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铁路客运专线c f g 桩施工质量控制研究 摘要 c f g 桩复合地基粘结强度桩是复合地基的代表，8 ，) 年代多用于多层建筑处理，9 0 年代则用于软土地基加固处理，目前已大量用于高层和超高层建筑地基的加固处理。随 着铁路建设高潮的到来，c f g 桩与褥挚层复合地基施工技术已在铁路客运专线普遍使 用，但c f g 桩应用于铁路软基处理以及施工过程中应重点控制的技术、质量监控等问 题仍在探讨之中，尤其是长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩施工方法，国内目前还没 有统一的规范，只有一些地方标准。所以，c f g 桩施工技术目前仍处在试验阶段，其技 术关键仍在商榷之中。 本研究以武广客运专线重点工程为例，从c f g 桩加固机理和特点入手，分析了在 铁路客运专线中引入c f g 桩加固处理软土路基的主要原因及c f g 桩复合地基的武广模 式的特点。同时选取武广客运专线d k l 7 1 3 + 5 3 6 1 8 - 1 8 2 0 + 0 2 9 6 5 段作为研究对象，分 析了长螺旋钻机成孔泵送混合料施工c f g 桩施工工艺、施工中常见的质量问题及施工 质量监控方式。讨论了应用q c 方法评价时，长螺旋钻机成孔泵送混合料施工c f g 桩 施工中常见的堵管问题，i i 、i i l 类桩问题及窜孔等质量控制问题。以c f g 桩在铁路客 运专线路堑边坡的首次成功应用为基础，分析了路堑边坡施工中应用c f g 桩加固的工 艺原理、特点、施工方法及应用效果等，提高了铁路客运专线施工中应用c f g 桩技术 的信度，为未来铁路工程中应用c f g 桩进行软基处理和边坡加固提供了参考。 关键词：铁路客运专线，c f g 桩，软土地基处理，质量控制 s t u d yo nt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yo fc f g p i l e so nt h er a i l w a y p a s s e n g e r o n l yt r a n s p 0 n a t i o n a b s t r a c t c f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nb o n ds t r e n g t hp i l ei sar e p r e s e n t a t i v eo ft h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n i th a db e e nw i d e l yu s e di nt h ec o n s t r u c t i o no fm u l t i - s t o r e yb u i l d i n g si nt h e19 8 0 s i nt h e19 9 0 s ，i tw a su s e df o rt h er e i n f o r c e m e n to fs o f tf o u n d a t i o n s of a r , i th a sb e e n e x t e n s i v e l yu s e di nt h ef o u n d m i o nr e i n f o r c e m e n to fh i g h - r i s ea n ds u p e rh i g h - r i s eb u i l d i n g s w i t ht h ec o m i n go fu p s u r g ei nt h ec o n s t r u c t i o no fr a i l w a yp a s s e n g e r - o n l yl i n e s ，t h ec f g p i l e s a n dt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fc u s h i o nc o m p o s i t ef o u n d m i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e s p e c i a ll i n e s h o w e v e r p r o b l e m so fl a c ko fe x p e r i e n c e ss t i l le x i s tw h e nt h ec f gp i l ei s a p p l i e dt ot h es o f tr a i l w a yf o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，t h ec o n t r o lo fk e yp r o j e c t s ，t h ec o n s t r u c t i o n q u a l i t y , a n dt h eq u a l i t yc o n t r o l ，e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no f t h ep i l i n gc o n s t r u c t i o nm e t h o db y al o n gs p i r a ld r i l lp i p em i x t u r ei n f u s i o nt h r o u g hp u m pp r e s s u r e t h e r eh a sb e e nn os p e c i a l s t a t e - i s s u e ds p e c i f i c a t i o ns of a ry e te x c e p ts o m el o c a ls t a n d a r d s s o ，t h i sm e t h o di ss t i l lu n d e r t e s td u et oc o m p l i c a t e dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dd e m a n d i n gq u a l i t y i nt h ep r e s e n tw o r k ，t h ew u h a n g u a n g z h o ur a i l w a yp a s s e n g e r - o n l yl i n e ，ak e yp r o j e c ti n w h i c ht h ec f gp i l ew a sm a i n l yu s e di nt h es o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，w a st a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o nt oi n v e s t i g a t et h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m t h er e a s o nw h yt h ec f gp i l e t e c h n o l o g yw a sa p p l i e di nt h el i n ew a sa n a l y z e d t h ew u h a n - g u a n g z h o um o d e lo f t h ec f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw a si n i t i a t e d m e a n w h i l e ，t h ed k l 7 1 3 + 5 3 6 18 1 8 2 0 + 0 2 9 6 5 s e g m e n ti nt h ew u h a n g u a n g z h o ur a i l w a yp a s s e n g e r - o n l yl i n ew a sc h o s e na sas t u d yo b j e c t t oa n a l y z et h ec f g p i l ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yb yal o n ga u g e rd r i l lh o l ep u m p i n gm i x t u r e a n dt od i s c u s st h ec o m m o nq u a l 时p r o b l e m sa n dq u a l i t yc o n t r o lm e t h o d s c o m m o np r o b l e m s o fp i p eb l o c k s ，i ia n di i lt y p e so fp i l e s ，a n dc h a n n e l i n gh o l e sw e r ed i s c u s s e dt h r o u g ht h eq c m e t h o dw h e nt h ec f gp i l et e c h n o l o g yw a sa d o p t e d i nt h ee n d ，t h ef i r s ts u c c e s s f u l a p p l i c a t i o no ft h ec f gp i l eo nt h ec u t t i n gs l o p eo ft h er a i l w a yp a s s e n g e r - o n l yl i n ew a s a n a l y z e dt os u mu pt h er e i n f o r c e m e n tp r i n c i p l e ，c h a r a c t er i s t i c s ，c o n s t r u c t i o nm e t h o d s ，a n d a p p l i c a t i o nr e s u l t s t h u s ，r e f e r e n c e sa r ep r o v i d e df o rt h es o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n ta n d r e i n f o r c e m e n to f c u t t i n gs l o p e si nt h er a i l w a yw o r k st h r o u g ht h ec f g p i l et e c h n o l o g y k e y w o r d s ：r a i l w a yp a s s e n g e r - o n l yl i n e ；c f gp i l e s ；s o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n t ；q u a l i t y c o n t r o l 长安人学硕i l - 学位论文 1 1 研究目的与意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 1c f g 桩及其特点 c f g ( c e m e n tf l y a s hg r a v e l ) 桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，是在素混凝土桩基 工艺上发展起来的，由碎石、石屑、砂、粉煤狄掺适量水泥及特种添加剂加水拌合，用 各种成桩机具形成的高粘结强度桩，和桩问土、褥挚层共同形成复合地基。桩体中的碎 石为粗骨料，石屑为中等粒径骨料，可使级配良好，粉煤灰具有细骨料及低标号水泥 作用。采用c f g 桩可对土进行挤密，又可起到置换作用。适用于处理粘性土、粉土、 砂土和桩端具有相对硬土层、承载力标准值不低于7 0 k p a 的淤泥质土、非欠固结人工 填土等地基。 c f g 桩具有施工工艺简单，施工速度快，桩身施工质量较易保证，地基承载力提 高幅度大、沉降量小，可通过改变桩长、桩距、褥挚层厚度和桩体砼配合比调整地基承 载力的提高幅度，工程造价较低，社会效益和经济效益明显等特点，加固软土地基效果 显著，具有广泛的适应性。 1 1 2c f g 桩应用情况及其存在的问题 随着工程建设的飞速发展，地基处理手段也日趋多样化，复合地基由于其充分利用 桩间土和桩共同作用的特有优势和相对低廉的工程造价得到了越来越广泛的应用。c f g 桩复合地基粘结强度桩是复合地基的代表，8 0 年代多用于多层建筑处理，目前大量用 于高层和超高层建筑地基的加固，桩身强度等级多在c 5 - - c 2 5 之间。近几年，该技术 己在北方地区的高层建筑地基处理中大量应用，仅北京地区已有3 0 0 余栋高层建筑地基 处理采用了c f g 桩加固技术，其中绝大多数为2 0 - - 一3 0 层，3 1 3 5 层的超高层建筑也 有许多，由于该技术具有施工速度快、工期短、质量容易控制，工程造价低廉等特点， 目前已成为应用非常普遍的地基处理技术之一。 c f g 桩用于处理加固软土地基是2 0 世纪9 0 年代出现的一种地基处理技术。随着 铁路客运专线建设高潮的来临，c f g 桩与褥挚层复合地基施工技术已在铁路客运专线 普遍使用，但c f g 桩应用于铁路软基处理的施工工艺和在施工过程中应重点控制的技 术、质量问题及施工过程中质量监控的要点尚缺乏经验，而且就国内现有的施工c f g 桩的机械情况来看常用的有五种机械，分别为：长螺旋钻机、振动沉管桩机、旋挖钻机、 第一章绪论 冲击成孔桩机、锤击沉管桩机，本研究段选用长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩，这 种桩，国家并没有专门的规范，只有一些地方标准，所以现在还是一种试用阶段，没有 大面积推广使用，技术难度大，工程质量要求高。这些问题急需在工程实践中通过积累 数据，分析研究，总结经验来解决，使c f g 桩复合地基技术在各种工程中得到更广泛 的发展应用，为以后铁路客运专线应用c f g 桩进行软基处理及加固提供帮助，供现场 工程技术人员和监理旁站人员学习参考。 1 1 3 武广客运专线工程应用c f g 的原因，以及应用中可能面临的问题 新建铁路武汉至广州客运专线( 简称武广客运专线) 为一次双线，设计车速为 3 0 0 k h ( 线下远期为3 5 0 k m h ) ，是高速旅客列车专用铁路。 铁路客运专线无碴轨道的高平顺性和均匀一致性的特点，对路基设计、施工提出 了更高的要求，必须严格控制工后沉降和差异沉降，由于c f g 桩复合地基承载力具有 提高幅度大，沉降量小，加固软土地基效果显著，具有广泛的适应性等特点，所以武广 客运专线全线路基基础处理措施都采用以c f g 桩加固为主，是本线加固路基、控制沉 降的主要措施之一。 路基加固c f g 桩在武广客运专线的采用是我国铁路建设中的首次大规模应用，全 线c f g 桩的质量控制就是路基工程质量控制和沉降控制的重点工作，其质量的好坏直 接影响无碴轨道铺设成败，对武广客运专线建设的成败意义重大。 武广客运专线在c f g 桩的应用中可能会面临以下问题： 1 c f g 桩复合地基作为地基处理方式在建筑工程中应用非常广泛，目前大量用于 高层和超高层建筑地基的加固，设计理论和施工经验也比较成熟，但应用于铁路还是首 次，没有专门的规范，施工工艺和在施工过程中应重点控制的技术、质量问题及施工过 程中质量监控的要点尚缺乏经验； 2 武广客运专线选用的是长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩，这种桩，国家并没 有专门的规范，只有些地方标准，所以现在还是一种试用阶段，没有大面积推广使用， 技术难度大，工程质量要求高： 3 在武广客运专线施工中首次采用c f g 桩加固施工不良地段的路堑边坡，这是一 创新工艺，设计和施工都没有经验。 本研究就是通过对武广客运专线d k l 7 1 3 + 5 3 6 1 8 - - 1 8 2 0 + 0 2 9 6 5 进行c f g 桩的施工 工艺性试验、c f g 桩施工质量控制研究以及对路堑边坡施工中应用c f g 桩加固的相关 2 长安大学硕t ：学位论文 问题分析等方式，形成能够指导现场施工的施工工艺参数、常见质量问题解决对策等成 果，为以后铁路客运专线应用c f g 桩进行软基处理及加固提供帮助。 1 2 研究现状 目前，我国c f g 桩复合地基在建筑部门设计中已取得一定的成功经验，所以一般 按建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 进行设计与沉降计算，c f g 桩的国家标 准也在编制中，大量工程实践证明，c f g 桩复合地基设计，就承载力而言不存在太大 的问题，而可能出问题的是c f g 桩的施工，所以许多专业人士不断致力于施工技术的 研究，最初采用的是振动沉管c f g 桩施工工艺，该工艺存在难以穿透厚的硬土层、噪 音污染严重、施工效率较低等问题。1 9 9 7 年中国建筑科学研究院等单位申请了国家九 五攻关项目长螺旋钻孔管内泵压c f g 桩施工工艺的研究，课题组经过长期的研究 和大量的工程实践，使长螺旋钻孔管内泵压c f g 桩施工设备和施工工艺不断趋于完善， 目前已成为国内采用c f g 桩复合地基施工的首选工艺，大量应用于建筑工程的地基处 理，设计、施工都比较成熟，但应用于铁路客运专线软基处理的研究还非常少，缺乏经 验，需要不断积累研究数据。 在c d g 桩网复合地基中，如何考虑“网一桩一土”体系的共同作用而计算其沉降 量，是一个值得研究的新问题，目前国内外均没有合适的计算方法，我国c f g 桩网复 合地基一般按建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 进行设计与沉降计算，在设计 过程中，桩上碎石挚层与土工格栅主要起均布应力与均匀沉降作用，不作为受力结构进 行设计。而在德国，c f g 桩网复合地基按群桩理论进行设计，拉筋是用来传递桩所承 载的应力，作为受力结构进行设计，而考虑土工格栅桩问形成的拱型、应力重分布作用 与薄膜作用( 桩与土之间沉降差异引起土工格栅的应力和张应力) 等的影响。路堤稳定 性计算还应考虑路堤沿土工格栅面滑移破坏。 鉴于c f g 桩桩网复合地基在我国建筑部门设计中已取得一定的成功经验，且经施 工、使用验证是满足使用要求的。所以武广客运专线认为c f g 桩桩网复合地基可按复 合地基进行稳定和沉降设计计算，其上的碎石挚层与土工格栅视为褥垫层。同时建议结 合工程实践对土工格栅的受力状态进行研究，以完善相关的设计理论。 1 3 主要研究内容 3 第一章绪论 本研究依托以c f g 桩作为软基处理重点措施的武广客运专线，从c f g 桩加固机理 和特点入手，分析在铁路客运专线中引入c f g 桩作为软土路基加固处理主要措施的原 因及c f g 桩复合地基的武广模式。同时，以武广客运专线d k l 7 1 3 + 5 3 6 1 8 - - - 1 8 2 0 + 0 2 9 6 5 段作为研究对象，分析长螺旋钻机成孔泵送混合料施工c f g 桩施工工艺、施工中常见 的质量问题及施工质量监控方式；通过o c 方法就长螺旋钻机成孔泵送混合料施工c f g 桩施工中常见质量问题进行了质量控制研究。总结分析了c f g 桩在铁路客运专线路颦 边坡的首次应用经验。 1 铁路客运专线引入c f g 桩作为软土路基加固处理措施的原因分析 c f g 桩复合地基作为地基处理方式在建筑工程中应用非常广泛，目前大量用于高 层和超高层建筑地基的加固，设计理论和施工经验也比较成熟，但应用于铁路还是首次， 无论是设计还是施工都缺乏经验，没有专门的规范，变形计算还是按建筑地基基础设 计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 的有关规定执行。 铁路客运专线要确保列车高速、安全、舒适、平顺运行以及最大程度的减少维修工 作量，就要求路基必须具有变形小、强度高、刚度大且纵向变化均匀，长期动力稳定性 和耐久性等，因此，变形控制成为了客运专线路基设计、施工的关键。 通过对c f g 桩的加固机理、材料组成、特点和常用施工方法等的分析，研究在铁 路客运专线中引入c f g 桩作为软土路基加固处理主要措施的原因。 2 c f g 桩复合地基的武广模式 c f g 桩复合地基技术在武广客运专线工程运用中得到发展，但和其他c f g 桩相比， 具有不同技术特征，如延伸了复合地基的理念，建立了高速铁路路基“地基处理的过渡 区 的概念、优化了褥挚层技术等，为将来客运专线运用c f g 桩提供了一定的参考。 3 研究段c f g 桩的施工工艺性试验 通过对研究段进行混凝土长螺旋及冲击成孔的对比试验、褥挚层检测指标的工艺性 试验和路基c f g 桩试验段施工等施工工艺性试验，以复核地质资料以及设备、工艺、 施工顺序等是否适宜本试验段施工，形成适合本研究段能够指导现场施工的施工工艺， 为全线施工提供参考，保证施工质量。 通过混凝土长螺旋及冲击成孔的对比试验，确定施工设备和施工工艺、混合料的标 号及各项工艺性参数( 混合料配合比、坍落度、拌和时间、提升速度、混凝土灌注速度、 灌注量等) 。 通过褥挚层检测指标的工艺性试验，为选择褥挚层填料材料提供参考，获取填料的 4 长安大学硕十学位论文 最大干密度、最佳含水量等相关参数，确定碾压方式和遍数、压实标准等相关参数，进 行分析总结，在武广客运专线全线推广应用。 通过路基c f g 桩试验段施工，验证长螺旋钻管内泵送砼施工的参数，确定c f g 桩 的检测程序、指标要求以及特殊地质情况下c f g 桩成桩的处理方法等。 4 长螺旋钻机成孔泵送混合料施工c f g 桩施工质量控制研究 通过施工工艺试验，本研究段选用了长螺旋钻机成孔及芯管泵送混合料灌注成桩的 施工方法，这种施工方法成桩速度快、每天可成桩6 0 0 8 0 0 m ，质量比较好，现场检测 施工质量合格率高，但国家并没有专门的规范，只有一些地方标准，所以现在还是一种 试用阶段，没有大面积推广使用，技术难度大，工程质量要求高。 本研究通过对长螺旋钻机成孔泵送混合料施工c f g 桩施工工艺的分析，研究了施 工中常见的质量问题及施工质量监控方式。另外还成立了q c 小组，针对长螺旋钻机成 孔泵送混合料施工c f g 桩施工过程中常见的堵管和施工中出现的i i 、i i i 类桩等问题， 应用p d c a 循环法进行原因分析，从而制订有效的对策，提高其质量。 5 c f g 桩在铁路客运专线路堑边坡的应用 c f g 桩一般应用于软基处理中，但在武广客运专线施工中首次采用c f g 桩加固施 工不良地段的路堑边坡，这一创新工艺不但满足了边坡的稳定性，而且也能够满足客运 专线对路基工后沉降的高要求，取得了良好的效果。本研究分析了路堑边坡施工中应用 c f g 桩加固的工艺原理、作用及特点、边坡加固的施工和加固路堑边坡的应用效果等， 为将来广泛采用c f g 桩加固施工不良地段的路堑边坡积累经验。 5 第一二章c f g 桩心用基础 第二章c f g 桩应用基础 c f g 桩作用机理与特点 2 1 1 桩体的作用机理 1 加固作用 c f g 桩属于复合地基的一种。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，加固区是由基体和增强体两部分组成 的人工地基。可分为散体材料复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。 散体材料复合地基如碎石桩复合地基、砂桩复合地基等。 柔性桩复合地基如深层搅拌桩复合地基、旋喷桩复合地基等。 刚性桩复合地基如c f g 复合地基、管桩复合地基、钢筋混凝土复合地基( 通常其 上部设有褥挚层) 等。 c f g 桩复合地基由桩、桩问土及褥挚层三部分构成，通过褥挚层与基础连接，其加 固机理为褥挚层受上部基础荷载作用产生变形后以一定的比例将荷载分摊给桩及桩间 土，使二者共同受力。同时土体受到桩的挤密而提高承载力，而桩又由于周围土的侧应 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。 复合地基设计中，基础与桩和桩问土之间设置一定厚度散体粒状材料组成的褥挚 层，是复合地基的一个核心技术。基础下是否设置褥挚层，对复合地基受力影响很大。 若不设置褥挚层，复合地基承载特性与桩基础相似，桩间土承载能力难以发挥，不能成 为复合地基。基础下设置褥挚层，桩间土承载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使 桩端落在好土层上，也能保证荷载通过褥挚层作用到桩问土上，使桩土共同承担荷载。 c f g 桩复合地基无论桩端落在一般土层还是峰硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。 由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大，桩 可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。 c f g 桩加固地基，桩和桩间土一起通过褥垫层形成c f g 桩复合地基，见图2 1 ， 该复合地基有三种加固作用：桩体作用、褥挚层作用和挤密作用。 ( 1 ) 桩体作用：承担由基础传来的竖向、水平荷载，对地基土产生一定的挤密作 用，提供排水通道。加速地基排水固结。 6 长安人学硕i j 学位论文 ( 2 ) 褥挚层作用：保证桩与桩问土共同承担荷载，减少基础底面的应力集中，调 整桩土荷载分担比。 ( 3 ) 挤密作用：若c f g 桩采用振动沉管 法施工，由于振动挤压作用使得桩间土被挤 密。经测试表明，加固后的地基土含水量、孔 隙比、压缩系数均有所减小，容重、压缩模量 均有所增加，说明桩间土已挤密。 2 桩体的排水作用 c f g 桩的排水作用不像碎石桩、砂桩那 样具有良好的排水通道，c f g 桩在加固区域 土层 图2 1c f g 桩复合地基示意图 内是否能够形成自然土层的排水通道，主要取决于桩体材料性质和成桩工艺。室内试验 结果显示，c f g 桩桩体的渗透系数一般在1 0 。l o 。e m s 范围内，而置换范围内自然土 层的渗透系数一般在1 0 击1 0 4 c m s 之间，远较桩体渗透系数小。由此可见，桩体相对 土体而言，实际上构成了固结排水通道，置桩加速了桩周土体的固结过程，因此，桩体 具有排水作用。 2 1 2c f g 桩的特点 1 c f g 桩不需要排泥，不污染环境，适用于多种土层施工，施工工艺简单，施工速 度快，一台普通的z k l 8 0 0 b b 液压步履式螺旋钻机，每同能够完成长度1 0 - - - 1 4 m ， 直径4 0 0 m m 的桩8 0 - - 1 0 0 根。 2 c f g 桩灌注的砼具有一定的粘结强度和良好的和易性，使其在施工中不易离析、 泌水，从而较易保证桩身施工质量。 3 c f g 桩复合地基承载力提高幅度大，沉降量小，加固软土地基效果显著，具有广 泛的适应性，对基础形式而言，c f g 桩既可适用于条形基础、独立基础，也可用于筏 基和箱形基础；就土性而言，可用于填土、饱和及非饱和粘性土，既可用于挤密效果 好的土，又可用于挤密效果差的土。 4 c f g 桩的桩长可根据实际工程要求和地质条件确定，通过改变桩长、桩距、褥垫 层厚度和桩体砼配合比，能使复合地基承载力幅度的提高有很大的可调性，c f g 桩桩长 可以从几米到几十米，并且可像刚性桩那样全桩长发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总 荷载的百分比可在4 0 - - 7 5 之间变化，具有很大的可调性。 7 第- 二章c f g 桩心用堆础 5 由于粉煤灰不断发生水化反应，使桩身砼的后期强度增大，这对c f g 桩承受上部 荷载有了可靠保证。 6 c f g 桩体内不设钢筋笼，可节约大量钢材，从而降低工程造价，工程造价一般为 混凝土桩基的1 3 一- 1 2 。 7 利用工业废料粉煤灰作为掺和料，社会效益和经济效益明显。 2 2c f g 桩的设计方法 c f g 桩复合地基设计主要确定5 个参数，分别为桩长、桩径、桩间距、桩体强度、 褥挚层厚度及材料。设计流程如图2 2 。 图2 2c f g 桩复合地基设计流程图 8 长安人学硕：l ：学位论文 1 桩长l c f g 桩应选择勘测报告中承载力相对较高的土层作为桩端持力层，这是c f g 桩复 合地基设计的一个重要原则。因此桩长是c f g 桩复合地基设计时首先要确定的参数， 它取决于建筑物对承载力和变形的要求、土质条件和设备能力因素。设计时根据勘测报 告，分析各土层，确定桩端持力层和桩长，并根据静荷载试验确定单桩竖向承载力特征 值，或按公式估算单桩竖向承载力特征值。 2 桩径d c f g 桩桩径的确定取决于所采用的成桩设备，一般设计桩径为3 5 0 - - - - 6 0 0 m m 。 3 桩间距s 一般桩间距s = ( 3 - 5 ) d ，桩问距的大小取决于设计要求的复合地基承载力和变形、 土质与施工机具。一般设计承载大时s 取小值，但必须考虑施工时相邻桩之间的影响， 就施工而言希望采用大桩距大桩长，因此s 的大小应综合考虑。 4 桩体强度 原则上，桩体配合比按桩体强度控制，桩体试块抗压强度平均值应满足下列要求： 兀翔每 c 式中：五。桩体混合料试块( 边长1 5 0 m m 立方体) 标准养护2 8 d 立方体抗压 强度平均值，k p a ； r 。单桩竖向承载力特征值，； 么。桩的截面积，m 2 。 5 褥挚层厚度 褥挚层厚度一般取( 0 4 5 - - - 0 5 0 ) d ，d 为c f g 桩桩径。 褥挚层材料可用羊h 砂、中砂、碎石、级配砂石( 最大粒径不大于2 0 m m ) 。 2 3c f g 桩的常用施工方法 c f g 桩于1 9 8 8 年提出并用于工程实践，首先选用的是振动沉管c f g 桩施工工艺， 如图2 3 ，该工艺属于挤土成桩工艺，适用于粘土、粉土、淤泥质土、人工填土的地基 处理，软土地基应通过现场试验确定其适用性。该施工方法具有操作简便、成桩快、无 污染、成桩费用低、对桩问土的挤密效应显著等优点。但在施工中发现该工艺较难穿越 厚的硬土层，即使穿越也会造成大的振动和噪音污染，特别在软土地基，由于振动机具 9 第- 二章c f g 桩应用基础 重压，常造成后施工桩挤压已施工桩，使桩体移位，轻者造成桩体裂隙，重者造成桩体 断裂，影响c f g 桩承载力的发挥。 鉴于振动沉管c f g 桩施工工艺存在的缺点，1 9 9 9 年由由国建筑科学研究院等单位 研制成功了长螺旋钻孔管内泵压施工工艺，如图2 4 ，该工艺克服了振动沉管施工的缺 点，具有低噪音、无泥浆污染，成孑l 制桩时不产生振动，成孔穿透能力强，对地层适用 性强，施工效率高等优点，极大地提高了施工工效，现已成为高层建筑复合地基处理首 选的成桩工艺。长螺旋钻孔管内泵压施工工艺适用于粘性土、粉土、砂土、粒径不大于 6 0 m m 厚度不大于5 m 的卵石层( 卵石含量不大于3 0 ) 。 除上述两种常用的c f g 桩施工工艺外，c f g 桩施工还可根据土质情况、设备条件 采用以下工艺： 1 长螺旋钻干成孔灌注成桩。适用于地下水以上、提钻不坍孔的土层条件。 2 人工或机械洛阳铲成孔灌注成桩。适用于处理深度不大，地下水位以上的粉性土、 粉土和填土地基。 3 泥浆护壁钻孑l 灌注成桩。对遇有较厚卵石、砂和孔隙比小液性指数较低的粘土层 以及饱和软土，桩端持力层具有水头较高的承压水，或对噪音污染要求严格的场地，不 宜采用上述施工工艺时，可采用此工艺。 在实际工程中，除采用单一的c f g 桩施工工艺外，有时还需要根据地质条件或地 基处理目的采用两种施工工艺组合。 总之，施工选用何种施工工艺或设备，需要考虑场地土质、地下水位、施工现场周 围环境等具体情况综合分析确定。 2 4c f g 桩的材料组成 一般的c f g 桩由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高黏度强度桩， 水泥含量为5 左右，2 8 d 立方体抗压强度6 3 7 3 m p a 。大量试验和工程实践证明，复 合地基置换作用的大小主要取决于桩体材料的组成，详见表2 1 。 l o 长安人学硕i 二学位论文 i ， i il 缝 慕 i l 1 a ；二 ? _ l 、“ 潮 i t 一 j ， 二 遴： 鳐。j 懋 _ 懋筮 孽”强矗：7 三轴庵力应 变曲线 麻力曲线不早现直线关系，增加围乐， 破坏主应力增人 应力应变曲线关系，罔压对应力应变曲 线没有多人影响 适川范同 多层建筑及防液化地基多重建筑物地基及变形 第_ 二章c f g 桩心用基础 不同的施工工艺对c f g 桩的材料要求有明显不同，下面主要介绍长螺旋钻管内泵 压灌注成桩工艺桩体主要材料的一般要求。 长螺旋钻管内泵压c f g 桩桩体混合料由水泥、卵石( 或碎石) 、砂、i i i 级及i i i 级 以上粉煤灰( 必要时加适量泵送剂) ，加水在搅拌机中强制搅拌而成。 1 水泥 水泥应当具有良好的保水性能，使混合料在泵送过程中不易泌水。长螺旋钻管内泵 压c f g 桩混合料，对于普通硅酸盐水泥或矿渣水泥，只要水泥材质合格，由于掺入了 粉煤伏，使得混合料的和易性增强，流动性加大，采用较低的坍落度，可满足泵送要求。 用于高层的c f g 桩强度等级一般为c 1 5 - c 2 5 ，其水泥标号一般选用p 0 3 2 5 号。 如用高标号水泥则会使水泥用量偏少，影响和易性及密实度，如用低标号水泥，则会使 水泥用量过多，不经济，而且会影响混合料其它技术性能。 实际工程中，c f g 桩施工速度很快，为不影响整个工期，宜选用早期强度增长快的 普通硅酸盐水泥。 2 粗骨料 长螺旋钻管内泵压c f g 桩粗骨料可采用卵石、碎石或卵石与碎石混合的骨料。就 混合料的可泵性而言，卵石最好，卵石与碎石混合料次之，碎石较差。 一般情况下，泵送混合料配合比要求卵石最大粒径不超过1 3 输送管内径，碎石最 大粒径不超过l 4 输送管内径。对长螺旋钻管内泵压c f g 桩，粗骨料受输送管内径、动 力头内径等综合因素控制，结合工程经验，建议混合料粗骨料采用卵石时，最大粒径为 2 5 m m ：采用碎石时，最大粒径为2 0 m m ： 3 粉煤灰 长螺旋钻管内泵压c f g 桩混合料所用的粉煤灰应选用i i i 级及i i i 级以上等级。 c f g 桩混合料中掺入粉煤灰，除了本身火山灰活性作用外，可减少混合料的泌水， 增加混合料的和易性，改善混合料的可泵性。 粉煤灰掺量可按粉煤驮混凝土应用技术规范( g b j l 4 6 9 0 ) 中的超量取代法配 合比计算，建议每立方米混合料粉煤灰掺量为7 0 - - , 9 0 k g 。 1 2 长安大学硕j ：学位论文 第三章武广客运专线c f g 桩设计 3 1c f g 桩设计方案论证 客运专线是指时速超过2 0 0 k m 的高速旅客列车专用铁路。路基作为轨道的基础，必 须具有变形小、强度高、刚度大且纵向变化均匀，长期动力稳定性和耐久性等，以确保 列车高速、安全、舒适、平顺运行以及最大程度的减少维修工作量。客运专线的路基结 构采用了多层结构系统，其标准也较普通铁路有了显著的提高。设计、施工以及验收暂 规对路基变形、基床结构、填料、地基条件及处理等均有明确规定和严格的要求。因此， 变形控制成为了客运专线路基设计、施工的关键。路基的变形一般分为两类，即：路基 地基及本体的压密变形( 工后沉降) 和路基基床弹性变形及塑性变形。 过去我国相关舰范中将工后沉降定义为路基竣工丌始铺轨后产生的沉降，即图3 1 中a s 2 ，目前已经按以铺轨完成，交付运营后计列工后沉降，即图3 1 中a s 3 。 0 图3 1 地基沉降p t s 示意图 工后沉降是由路基本体及地基沉降引起的沉降，大量的实测资料表明：当填料及压 实度满足要求时，路基本体压密沉降仅占填土高度的o 1 o 5 ，且完成的时间较快( 一 般在一年左右可完成) ，故工后沉降主要考虑的是由地基沉降引起的沉降量。各国根据 自身情况对沉降控制都提出了严格标准，我国铁路路基设计规范( t b l 0 0 0 1 2 0 0 5 ) 规定：i 级干线路基工后沉降一般不大于2 0 c m ，过渡段不大于1 0 c m 。京沪高速铁路 1 3 第三章武广客运专线c f g 桩设计 设计暂行规定规定：有碴轨道高速铁路路基工后沉降一般不大于5 c m ，过渡段不大于 3 c m 。无碴轨道路基根据不同类型的轨道特点，有的国家在实际设计中追求零沉降，并 特别重视不均匀沉降的控制，比如德、法等国就提出了交付运营后“零沉降”的控制标准。 我国客运专线无碴轨道铁路设计指南在科研并总结国外经验的基础上，提出了一般 地段路基工后沉降一般不大于1 5 m m ，并对不均匀变形提出了严格的控制，具体见表3 1 ， 其目的是为了确保轨道的几何平顺、列车运行的平稳以及旅客乘坐的舒适。这就要求路 基的刚度大，弹性变形小，且刚度变化均匀，因此客运专线无碴轨道铁路设计指南 中提出的路基基床厚度、填料要求、压实标准以及检测方法等相比i 级干线要高得多。 表3 1 路基沉降变形控制标准表 路基i ：后沉降控制 设计时速 铁路等级轨道类型 一般地段各类过渡段年沉降速率 ( k m h ) ( m m )( m m )( m m 年) 客运专线 3 5 0 无碴轨道 1 55| 客运专线2 0 0 2 5 0 有碴轨道 1 0 0 - 1 5 05 0 8 03 0 - 4 0 客运共线 2 0 0 有碴轨道1 5 08 0 4 0 i 级干线1 6 0 有碴轨道 2 0 01 0 05 0 在勘察设计阶段，设计人员根据地质条件、土层物理力学参数、填土高度、地基加 固措施、工期等计算总沉降量及工后沉降量，选择合理的地基加固措施。由于地层的不 均匀性、参数选取的精度、计算方法的局限性，以及施工过程的影响等因素，此时沉降 计算只能是一种估算。图3 2 为某路堤实测沉降过程曲线与理论沉降过程对比图，实测 值与计算值明显有较大差别，其精度难以满足客运专线高标准要求。 图3 2 某路堤实测沉降过程曲线与理论沉降过程曲线对比图 1 4 长安人学硕i 二学位论文 目前我国路基基床设计采用强度控制法，即控制基床的动强度，使基床的动强度大 于列车运行时在路基所产生的最大动应力( 作用在基床的动应力不超过基床填料的临界 动应力) 的方法。变形控制法则是控制在列车作用下路基面的变形小于规定值。 对于无碴轨道，德、法等图高速铁路通常将钢轨( 包括弹性扣件) 、轨道板( 枕) 、 水硬性混凝土层、路基基床看作连续支撑系统，在荷载作用下，路基面弹性变形不能超 过相关规定，以便使钢轨应力、钢轨扣件力、道床板弯曲力矩、钢轨挠曲等满足相关要 求，具体见表3 2 ，因此，要求路基基床具有一定的刚度，计算中需要路基基床模量值。 目前，我国尚无对钢轨、路基基床变形控制指标作出具体规定。 表3 2 各国路基面弹性变形相关规定 i ：后沉降筹异沉过渡段差异 沉降速率不均 国别线路等级 一般地桥尾过 降错台沉降形成的 m m 年匀沉降 段m m段m m m m 折角 2 0 0 k m h 1 5 08 04 0 有碴轨道 2 5 0 k m h 1 0 05 03 0 中国 3 0 0 k m h5 03 02 0 无碴轨道3 0 0 k m h1 53 0 m m 2 0 m5 l 门0 0 0 德国 无碴轨道 3 0 0 k m h1 5l3 m m 5 0 m5l 5 0 0 日本无碴轨道 2 6 0 k m h24 1 0 0 0 高速铁路对路堤的沉降变形提出了严格要求，尤其是软土及松软土路堤的工后沉降 控制。对天然地基土地基条件提出了评判标准，不符合要求的工点需进行沉降分析。( 对 于无碴轨道路基，粘性土地基原则上均应进行沉降检算) 新建铁路武汉至广州客运专线( 简称武广客运专线) 为一次双线，设计车速为3 0 0 k h ( 线下远期为3 5 0 k m h ) ，初步设计是按有碴轨道设计的，2 0 0 4 年1 0 月铁道部工程设计 鉴定中心对初步设计进行中间审查，修改为全线采用无碴轨道，以满足我国客运专线高 速度、高密度、长距离跨线运输的运营特点。 由于对高速铁路路基“零沉降”理念认识的不足，在有碴轨道设计时，路基工后 沉降的标准值规范规定过高，导致原路基设计的措置难以满足铺设无碴轨道的要求，故 采用无碴轨道后，路基处理措施较以前有较高的要求。 地基处理的目的是为了提高地基承载力，减少地基沉降。当天然地基不能满足构筑 1 5 第三帝武广客运专线c f g 桩设计 物稳定或变形控制要求时，就要对天然地基进行处理，地基处理方法非常多，严格分类 非常困难。我们可将铁路路基地基处理简单分为浅层处理和深层处理( 排水固结法和复 合地基法) ，一般可以分为以下几类： ( 1 ) 排水固结法( 排水砂井、塑料排水板、超载预压、真空预压等) 。 ( 2 ) 置换法双层地基或复合地基( 浅层换填、深层搅拌桩、碎石桩) ( 3 ) 刚性桩基础( c f g 桩、混凝土管桩等) 。 ( 4 ) 振密、挤密法( 强夯、振冲挤密、爆破挤密、灰土桩等) 。 ( 5 ) 其他方法( 如加筋、灌浆、强夯等) 。 其中c f g 桩复合地基承载力提高幅度大，沉降量小，加固软土地基效果显著，具 有广泛的适应性，适用于各种基础形式；就土性而言，可用于填土、饱和及非饱和粘性 土，既可用于挤密效果好的土，又可用于挤密效果差的土。 客运专线无碴轨道的高平顺性和均匀一致性的特点，对路基设计、施工提出了更 高的要求，必须严格控制工后沉降和差异沉降。 武广客运专线由于建设工期等原因，排水固结法地基加固的使用受到较大的限制， 所以该客运专线基本上以复合地基为主，一般采用c f g 桩、水泥搅拌桩及强夯加固， 但当压缩层厚度较大时，强夯和水泥搅拌桩等措施无法满足工后沉降控制标准要求，改 为桩身强度较大的c f g 桩，所以武广客运专线全线路基基础处理措施采用以c f g 桩加 固为主，共设计c f g 桩约1 5 2 6 力m ，是本线加固路基、控制沉降的主要措施之一。因 此，全线c f g 桩的质量控制就是路基工程质量控制和沉降控制的重点工作。路基加固 c f g 桩在武广客运专线的采用是我国铁路建设中的首次大规模应用，其质量的好坏直接 影响无碴轨道铺设成败，对武广客运专线建设的成败意义重大。 3 2 c f g 桩复合地基的武广模式 c f g 桩复合地基技术在武广客运专线工程运用中得到发展，并