探讨CFG桩处理高速公路软土地基

在新建高速公路会遇到软土地基等地形，给施工带来了一定的难度。在不同的软弱（土）区由于路段土的性质不同，需选用的施工设备及施工工艺也有所不同。施工时需综合考虑承载力、沉降差、施工设备和施工工艺及控制施工质量的措施，方可确保CFG桩法处理高速公路软弱地基技术应用的效果和价值。

一、CFG桩复合地基的特性

1、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）适宜处理黏土、砂土、粉土、素填土和自重固结的素填土等地基，对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验桩确定其适应性。

2、CFG桩是软土地基加固处理所用桩型，桩的布置有条形布置和满堂群桩布置，桩与桩之间成梅花型。其桩体填充料为水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂子加水搅拌而成的高粘强度混合料（一般不需要计算配筋），加固地基由桩和桩间土一起通过褥垫层形成CFG桩复合地基，和桩基相比，由于CFG桩的桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋并能充分发挥桩间土的承载力，工程造价一般仅为桩基的1/3～1/2，经济效益和社会效益非常显著。

二、CFG桩复合地基的作用原理与性质

1、CFG桩加固软土地基主要有两种作用，一是桩体的置换作用，二是土层的挤密作用。

⑴水泥粉煤灰碎石桩主要采用长螺旋钻或振动沉管成孔，无论哪种方法沉孔，周周边土层都会得到挤压。本工程位于地下水位以上有粘土、淤泥、弃碴土。周边临近居民区，故选用长螺旋钻孔用作施工机具。

⑵由于桩越深，桩的荷载分担比越高，为了充分利用CFG桩的作用，通常桩长应放在相对承载力较高的土层作为持力层，这样桩端可以发挥一定的承载作用;当然状体与桩周土的摩擦作用也可产生一定的承载力。

⑶水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）不同于碎石桩等其他桩型，它的桩身具有一定粘结强度的混合料，比其他桩型有更大的承载能力。在荷载作用下，其桩身压缩量明显比周围软土小，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，充分体现了桩体的作用。根据工程资料，在复合地基中，CFG桩的单桩桩土应力比no=24.3～29.4;四桩桩土应力比no=31.4～

35.2;而碎石桩复合地基的桩土比no=2.2～4.1，足见CFG桩的复合地基桩土应力比明显大于碎石桩，具有更显著地桩体承载作用。本工程需要处理的软土底层中部分软基在地下水位以下，地下水较发育，故该软基处理段采用CFG桩与碎石桩相结合的形式，同时碎石桩也起到褥垫层以上路堤填料本体往地下渗水的作用，加强了路堤排水的渗透性。

2、CFG桩加固软土地基除主要的两种作用，还有种就是褥垫层作用。 由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫层，在复合地基中⑴保证桩、土共同承担荷载，⑵调整桩与土垂直和水平荷载的分担作用。

三、工程简介

1、阳关大道东段道路工程K0+708.468～K0+770.868段地处于中低山坡麓地带，为软基段。原设计填方高度4～9m，原设计暂定为换填2 m，对软基段进行置换处理然后分层碾压填筑。

2、地勘报告显示，该段岩土构成及质量特征自上而下分别为杂填土，平均厚度4～7 m;淤泥，黑色流塑状，1.8～21.5 m，平均厚度11.65 m;软塑状红粘土，平均厚度6 m;基岩。处理后复合地基承载力需不小于200kpa。

3、岩土的物理力学指标及地基持力层

⑴中风化泥质白云岩：根据场地勘察中的岩样，其力学指标统计如下：表1 岩石物理力学统计表 表1

重度（KN/m3） 饱和抗压强度平均值frk（MPa） 均方差σ 变异系数δ 修正系数ψ 抗压强度标准值frk（MPa） 岩块波速（m/s）

24.35 8.6 2.23 0.259 0.881 7.58 3260 岩石试样高径比为1：1的试验结果已进行折减。 ⑵岩石地基承载力基本容许值

①中风化泥质白云岩节理发育。为软岩。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）表3.3.3-1，岩石地基承载力基本容許值fa0取值为：fa0=800Kpa

②强风化岩石地基承载力基本容许值fa0=400Kpa。

综上所述，先清除场地内淤泥，采用毛石填料换填至路基设计标高并分层碾压。

③根据勘察报告及设计图对K0+708.468～K0+770.868段采用CFG桩和碎石桩相结合的形式进行处理，使之形成复合地基。（见图1）

④该软基处理段采用CFG桩与碎石桩相结合的形式，桩径0.6 m，间距2.4m×2.4m，梅花形布置。设计CFG桩桩身强度为C20。707根，平均桩长14.62 m;总长10336.34 m。碎石桩221根，平均桩长14.62 m;总长3231.02 m。置换率5.15%。

⑤处理范围（横断面方向81.6m×道路方向62.4m=5091.84 m2）场地需先整平至1253标高后再施工桩体，碎石桩全部施工完成后再施工CFG桩，桩体需穿透软土层，置于强风化岩层上。

⑥桩顶设置50cm碎石褥垫层及一道土工格栅，土工格栅采用伸长率<4%的双向钢塑土工格栅。碎石垫层2545.92 m3，土工格栅5601.02 m2。

四、施工前试桩

1、确定CFG桩的施工参数

⑴确定混合料的配合比、坍落度，搅拌时间; ⑵确定设备选型、确定施工工艺和施工顺序 ⑶确定拔管速度;

⑷确定混凝土灌注的充盈系数; ⑸确定作业队的人员组成和分工。

2、积累各种参数，以指导CFG桩大面积施工，确保CFG桩施工质量。 3、混合料塌落度度控制。

4、成桩工艺：成桩采用长螺旋钻孔，管内泵压混合料成桩。 3、试验方案及工艺 1、试验方案

本次试桩3根，桩间距为2.4m，三角形布置（图2：复合地基桩位平面示意图），表2。

CFG桩试桩参数对比表 表2 桩号 1# 2# 3#

桩长（m） 14.2 14.2 14.2 拔管速度 （m/min） 1.2 1.5 1.4 充盈系数 1.05 1.15 1.1

混合料灌注/拌和方式 现场拌和全桩长范围内不振捣 拌和站供料全桩长范围内不振捣 拌和站供料全桩长范围内不振捣

拌和站供料孔口2m范围内振捣 2、试验施工工艺

⑴测量放线：利用全站仪测放出线路的中、边线，在坡脚线外侧，根据（图1）CFG桩平面布置图放出每根桩施工桩位，用竹签或白灰标示。

⑵钻机就位：做好钻机定位，要求钻机安放保持水平，钻杆保持垂直，其垂直度不得大于1.0%，钻头对准孔位中心，允许偏差在50mm以内，钻杆与钻孔方向一致。

⑶钻进成孔：钻孔开始时，关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触及地面时，启动电机，将钻杆旋转下沉至设计标高，关闭电机，清理钻孔周围土。成孔时应先慢后快，这样能避免钻杆摇晃，也能及时检查并纠正钻杆偏位的差值。。

⑷灌注及拔管：CFG桩成孔到设计标高后，停止钻进，开始泵送混合料，当钻杆芯管充满混合料后开始拔管，严禁先拔管后泵料。成桩的提拔速度按预定的速度控制，成桩过程宜连续进行，应避免供料出现问题导致停机待料。

⑸移机：移机前对下一根桩的桩位进行清理辨识，确保桩位的准确性。必要时，移机后清洗钻杆和钻头

⑹CFG桩：灌注完成后，钻杆拔出地面，确认成桩桩顶标高符合设计要求的标高后，用粒状材料或湿粘性土封顶。

⑺桩头处理：CFG桩成桩后达到一定强度（一般为3～7天）时，先找出桩顶设计标高，然后人工用钢钎等将多余桩头凿除。

五、结合试桩方案参数比选 本工程CFG桩采用长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩的方法施工

1、采用该方法施工时，首先用长螺旋钻孔达到设计的预定深度，然后提升钻杆，同时用高压泵将状体混合料通过高压管路的长螺旋钻杆的内管压到孔内成桩。施工步骤：钻机就位——混合料搅拌——钻进成孔——灌注及拔管——移机。

⑴CFG桩施工工艺流程图 见图3

⑵长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩的方法，就是采用长螺旋钻成孔，混凝土泵车通过高压输料管灌注混合料成桩。泵车的高压输料管与螺旋钻机的钻杆内管直接连接;形成密封完整的混合料管道输送系统，既可用于地下水位以上，也可用于地下水位，以下。泵车输送效率高，灌注可靠、机械化程度高，减轻劳动强度。

图3 CFG桩施工工艺流程图

⑶长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工，在钻至设计深度后，应依据试桩的参数在施工中准确掌握提拔钻杆时间，混合料泵送量与拔管速度相配合，遇到饱和砂土或饱和粉土层，不得停泵待料。

⑷在钻机架上预先做好深度标记，利用深度标记进行成孔深度控制。钻孔开始时，要先慢后快，减少钻杆的晃动，发现钻杆摇晃或难钻进时，开始提升钻杆，压灌混合料，边泵送混合料，边提升钻杆。

⑸该方法一般用于地下水位以下，在钻孔深度达到要求后，应先灌注一定高度的孔底混合料（一般2～3m），然后提钻并使出料管口埋入已灌混合料中约1m，在正式开始泵送混合料，管內空气从排气阀排出，待钻杆内管及输送软管、硬管内混合料连续时提钻。边提钻边灌注，始终保持出料口埋入已管混合料中1m深左右，每打泵一次提升200～250mm，由下而上，直至孔口。

2、长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩的施工要点

⑴开始泵送混合料后，边提钻边灌注，均匀提钻并保证钻头始终埋在混合料中。

⑵施工中应避免出现混合料搅拌不均、混合料塌落度小（塌落度一般控制在190mm），成桩时间长、混合料初凝、水泥或粗骨料不合格，外加剂与水泥配比性不好的现象，以免发生混合料堵管事故。本工程拌合料采用为商品混合料供应。拌合料质量满足要求。

⑶当遇到饱和和粉细砂及其他软土地基，且桩间距小于1.3m时，宜采取跳打的方法，以避免发生串桩现象。

⑷施工中应控制提钻杆速度，避免提钻速度过快，提钻的速度与混合料的泵送速度协调一致，避免发生钻尖不能埋入混合料中的现象，从而导致缩颈、夹泥现象。

⑸施工若出现混合料灌注中断时间超过1h或混合料产生离析现象，应重新钻孔成桩。

⑹工程量大时应采用商品混合料，如采用现场搅拌，应计量准确，保证搅拌时间不小于规定时间，以保证混合料的和易性，塌落度满足设计要求。

3、长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩的施工步骤

⑴钻机就位，并使钻头对准桩孔中心，同时准备好混合料的供应。 ⑵启动电动机施钻，钻机边钻进边排土，并及时清理孔口周边弃土，当钻至预定深度后停钻。

⑶灌注孔底混合料。

⑷提钻与泵送混合料同步实施，管内泵压灌注混合料应均匀，拔管速度控制在1.2～1.5m/min，不能太快，边提钻边投混合料，由下而上直至桩顶（高出设计桩顶50cm），整桩混合料的塌落度按160mm～200mm控制。一般情况桩顶浮浆可控制在10cm左右，成桩质量容易控制。

⑸将钻杆提出孔外面。

⑹对桩顶段用软轴振动器进行振捣。

⑺成桩后，桩顶封黏土进行有效养护和保护。

⑻移机到新的桩孔，重复以上步骤，直至全部完成工程制桩任务。

长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩的施工流程如图4

桩孔

高压输料管

钻杆

图4 长螺旋钻孔、管内泵压混凝土灌注成桩施工流程 4、长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩质量控制

⑴设在置保护桩顶，加料制桩时，使桩体灌注比设计桩长高出0.5m，必要时用插入式振动器对桩顶混合料加振3～5s，提高桩顶混合料密实度。上部用土封顶，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，避免已打桩受振动挤压而造成变形，同时避免混合料上涌使桩径缩小。

⑵拔管过程避免反插。保证桩的有效垂直度偏差和桩本身的质量。 ⑶当用小型机械对桩顶保护层及钻孔弃土进行挖除时，应避免超挖，并应预留不小于50cm厚度的土层用人工清除，以免造成桩头断裂或扰动桩间图。

⑷冬季施工应采用有效保暖措施，避免混合料在初凝前遭到冻结，保证混合料的入孔温度大于5℃。冬季施工当中，制完的桩区域要对桩间土及桩头用草帘、保温塑料进行覆盖，防止桩间土冻胀而造成桩体拉断。

⑸褥垫层中间设置一道全幅土工格栅，土工格栅采用伸长率<4%的双向钢塑土工格栅。褥垫层宜采用静力压实法，避免扰动桩间土。当基层底下桩间土的含水量较小时，也可采用动力压实法，对较干的砂石料，虚铺后可适当晒水再碾压或夯实。

六、CFG桩的检测

1、检测主要依据 《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012） 2、检测内容

⑴桩基的承载力检测：CFG 桩的承载力检测宜在满足桩身混泥土龄期（或设计强度）规定后进行，一般在施工结束后28 天后进行， 且宜先进行完整性检

测后再进行承载力检测。单桩承载力检验数量或复合地基承载力检验数量按照设计图纸要求进行，一般为该段路基总桩数的0.5%～1%，且每单体工程试验数量不少于3 根。

3、检测方法 复合地基承载力

⑴桩类型为CFG，设计复合地基承载力特征值为不小于200kPa， 桩间距为2.4m×2.4m 按三角形布置。

⑵加载装置采用堆载平台作为反力装置，采用1 台5000kN 千斤顶作为加力装置，测力装置采用油压表;采用圆形承压板，板直径为2.52m，面积为4.988m2，板厚25mm。承压板底高程与地基底面设计高程相同;承压板下沉量采用50mm 百分表测读，百分表放在基准梁上，共4 块，呈对称分布。堆载平台由主梁、工字钢和跳板搭成，采用预制块、钢筋和砂袋堆荷，最大压重量为239.4 吨。安放千斤顶前承压板下方要用细沙找平。

4、反力平台的搭建

⑴主梁采用3根I40a型工字钢并排加工焊接而成，且在主梁中心下方（千斤顶受力部位）加焊一块钢板。次梁采用I28a型工字钢，主梁、次梁长度均为6m。次梁间距为30cm，共计21根I28a型工字钢。

⑵支墩下方要铺设竹胶板。主梁支墩采用砂袋堆码而成，支墩上下采用竹胶板铺垫，竹胶板宽度为1.5m，支墩宽度为1.2m，长为1.5m。支墩与受检桩之间布置保护墩（保护墩可紧靠主梁及次梁支墩），宽为0.7m，长为0.7m，高度接近主梁底面。支墩的高度保证主梁底面与受检桩之间的空间足够安装下千斤顶，并且有30cm左右的富余空间，建议有1m高。方便工人进去安装测量配件。

图5 静载试验配置图

⑶次梁支墩高度为主梁支墩高度加上主梁高度，支墩上下采用竹胶板铺垫，竹胶板宽度为2m，支墩宽度为1.6m，长为7m。

⑷次梁上满铺竹胶板后，堆码砂袋，砂袋应向内收坡，防止在加载过程中出现掉包现象。

⑸平台铺设次序为先安装主梁，预留出千斤顶空间，再安装次梁，最后堆码配重。

⑹在现场需准备380V三相电。 5、资料准备

⑴检测时应提的资料：所检桩基的桩长、桩径、施工日期、强度等级;工程地质资料、基桩设计图、施工原始记录和桩位布置图。 同时检测过程中现场需旁站并记录。

⑵附：现场检测平台照片 单桩静载试验 照片1 单桩静载试验 照片2 单桩静载试验 照片3

⑶长螺旋钻孔、管内泵压混合料在阳关大道东段道路工程K0+708.468～K0+770.868段软弱地基场地性质、地基情况、选用设备及施工工艺、施作流程及成桩后的单桩静载试验结果大于设计承载力要求。该段CFG桩能按工期节点计划内顺利完成，为阳关大道该区段道路工程奠定了坚实的基础。体现了CFG桩CFG桩技术在高速公路特殊地基处理应用中所呈现出这一新型软基处理技术的可行性，效果的优越性。

七、总结 通过对该工程段CFG桩软基处理系统的施工过实写照，在处理高速公路软土地基方面，根据场地性质需要可以使用CFG桩加固地基的处理方案进行处理。其处理效果较明显，具有一定的使用价值和经济效能。

【参考文献】

[1] 杨仲元 软土地基处理技术 中国电力出版社