地基采用CFG桩进行加固时，以下几个方面必需重点考虑：
（1）地基参数需结合工程经验加以判断，相对常规偏差较大的数值要分清产生原因，加强地质核查，尽量避免对设计文件质量造成影响。
（2）对于地下水位较浅且地下水位线易随季节变化的黄土地层，不宜采用振动沉管法成孔。当确需采用振动沉管成孔时，需经先导性试验确定各项控制参数，避免缩径及断桩现象的产生。钻至预定深度后应尽量少提钻，且应在混凝土淹没钻头一定高度后再提钻，提钻速度也不宜过快，一定要注意提钻速度和泵送速度的匹配。
（3）对于较薄层松软土地基，下伏有持力层时，设计桩长宜进入持力层0.5～1.0m，以满足地基承载力的要求，同时通过桩的施工可对地层进行进一步验证，以保证工程安全。
（4）废桩处理：对于出现个别的Ⅲ类桩，可采用接桩处理，但对于断桩部位较深且受场地及地下水的影响，开挖通常比较因难，宜采用补桩的方法解决。补桩时要注意不能破坏其它的桩。对于大面积Ⅲ类桩或Ⅳ类桩需查明原因，从根本上进行解决。
参考文献：
[1]铁道部. 铁路工程地基处理技术规程（TB10106-2010）.北京：中国铁道出版社.2010.
[2]薛会青.长螺旋CFG桩在武广客运专线的应用及造价分析.铁道标准设计. 2009.
[3]京沪高速铁路CFG桩加固松软土地基的研究.西南交通大学毕业论文.2009
[4]建筑地基基础设计规范（GB 50007－2002）中国建筑工业出版社.2002