毕业设计（论文）-高速铁路CFG桩饱和软粘土地基处理

PAGEPAGE高速铁路CFG桩饱和软粘土地基处理TheCFGPileSaturatedClayGroundProcessingDesignOfHighSpeedRailway摘要饱和软粘土的特征界于软土和一般土之间,天然含水量大、压缩性高、承载力低。在松软土地基上修筑高速铁路时，若处治不当，往往会导致路基失稳或沉降达不到预期目的，造成铁路不能正常运营以及后期维护费用高等问题。本文先介绍了软粘土地基的物理性质和力学性质，及各种处理方法。然后就本设计所采用的CFG桩的资料进行了系统的总结，介绍了CFG桩的发展历史、适用范围、特性及其按照施工工艺的分类；详细叙述了振动沉管CFG桩的加固机理、设计计算、施工工艺及其质量检验。最后，本文对武广高速铁路和京沪高速铁路软粘土地基进行了改良加固；最终选定振动沉管CFG桩作为改良工法，并按照国外桩网设计理论进行了详细的设计。在国内，桩网复合地基是一种新型的地基处理方法，其理论与实践研究都落后于国外。随着复合地基技术在中国的快速发展，其理论与应用方面的问题有待进一步的更为深入地研究。关键词：CFG桩桩网复合地基饱和软粘土

AbstractSaturatedsoftclayisbetweenweeksoilandgeneralsoil,thenaturalwatercontentofthesoftsoilislarge;thecompressingishigh;bearingtheweightislow.Whilebuildingthehigh-speedrailwayonthesoftsoilground,ifitispunishedimproperly,willoftenmaketheroadbedlosestabilityorsubsidencecannotreachtheanticipatedpurpose,makingtherailwaybeunabletorunnormallyandthehighproblemoftheexpensesonlatermaintenance.Thistextintroducesthephysicalpropertyandthemechanicalnatureofthesoftsoilgroundfirstly,andstatesallkindsoftreatmentmethods.ThisthesissummarizesthedatumoftheCementFly-ashGravelPilesystematically,thenitintroducesthedevelopmenthistory,applicablerangeandconsolidatingmechanismofthedry-vibratedCementFly-ashGravelPile.Alsothedesigntheoriesandconstructioncraftofthedry-vibratedCementFly-ashGravelPileareintroduced.Finally,thisthesisputforwardrationalizationschemeofstrengtheningthesoftsoilgroundinHighspeedrailwayofWuguangandJinghu.Finallythedry-vibratedCementFly-ashGravelPileisadoptedbycontrastingtheapplicabilityofthesemethods,andthenmakesadetaileddesignaccordingtothemethodsofourcountry.Asweknow,compositefoundationiswidelyusedinengineeringandtheoreticalstudyisfarbehindpracticeatpresent.Mostoftheresearchesarebasedontheexperimentandexperienceandcanseldomstudyitwiththemethodofnumericalanalysis.WiththequickapplicationofcompositefoundationtechnologyinChina,someproblemsconcertingitsapplicationswillbestudiedandpracticedfurthermoreKeywords:CementFly-ashGravelPilepile-netcompositefoundationSaturatedsoftclay

目录第1章绪论 11.1饱和软粘土地基概述 11.2饱和软粘土的特征 11.3饱和软粘土的工程地质特征 21.4软粘土地基的破坏形式 2第2章CFG桩复合地基 42.1CFG桩概述 42.2CFG桩复合地基加固机理及效应 52.2.1复合地基效应 52.2.2CFG桩各部分的作用 72.3CFG桩地基工程特性 10第3章CFG桩复合地基计算 123.1桩体间距的设计计算 123.2CFG桩地基承载力计算 173.2.1桩间土极限承载力计算 173.2.2CFG桩复合地基承载力 183.2.3加固区下卧软弱层承载力验算 193.3CFG桩复合地基沉降计算 203.3.1计算加固区变形和下卧层沉降 213.3.2CFG桩复合地基变形计算 23第4章振动沉管CFG桩施工工艺 254.1施工程序 254.1.1施工准备施工前应具备的资料和条件 254.1.2CFG桩施工 254.2施工中要注意的问题和控制措施 264.3施工工艺方法的研究 27第5章武广客运专线CFG桩饱和软粘土地基处理 315.1配合比的确定： 315.2原地表处理: 315.3施工工艺： 325.4CFG桩基的检测： 32第6章京沪客运专线CFG桩饱和软粘土地基处理 346.1京沪高速铁路饱和软粘土资料 346.2软弱地基处理的选用原则 346.3CFG桩设计 356.3.1设计基本条件 356.3.2CFG桩基本参数 36第7章结论 387.1设计总结 387.2进一步研究工作 39参考文献 40致谢 41附录 42石家庄铁道大学四方学院毕业设计—PAGE17—第1章绪论1.1饱和软粘土地基概述饱和软粘土在我国分布极为广泛，几乎遍布沿海和河流的中下流及湖泊附近地区，其中最具代表性的是淤泥．它们是以极细的粘土胶状物质为主，在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并伴有微生物作用的一种结构性土．淤泥属饱和多孔介质，是由土粒固体骨架和充满在骨架内的液体孔隙水组成，其物理力学特性是：高孔隙比、高含水量、低强度、高压缩性且渗透性差，具有明显的流变性．随着国民经济的迅速发展，基础设施建设步伐的加快，在土木建筑、水利交通等众多工程建设中，人们将面对大量的淤泥类软粘土地基，要解决淤泥类软土的工程问题，就必须首先了解它的工程特性．室内土工试验的试样系从某工地利用取土器细心取得，并在运输过程中使扰动减到最低限度，所以试样保持较高的原状性．固结试验利用有侧限的常规固结仪．1.2饱和软粘土的特征(1)天然含水量高：其值一般大于液限，属于流动状态，天然孔隙比在1．0～1．9之间，因而一般属于淤泥或淤泥质土，其中淤泥质土占多数．液限变化在34％～58％，塑性指数变化范围是13～3O，属于中等塑性的有机土或无机土．(2)低渗透性：软土具有很小的渗透系数(1O-％m／s以下)，透水性能很差．说明此类土体的水分渗出条件极差，对地基的固结排水极为不利，在建筑物的基础沉降方面的表现为延续时间长，并且在荷载作用下固结较慢，强度不易提高．(3)高压缩性：此类土压缩系数大于0．5MPa，属于高压缩性土．其压缩性往往随液限的增大而增大．由于软粘土大多为第四纪后期的沉积物，通常属于正常固结土．土体受压后极易产生压缩变形，在建筑物基础沉降方面反映为沉降量大．(4)不均匀性：软土的颗粒组成多为微细和高分散的颗粒，在粘粒层中局部以粉粒为主，在平面分布与垂直方向上具有明显的差异性和分选性、以及颗粒组成的不均匀性．因此极易造成建筑物基础的不均匀沉降．由于粘土矿物颗粒很小，一般呈薄片状，且表面带有负电荷，在粘土颗粒四周吸附着大量的偶极化分子．所以在沉积过程中，软土层较易形成絮凝状结构，这也是造成软粘土天然含水量高的原因之一．(5)抗剪强度低：软粘土的强度大小与排水条件关系密切，若排水条件良好，在荷载作用下，软土经过固结后，其强度随有效应力的增大而增大．在一般快剪情况下，粘聚力在10kPa左右，内摩擦角为0°～5°之间．(6)显著的结构性和触变性：软土具有一定的结构连结，一旦受到扰动(振动、搅拌或揉搓等)，其絮凝状结构连结遭受破坏，由于土体含水量高，极易变成稀释状态，产生触变或液化现象，使土体的强度迅速降低．但是，软土扰动后，随着静置时间的增长，其强度又会逐渐有所恢复，即所谓的触变恢复．若经过排水固结，则其强度会超过原有的结构的强度．1.3饱和软粘土的工程地质特征软粘土地基承载力低，强度增长缓慢；加荷后易变形且不均匀；变形速率大且稳定时间长；具有渗透性小、触变性及流变性大的特点。常用的地基处理方法有预压法、置换法、搅拌法等。软粘土在荷载作用下的强度增长：饱和软粘土地基在外荷载作用下随着孔隙水压力的消散以及土层的固结，土的抗剪强度也将会随之增长。1.4软粘土地基的破坏形式一般而言，地基问题可归结为以下几个方面：⑴承载力及稳定性低地基承载力较低，不能承担上部结构的自重及外荷载，导致地基失稳，出现局部或整体剪切破坏，或冲剪破坏。⑵沉降变形高压缩性地基可能导致建筑物发生过大的沉降量，使其失去使用效能；地基不均匀或荷载不均匀导致地基沉降不均匀，使建筑物倾斜、开裂、局部破坏，失去使用效能甚至整体破坏。⑶动荷载下的地基液化、失稳和震陷饱和无粘性土地基具有振动液化的特性。在地震、机器振动、爆炸冲击、波浪作用等动荷载作用下，地基可能因液化、震陷导致地基失稳破坏；软粘土在振动作用下，产生震陷。⑷渗透破坏土具有渗透性，当地基中出现渗流时，将可能导致流土（流砂）和管涌（潜蚀）现象，严重时能使地基失稳、崩溃。饱和软粘土地基是近代水下沉积的饱和粘土，具有含水量大、孔隙比大、压缩性高、渗透性差、承载力低的工程性质，呈软塑~流塑状态。在外力和自然因素如地震的作用下，会发生破坏。松散的粉砂如果是饱和的。其孔隙为水所充满。在遇到强烈地震时，会产生急剧的状态变化。导致孔隙水压力骤然上升。当这种水压力来不及消散，就使得原来通过砂粒互相接触所传递的压力减小乃至消失，颗粒处于悬浮状态，使原砂土结构受到破坏。抗剪强度丧失成为液体状态，因而丧失承载力，此即土层液化现象。液化引起结构失稳的类型有：地基丧失承载力；液化土向低凹处流动。高孔压导致结构上浮；喷砂孔的形成以及导致侧向压力增加。当覆盖土层破裂，则受压水挟带砂粒喷出地面，出现喷水、冒砂现象，常常导致建筑物产生大量不均匀沉降，造成建筑物开裂、倾斜或破坏。高速铁路饱和软粘土地基路基，在地震时产生的破坏、变形原因由以下几个方面所引起：①饱和软粘土地基强度减小所引起的路堤破坏；②饱和软粘土地基液化引起的垂直方向的沉降；③饱和软粘土地基侧向流动引起的沉降；④路基破坏引起的永久变形；⑤路基震实和路堤液化引起的永久变形。对于新建的高速铁路，由于设计时提高了沉降变形控制标准（路堤填料质量及压实标准等），液化土地基的液化、侧向流动及路基破坏所引起的路基沉降是高速铁路地震时发生破坏的最主要原因，而路堤震实和路堤液化所引起的永久变形一般可不予考虑。

第2章CFG桩复合地基2.1CFG桩概述CFG桩（CementFly-ashGravelPile）是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石桩、石屑或是砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。通过调整水泥掺量及配比，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桩复合地基实验研究是建设部“七五”计划课题，于1988年立题进行实验研究，并用于工程实践。其实验结果于1992年由建设部组织鉴定，专家们一致认为：该成果具有国际领先水平，推广意义很大。CFG桩复合地基成套技术，1994年被建设部列为全国重点推广项目，被国家科委列为国家级全国重点推广项目。1997年被列为国家级工法，并制定了中国建筑科学研究院企业标准，现已列入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》，该规范正在编制过程中。为了进一步推广这项技术，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究，并列入“九五”国家重点攻关项目。1999年12月通过了国家验收。该技术已在全国23个省、市广泛推广应用，据不完全统计，该技术已在1000多个工程中应用。和桩基相比，由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基的1/3~1/2，经济效益和社会效益非常显著。碎石桩系散体材料，本身没有粘结强度，主要靠周围土的约束传递基础传来的垂直荷载。土越软，对桩的约束作用越差，桩传递垂直荷载的能力越弱。CFG桩针对碎石桩承载特性的一些不足，加以改进而发展起来的。CFG桩采用螺旋钻机或振动沉管桩机等设备进行成孔，是一种具有较高粘结强度的刚性桩。与一般的柔性桩复合地基相比，用CFG桩处理地基时，可大幅度提高地基承载力，并可通过调节复合地基桩长、桩距及桩体材料配比等指标较大幅度调节复合地基承载力的变化区间，特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基难以满足设计要求时，CFG桩复合地基则有明显的优势。CFG桩复合地基可用于填土、饱和及非饱和粘性土、松散砂土等。它是一种低强度砼桩，可以充分利用桩间土的承载力，共同作用并可传递荷载到深层地基中去，具有较高的承载力，承载力提高幅度在2．5～3倍，由于通过CFG桩处理过的复合地基具有承载力高、沉降变形小、变形稳定快、工艺性好、灌注方便、易于控制施工质量和工程造价较低等特点，因此具有较好的技术性能和经济效果。由于CFG桩复合地基技术具有以上施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低廉的特点，目前已经成为北京及周边地区应用最普通的地基处理技术之一。CFG桩一般不用计算配筋，并且还可利用工业废料粉煤灰和石屑作掺和料，进一步降低了工程造价。CFG桩适用范围较广，就基础型式而言，CFG桩既可适用于条形基础、独立基础，也可用于筏基和箱型基础；就土性而言，CFG桩可用于处理粘性土、粉土、砂土、人工填土和淤泥质土等地基。既适用于挤密效果好的土，又适用于挤密效果差的土，具有加速土体固结、沉降变形小、沉降稳定快等特点。刚性桩与碎石桩不同，一般情况下不全长发挥桩的侧阻，桩端落在好土层也可很好地发挥端阻作用。若将碎石桩加以改造，使其具有刚性桩的某些性状，则桩的作用会大大加强。2.2CFG桩复合地基加固机理及效应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(指用沉管方法成桩时)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。2.2.1复合地基效应复合地基中桩间土的性状不同、桩体材料不同、成桩工艺不同，复合地基的效应也不同。CFG桩复合地基的效应，主要有以下四各方面：（1）桩体效应；（2）挤密振密作用；（3）垫层作用；（4）排水固结作用。

⑴桩体效应因为材料本身的强度与软土地层强度不同，在荷载作用下，CFG桩的压缩性明显比桩间土小，因此基础传给复合地基的附加应力，随地层的变形逐渐集中到桩体上，出现应力集中现象。大部分荷载将由桩体承受，桩间土应力相应减小，于是复合地基承载力较原有地基承载力有所提高，即图2-2中的（图中、、分别是桩体承受、基础附加、桩间土承受的三种应力），沉降量亦减小，随着桩体刚度增加，桩体作用发挥更加明显。这一点正是碎石桩与CFG桩受力情况不同的根本点。因为随时桩桩体材料是松散碎石，自身无粘结度，依靠周围土体约束才能承受上部荷载。而CFG桩桩身具有一定的粘结强度，在荷载作用下，不会出现压胀变形，桩承受的荷载通过桩周摩阻力和桩端阻力传至深层地基中，其复合地基提高幅度也较碎石桩为大。于是，CFG桩常发生刺入破坏，而碎石桩常发生的压胀破坏和整体破坏。图2-2桩土受力示意图⑵挤密振密作用CFG桩采用振动沉管法施工时，由于振动和挤压作用使桩间土得到挤密，特别是在砂层中这一作用更加显著。砂土在强烈的高频振动下，产生液化并重新排列致密，而且在桩体粗骨（碎石）填入后挤入土中，使砂土的相对密实度增加，孔隙率降低，干密度和内摩擦角增大，改善图的物理性质，抗液化能力也提高。⑶垫层作用CFG桩所说的垫层不是在一般桩基础下设的10～30cm厚混凝土垫层，而是由颗粒材料组成的散体垫。复合地基和桩基虽然都是以桩的形式处理地基，但桩基基础与桩、桩间土直接接触，在给定荷载作用下，桩承受较多的荷载，随着时间延长，桩发生一定沉降，荷载相土体转移，土承载随时间增加逐渐增加，桩承载则逐渐减小。而复合地基因为桩和基础不是直接接触，其间有一层碎石垫层（一般厚度是30cm左右），为桩向上刺入提供了条件，并通过垫层材料的流动补偿，使桩间土与基础始终保持接触，在桩、土共同作用下，地基土的强度得到一定程度的补偿，相应减少了对桩的承载力的要求。⑷排水固结作用与一般的碎石桩复合地基一样，采用沉管灌注施工CFG桩，在施工和成桩后的一段时间内，都会在不同程度上降低地层中地下水的含量，最终达到改善地基土物理、力学性质的目的。在饱和的粉土和砂土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生超孔隙压力。在上层有相对隔水层时，施工完毕的最初CFG桩因其本身材料的性质决定了它将是一个良好的排水通道，如图2-3所示，孔隙水将沿着桩体向上排出，直到CFG桩硬结为止。这样的排水过程还包括CFG桩桩体坍落度小，含水量很小的混凝土类材料水解吸水的过程。有资料证明，这一系列排水作用对减少孔压引起地面隆起和沉陷，对增加桩间土的密实度和提高复合地基承载力极为有利。图2-3复合地基排水固结示意图2.2.2CFG桩各部分的作用CFG桩复合地基由桩、桩间土及褥垫层3部分构成。每个部分在受力时发挥了不同的作用：⑴CFG桩的作用①承担基础传来的竖向荷载及小部分水平荷载；②对地基土产生一定的挤密作用，当采用非排土工艺施工时，可使桩间土得到一定程度的挤密，加固后的地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所降低，而土体的密度、压缩模量均有所增加，从而改善土质性能；③排水作用。在成桩初期，桩孔和周边充填反虑性较好的粗颗粒填料，地基中形成了渗透性能良好的人工竖向排水、减压的通道，可以有效地消散和防止振冲产生的超孔隙水压的增高，从而加速地基的排水固结；④预震作用。在成桩过程中，振冲器以一定的振动频率和冲击力水平向加速激振土体，使填料和地基土在提高相对密实度的同时获得强烈的预震，从而增强砂土抗液化的能力；⑵桩间土的作用①承担竖向，水平荷载。②对桩体进行约束，保证桩体正常工作。⑶褥垫层的作用①保证桩与土共同承担荷载。在CFG桩复合地基中，路基通过一定厚度的垫层与桩间和桩间土相联系，即指路基传来的荷载，首先传给垫层，再通过垫层传给桩与桩间土。当桩端位于坚硬土层时，路基承受荷载后，桩顶沉降变形很小，绝大部分荷载由桩承担，桩间土承载力很难发挥。当桩端落在一般粘土层上时，路基承受荷载后，开始绝大部分荷载仍由桩承担，随着时间的增加，路基和桩的沉降不断增加，同时路基下土分担的荷载不断增加，即存在一个桩所承担的荷载逐渐向桩间土转移的过程。路基和桩之间设置了一定厚度的垫层后，在上部荷载作用下，桩间土的抗压刚度远小于桩的抗压刚度，桩顶出现应力集中，当桩顶压力超过垫层局部抗压强度时，垫层局部(与桩接触部分)会产生压缩量，路基和垫层整体也会产生向下位移压缩桩问土，此时，桩间土承载力开始发挥作用，并产生沉降直至应力平衡。由此可见，设置垫层后，可以保证路基通过垫层的塑性调节作用将部分荷载传到桩间土上，从而达到桩间土共同承载荷载的目的。②调整桩与桩之间的分配比例与置换率。桩类型和垫层厚度有很大关系，其中垫层厚度是最重要的因素。并在一定条件下，当增加垫层的厚度时，根据前述原理，在桩顶应力不变的情况下，可以使垫层和与桩顶接触的局部产生更大的压缩，路基和垫层整体向下的移动位置和桩间土压缩量便会加大，从而提高了桩间土的荷载分担比例。若减少垫层的厚度时，则会提高桩的竖向荷载分担比例。垫层厚度H=0时，桩土应力比很大，此时的受力状态如同桩基。如H很大时，则桩土应力比接近于1，此时的受力状态接近于无桩的受力状态。所以当垫层厚度越小，桩承担的水平荷载的比例就越大，而垫层的厚度赵大，桩间土承担的水平荷载比例也就越大。设计时应适当调整垫层厚度，以此控制CFG桩承担的水平荷载，提高桩在水平荷载作用下的安全度。③减少和减缓路基底面的应力集中，提高路基整体的稳定性。垫层厚度H=0时，桩对路基基底的应力集中很显著。设计时应考虑桩对路基基底的冲切破坏。随着厚度的增加，应力集中现象越来越明显，当厚度增加至一定程度，基底反力即为天然地基的反力发布。桩顶对应的基础底面测得的反力与桩间土对应的基础底面测得的反力之比用表示（＝/），值随着褥垫层厚度的变化如图2-4所示。当褥垫层厚度大于10cm时，桩对基础产生的应力集中已显著降低，当为30cm时，值已经很小了。④调整桩、土水平荷载分担比例。CFG桩复合地基中，作用在基础上的水平荷载将由3部分力来分担：基底摩阻力、基础两侧面的摩阻力以及荷载反方向的土抗力。而基底摩阻力与褥垫层的材料性质以及厚度有密切关系。当褥垫层厚度增大到一定数值时，由于CFG桩复合地基置换率一般不大于10％，作用在桩顶和桩间土的剪应力和相差不大，桩顶受的剪力(m为置换率；A为基础面积；桩顶剪应力)占水平荷载的比例很小。水平荷载将主要由桩间土承受。另外，选择不同褥垫层材料，可改变基底与褥垫层之间的摩擦系数，从而影响基底摩阻力大小。⑷褥垫层技术由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫层技术是CFG桩复合地基的一个核心问题，复合地基的许多特性都与褥垫层有关。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ179－2002）要求桩顶和基础之间应设置褥垫层，厚度宜取153～300mm，当桩径大或桩距大时褥垫层厚度宜取高值。工程实践表明，褥垫层合理厚度为100～300mm，考虑施工时的不均匀性，褥垫层厚度取150～300mm，当桩径大、桩距大时宜取高值。材料中的最大粒径不大于30mm。由于卵石咬合力差，施工时扰动较大，褥垫层厚度不容易保证均匀。在前面讨论的褥垫层作用中可知，厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，需考虑桩对基础的冲切，这势必导致基础加厚，如果基础受水平荷载作用，可能造成复合地基中桩发生断裂。由于褥垫层厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。唯一的好处是建筑物的沉降量小。褥垫层厚度大，桩对基础产生的应力集中很小，可不考虑桩对基础的冲切作用，基础受水平荷载的作用，不会发生桩的折断。同时厚度大时，能够充分发挥桩间土的承载能力。若其厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近1。此时桩承担的荷载太小，实际时复合地基中桩的设置已失去了意义。这样的设计的复合地基承载力，不会比天然地基有较大的提高，而且建筑物的变形也大。综合以上分析，结合大量的工程实践的总结，考虑到技术上可靠，经济上合理，褥垫层的厚度宜取10～30cm。2.3CFG桩地基工程特性CFG桩的地基处理在工程中应用很广泛。其工程的特性也很显著。下面对其主要特性的有以下几点。⑴载力提高幅度大CFG桩桩长可以从几米到20多米，并且可全长发挥桩的侧阻力，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些。特别时天然地基承载力较低而设计要求得承载力较高，用柔性桩复合地基一般难以满足设计要求，CFG桩复合地基则比较容易实现。⑵适应范围广就基础形式而言，CFG桩既适合条形基础、独立基础，也适合筏形和箱形基础。就土性而言，CFG桩可用于填土、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。当其用于挤密效果好的土时，承载力的提高既有挤密分量，又有置换分量；当其用于不可挤密土时，承载力的提高只与置换作用有关。当土的承载力标准值≤50kPa时，CFG桩的适用性值得研究。当土是具有良好挤密效果的砂土、粉土时，振动可使土挤密，桩间土承载力可有较大幅度的提高，CFG桩是适合的。而塑性指数高的饱和软粘土，成桩时土的挤密分量为零。承载力的提高唯一取决于桩的置换作用。由于桩间土的承载力太小，土的荷载分担比太低，因此不适合做复合地基。⑶刚性桩的性状明显对柔性桩，特别时散体桩，如碎石桩、砂石桩，它们主要是通过有限的桩长来传递垂直荷载。当桩长大于某一个数值后，桩传递荷载的作用已显著减小。CFG桩象刚性桩一样，可全长发挥侧阻，桩落在好的土层是时，具有明显的端承作用。对于上部软下部硬的地质条件，碎石桩将荷载向深层传递非常困难，而CFG桩因为具有刚性桩的性状，向深层土传递荷载时其重要的工作特性。⑷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，会使土体产生超孔隙水压力。较好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，孔隙水将沿着桩体向上排出，直到CFG桩体结硬为止。这样的排水过程可延续几个小时。⑸时间效应利用振动沉管施工，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。在复合地基的承载力提高期间，既包含了桩间土结构强度的恢复，也包括了桩、土间相互作用的加强。加固后地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有减小，重度和压缩模量有所增大。对于粉砂层振密效果比较明显，可大幅度提高桩间土的承载能力，有松散状态变为中密并接近密实状态。⑹复合地基变形小复合地基模量大、建筑物沉降量小时CFG桩复合地基重要特点之一。对于上部和中间有软弱土的地基，用CFG桩加固，桩端放在好的土层上，可以获得模量很高的复合地基，上部建筑物的沉降不大。

第3章CFG桩复合地基计算3.1桩体间距的设计计算CFG桩处理软弱地基，应以提高地基承载力和减少地基沉降为其主要加固目的。其途径是发挥CFG桩的桩体作用。对松软土地基，可考虑其施工时的挤密效应，但若以挤密松散砂土为其主要加固目的，则采用CFG桩是不经济的。CFG桩复合地基的设计参数共5个，分别为桩长、桩径、桩距、、桩体强度、褥垫层厚度及材料。⑴桩长CFG桩复合地基要求桩落端落在好的土层上，这是CFG桩复合地基设计的一个重要原则。因此，桩长是CFG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的变形和要求，土质条件和设备能力等因素。桩长主要取决于桩端持力层的选择。桩端最好进入坚硬土层或岩层，采用嵌岩桩或端承桩；当坚硬土层埋藏很深时，则宜采用摩擦桩，桩端应尽量到达低压缩性、中等强度的土层上。桩端进入持力层的深度，对于粘性土、粉土不宜小于2d，砂类土不小于1.5d，碎石类不宜小于1d。当存在软弱下卧层时，桩端以下持力层厚度不宜小于4d。在进行复合地基设计时，天然地基承载力是已知的，设计要求的复合地基承载力也为已知。桩径和桩距设定后，置换率和桩的断面面积均为已知。桩间土强度提高系数和桩间土强度发挥度的取值。再将值代入，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94）中的和就能算出所需的桩长。

⑵桩径CFG桩常采用振动沉管法施工，其桩径应根据桩管大小而定。从结构要求和方便施工的角度来选择。表3-1常用灌注桩的桩径桩长及适用范围成孔方法桩径/mm桩长/m适用范围泥浆护壁成孔冲抓≥800≤30碎石土、砂类土、粉土、粘性土及风化岩。当进入中等风化和微风化岩层时，冲击成孔的速度比回转钻快。冲击≤50回转钻≤80潜水钻500～800≤50粘性土、淤泥、淤泥质土及砂类土干作业成孔螺旋钻300～800≤30地下水位以上的粘性土、粉土、砂类土及人工填土钻孔扩底300～600≤30地下水位以上的坚硬、硬塑的粘性土及中密以上的砂粘土机动洛阳铲300～500≤20地下水位以上的粘性土、粉土、黄土及人工填土沉管成孔锤击340～800≤30硬塑粘性土、粉土、砂类振动400～500≤24可塑粘性土、中细砂爆破成孔≤350≤12地下水位以上的粘性土、黄土、碎石土及风化岩人工挖孔≥100≤40粘性土、粉土、黄土、人工填土⑶桩距S桩距s过大，承载力不能满足；s过小，桩的承载力不能充分发挥，且给施工造成困难。试验表明，当桩距小于4倍桩径后，随着桩距的减小，复合地基承载力的增长率明显下降，从桩、土作用的发挥考虑，桩距大于4倍桩径为宜。下表对桩的最小桩距s的规定。表3-2桩的最小中心距土类与成桩工艺桩排数≥3，桩根数＞9的摩擦桩基础其他情况非挤土桩和部分灌注桩3.0d2.5d挤土灌注桩穿越非饱和土3.5d3.0d穿越饱和软土4.0d3.5d挤土预制桩3.5d3.0d打入式敞口管桩和H型钢桩3.5d3.0d钻、挖孔扩底灌注桩1.5或＋1（当＞2m时）沉管扩底灌注桩3.0①对于湿陷性黄土和人工填土地基挤密桩桩距s的计算：设扩孔系数，排距为h，排距系数为n＝h/s，可得到：(3-1)式中－挤密前后土的平均密度；d－桩体直径。②液化砂土地基振动挤密桩桩距的计算：砂性土在振动作用下将引起振密下沉。若桩长（处理深度）为Z，由于振动作用引起底面下沉量为，设振沉系数，而成桩的同时还有挤密的作用。桩距s的计算公式：(3-2)施工过程中，无论是振动沉管还是振动拔管，都将对周围土体产生扰动或挤密，振动的影响与土的性质密切相关，振密效果好的土，施工时振动可使土体密度增加，场地发生下沉；不可挤密的土则要发生地表隆起，桩距越小隆起量越大，以致于导致已打的桩产生缩颈或断裂。桩距越大，施工质量越容易控制，但应针对不同的土性分别加以考虑。⑷桩体强度由和桩断面面积，可计算桩顶应力为(3-3)根据桩体强度和承载力的关系分析可知，桩体强度一般取3倍桩顶应力即(3-4)则可取桩体强度由知，桩体强度满足，不会被破坏。⑸褥垫层厚度及材料褥垫层的材料多用碎石、级配砂石（限制最大粒径一般不超过3cm）、粗砂、中砂等。褥垫层的加固范围要比基底面积大，其四周宽出基底的部分不宜小于褥垫层的厚度。结合大量的工程实践的总结，考虑到技术上可靠，经济上合理，褥垫层的厚度宜取10～30cm。 ⑹桩的排列与置换率对可液化地基或有必要时，可在基础外某一范围设置护桩（可液化地基一般用碎石桩做护桩），通常情况下，桩都布置在基础范围内。桩的数量按下式确定(3-5)式中――――面积置换率；――――基础面积（）；――――桩断面面积（）；――――面积为时的理论布桩数。实际布桩时受基础尺寸大小即形状等影响，布桩数会有一定的增减。在各类竖向增强体复合地基中，常见的桩体排列方式为三角形或方形。当按正三角形排桩时，单桩分担的处理范围为正六边形，各桩间距相等，桩间土的挤密效果及桩的作用比较均匀。当按正方形排桩时，单桩分担的处理范围为正方形，布桩与施工较为方便。因此，正三角形布桩最为常见。有时因基础所限或为了布桩简便，也可采用等腰三角形或矩形布桩，无论采用何种三角形或矩形布桩，由图3-3知，在任意相邻四个桩中心线连成的四边形中，其四个夹角合计为360°，亦即其中均包含一根桩体的面积。一根桩分担的处理面积均等于该四边形的面积：（3-6）图3-1挤密桩桩位布列图a)三角形b）矩形按一个桩分担的处理面积，可计算处复合地基的置换率，即（3-7）式中－排距系数，，－桩的中心排距；－排距系数，。表3-3排距与单桩分担面积、置换率等的换算公式项目布桩方式排距系数n单桩分担面积等效圆压板面积面积置换率等腰三角形矩形1.1290.7851.129正三角形0.866正方形1.0对独立基础、箱形基础、筏基，基础边缘到桩的中心距一般为桩径或基础边缘到桩边缘的最小距离不小于150mm，对条形基础不小于75mm。在松软土地区，当桩长范围内，桩端有可能落在好的土层上时，也可采用比通常用的更大一些的预制桩尖，其桩尖的直径增大到沉管外径的1.5～2.0倍，通常称之为大头桩尖。桩尖沉到较好的土层中便停止沉管，大头桩尖通过松软土层时，松软土会很快回弹，拔出沉管后投料量基本不变，但承载能力有了提高。3.2CFG桩地基承载力计算复合地基是由桩间土和增强体（桩）共同承担荷载。但是复合地基承载力不是由天然地基承载力和单桩承载力的简单叠加，需要对如下的一些因素给予考虑：(1)施工时对桩间土是否产生扰动和挤密，桩间土承载力有无降低或提高；(2)桩对桩间土有约束作用，使土的变形减少；(3)复合地基中桩的Q—s曲线呈加工硬化型，比自由单桩的承载力要高；(4)桩和桩间土承载力的发挥都与变形有关，变形小时桩和桩间土的承载力的发挥都不充分；(5)复合地基桩间土的发挥与褥垫层的厚度有关。3.2.1桩间土极限承载力计算根据天然地基荷载板试验结果，或根据其他室内外土工试验资料可以确定天然地基极限承载力。在地基中设置纵向增强体，使桩间土的极限承载力不同于天然地基承载力。使桩间土极限承载力有别于天然地基极限承载力的主要影响因素有下列几个方面：在桩的设置过程中对桩间土的挤密作用，采用振动挤密成桩法影响是明显的；在软粘土地基中，桩体设置过程中由于振动、挤密、扰动等原因，使桩间土中出现附加孔隙水压力，土体强度有所降低，另一方面孔隙水压力消散，桩间土中有效应力增大，抗剪强度提高，这两部分作用使桩间土承载力大于天然地基承载力。通常桩间土极限承载力除了直接通过荷载试验，以及根据土工试验资料，查阅有关规范外，常采用Skepton极限承载力公式进行计算。Skepton极限承载力公式为 （3-8）

式中D－基础埋深；－不排水抗剪强度；－承载力因素，当＝0时，＝5.14；B－基础宽度；L－基础长度。在成桩或加荷过程中，桩间土中朝2孔隙水压力等于，随着超孔隙水压力向散体材料桩逐渐消散，土体固结，土体强度增长。抗剪增强长可用下式表示：（3-9）（3-10）式中－抗剪强度增量；K－系数，；－土体内摩擦角；－平均固结度；－原天然地基土体不排水抗剪强度。3.2.2CFG桩复合地基承载力计算结合软粘土地区CFG桩复合地基的工程实践，对于CFG桩复合地基承载力特征值常采用如下经验公式估算: （3-11）式中—复合地基承载力标准值，kPa;M—面积置换率；—单桩承载力标准值，kN；—单桩的截面面积，；—桩间土的提高系数，；为加固后桩间土承载力标准值；—桩间土强度发挥系数，宜按地区经验取值，无经验时可取＝0.75～0.95，天然地基承载力高时取大值；—天然地基承载力标值，kPa；（3-12）式中－回归修正系数，＝；－样本数；－变异系数，，为指标的标准差；为指标的平均值。当承载力具有两个指标时，则应用综合变异系数：；－第一指标变异系数；－第二指标变异系数；－第二指标折减系数；－地基承载力基本值3.2.3加固区下卧软弱层承载力验算当复合地基加固区下卧层为软弱土时，在设计中尚需对下卧软弱层承载力进行验算。要求作用在下卧层顶面处附加应力和自重应力之和p不超过下卧层土的容许承载力[R]，即（3-13）《地基规范》通过试验研究并参照双层地基中附加应力分布的理论提出了简化方法：当持力层与软弱下卧层的压缩模量比值≥3时，附加应力采用扩散角来计算。图3-2软弱下卧层计算简图计算简图如图所示，复合地基上荷载按扩散角θ向外扩散，并均匀分布在扩散后的面积上。根据扩散前、扩散后总应力相等的条件，得：(3-14)式中B、L－分别为矩形基础底面宽度和长度；h－加固区厚度；θ－扩散角，与加固图和下卧层图性质有关。下卧层图得容许承载力[R]应视为假想实体基础图得容许承载力，选用时需用经深度和宽度修正，可按《地基基础设计规范》（GB50007－2001）采用。3.3CFG桩复合地基沉降计算CFG桩复合地基的沉降S可以认为由下面三部分组成，见图3-2所示，其计算式如下：式中—桩长范围内土的压缩变形；—加固区下卧层的变形；—褥垫层的压缩形变。图3-3CFG桩复合地基沉降计算模型在进行沉降计算时，一般以土为计算对象，荷载将是桩间土应力和桩荷载。通常又可将用桩侧阻力和桩端阻力替代。这样，土体受到的荷载为三项，即、、。由它们产生的附加应力分布计算地基土的沉降。加固区土的压缩变形和下卧层的变形采用以下两种方法计算：3.3.1计算加固区变形和下卧层沉降⑴．加固区变形的计算采用荷载P在基础底面桩间土产生的附加应力作为荷载计算加固区压缩变形，采用荷载P在下卧层产生的附加应力作为荷载计算下卧层压缩变形。地基加固部分群桩体的压缩变形S1可按下式计算（3-15）式中－群桩体顶面处的平均压力；－群桩体底面处的附加压力；L－桩长，m；－复合压缩模量：（3-16）式中－CFG桩的压缩模量；－桩间土的压缩模量。当荷载接近或达到复合地基承载力时，假定：①桩土模量比等于桩土应力比；②加固后桩间土压缩模量时加固前天然地基压缩模量的倍。为桩间土承载力提高系数。由式（3-4）设：，，得：模量提高系数。得到：（3-17）⑵．桩端下卧层的计算下卧层的计算，从群桩体底部提升L/3（L为桩长），然后按照30°向下扩散，根据分层总和法计算下卧层的变形为：（3-18）式中－泊松比的函数。一般根据土的类别，采用经验系数得到；—软弱层第i层土的分层厚度(m)；－平均附加应力，；－土变形模量，有现场载荷试验或其他原位测试手段确定。表3-4土的和系数值土的类别大块碎石砂粉土粉质黏土黏土泊松比0.150.280.310.370.410.950.760.720.570.43当地基自重应力时，对应的深度可当作压缩底层。这一方法考虑到自重应力增大伴随压缩模量提高的这一规律，并联系附加压力，考虑的比较全面。当为软弱地基时，可以采用作为确定压缩底层的准则。此计算方法拔中心点的沉降当作基础的平均沉降，但是基底压力采用均布压力。此简化的方法压力分布与地表变形时不协调的，理论上时矛盾的。另外把中心土柱当成时无侧向膨胀的土柱，与实际情况也不符，因荷载面积有限，中心土柱周围的土，多少要向外侧挤动，不可能造成对中心土柱完全约束的条件。3.3.2CFG桩复合地基变形计算假定加固区得复合土体为与天然地基分层相同的若干层均质地基，不同的是压缩模量都相应扩大倍，这样加固区和下卧层均按分层总和法进行沉降计算。加固区和下卧层土体内得应力分布采用各向同性均质得直线变形体理论。当荷载不超过复合地基承载力时，总沉降量S为（3-19）式中—加固区土分层数；—总的分层数；－对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加应力，kPa；一荷载P在第i层土产生的平均附加应力(kPa)；－第i层土压缩模量(kPa)；－基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离，m；、－基础底面计算点至第i层土、第i-1层土平均附加应力系数；—加固区第i层土压缩模量放大系数，由下式确定：—沉降计算修正系数，根据地区沉降观测资料及经验确定.

表3-5变形计算经验系数/MPa2.54.07.015.020.01.11.00.70.40.2上式的为变形计算深度范围内压缩模量的当量值。按照下式计算：（3-20）式中－第i层土附加应力沿土层厚度积分值；－第i层土压缩模量(kPa)，桩长范围内的复合土层按复合土层的压缩模量取值。复合地基变形计算深度必须大于复合地基的厚度，并应符合下式要求：(3-21)式中－计算范围内，第i层土的计算变形值；－在计算深度向上取厚度为的土层计算变形值，按下表取值。表3-6值b/m≤22＜b≤44＜b≤8＜8/m0.30.60.81.0此种沉降计算方法采用了简单的压缩模量放大法，但是许多土类的压缩模量之比并不与承载力标准值之比相对应。再者采用此种计算法未考虑桩端土的强度，也未考虑软土在加固区的上部或下部所导致的不同结果。

第4章振动沉管CFG桩施工工艺4.1施工程序4.1.1．施工准备施工前应具备的资料和条件⑴建筑物场地工程地质勘测报告：①水泥粉煤灰碎石桩布桩图。图位注明桩位编号以及设计说明和施工说明。②建筑物邻近的高压电缆、电话线、地下管线、地下构筑物及障碍物等调查资料。③建筑物场地的水准控制点和建筑物位置控制坐标等资料。④具备“三通一平”条件。⑵施工技术措施：①确定施工机具和配套设备。②材料供应计划。表明所用材料的规格、技术要求和数量。③试成孔布少于两个，以复核地资料以及设备、工艺是否适宜，核定选用的技术参数。④按施工平面图放好桩位，若采用钢筋混凝土预制桩尖，需埋入地表以下30cm左右。⑤确定施打顺序。⑥复核测量基线、水准点及桩位、CFG桩的轴线定位点，检查施工场地所设的水准点是否会受到施工影响。⑦振动沉管机沉管表面应有明显的尺寸标记，并以米为单位。4.1.2．CFG桩施工⑴桩机进入现场，进行组装。⑵桩机就位，调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于1％。⑶起动电动机，沉管到预定标高，停机。⑷沉管过程中做好记录，每沉管1m记录电流表上的电流一次。并对土层变化处予以说明。⑸停机后立即向管内投料，知道混合料与进料口齐平。混合料按设计配比经搅拌机加水拌和，拌和时间不得少于1min。加水量按坍落度3～5cm控制，成桩后浮浆厚度以不超过20cm为宜。⑹起动电动机，留振5～10s，开始拔管，速率一般为1.2～1.5m/min（拔管速度是线速度不是平均速度）。如遇到淤泥或淤泥质土，拔管的速率还应放慢。成桩后桩顶标高应考虑计入保护桩长。⑺沉管拔出地面，确认成桩符合设计要求后，用粒状材料或湿粘土封顶。然后移机进行下一根桩的施工。⑻施工过程中，抽样做混合料试块，一般是一个台班做一组（3块），试块尺寸15cm×15cm×15cm，并测定28天强度。4.2施工中要注意的问题和控制措施⑴．施工扰动土的强度降低振动沉管成桩工艺与土的性质具有密切关系。就挤密桩而言，可将地基土分为三大类：其一为挤密性好的土，如松散填土、粉土、砂土等；其二为可挤密性土，如塑性指数不大的松散的粉质粘土和非饱和粘性土；其三为不可挤密土，如塑性指数高的饱和软粘土和淤泥质土。需要着重指出的是，土的密实度对土的挤密性影响很大。众所周知，密实的砂土或粉土会振松；松散的砂土或粉土可振密。因此讨论土的挤密性时，一定要考虑加固前土的密实度。⑵．缩颈和断桩在饱和软土中成桩，桩机的振动力较小，当采用连打作业时，新打桩对已打桩的作用主要表现为挤压，即使得已打桩被挤扁成椭圆形或不规则形，严重的产生缩颈或断桩。在上部有较硬的土层或中间夹有硬土层中成桩，桩机的振动力较大，对已打桩的影响主要为振动破坏。采用隔桩跳打工艺，若已打桩结硬强度又不太高，在中间补打新桩时，已打桩有时被振裂，且裂缝一般与水平成0～30°角。⑶．桩体强度不均匀桩机卷扬系统提升沉管线速度太快时，为控制平均速度，一般采用提升一段距离，停下留振一段时间，非留振时，速度太快可能导致颈缩断桩。拔管太慢或留振时间过长，使得桩的端部桩体水泥含量较少，桩顶浮浆过多，而且混合料也容易产生离析，造成桩身强度不均匀。⑷．桩料与土的混合当采用活瓣桩靴成桩时，可能出现的问题是桩靴开口打开的宽度不够，混合料下落不充分，造成桩端与土接触不密实或桩端一段桩径较小。若采用反插方法，由于桩管垂直度很难保证，反插容易使土与桩体材料混合，导致桩身掺土等缺陷。4.3施工工艺方法的研究⑴．拔管速率试验表明，拔管速率太快将造成桩径偏小或颈缩断桩。在南京浦镇车辆厂工地做了三种拔管速率的试验。其一为1.2m/min，成桩投料量为1.8m3，成桩后挖开测桩径为38cm（沉管为Ф377管）。其二为2.5m/min，投入管内料亦为1.8m3，沉管拔出地面后，有大约0.2m3的混合料被带出到地表。开挖后测桩径为36cm。其三为0.8m/min，成桩后发现桩顶浮浆较多。在蓟县电厂曾做较长时间留振试验，拔管速率也很慢（0.8m/min），开挖至桩端发现，桩端石子没能被水泥浆包住，强度降低。经大量工程实践认为，拔管速率为1.2～1.5m/min是适宜的。应该指出，这里说的拔管速率不是指平均速度。除启动后留振5～10s之外，拔管过程中不再留振，也不得反插。国产振动沉管机拔管速率都较快，可以通过增加卷扬系统中滑轮组的动滑轮数量来改变拔管速度。也可通过电动机－变速箱系统来实现。⑵．合理桩距桩距的合理性在于桩、桩间土承载力能否很好的发挥，达到设计要求，并考虑施工的可行性，新打桩对已打桩是否产生不良影响，经济上是否合理。试验表明，其他条件相同，桩距越小，复合地基承载力越大，当桩距小于4倍桩径后，随桩径的减少，复合地基承载力的增长率明显下降。从桩、土作用的发挥考虑，桩距大于4倍桩径为宜。工过程中，无论是振动沉管还是振动拔管，都将对周围土体产生扰动或挤密，振动的影响与土的性质密切相关，挤密效果好的土，施工时振动可使土体密度增加，场地发生下沉；不可挤密的土则要发生地表隆起，桩距越小隆起量越大，以至于导致已打的桩产生颈缩或断桩。桩距越大，施工质量越容易控制。但应针对不同的土性，分别加以考虑。基础型式也是值得注意的一个因素，对一般单、双排布桩的条形基础，或面积不大而桩数不多的独立基础，桩距可适当取小一些；对满堂布桩而面积大的筏基、箱基以及多排布桩的条基，桩距应适当放大。此外，地下水位高，土的渗透性差或土体密度大时，桩距也应用的大一些。下表给出了振动沉管机施工的桩距的选用表，供设计参考。图4－1桩距选用表土性布桩形式 挤密性好的土：如砂土、粉土、松散填土等可挤密性土：如粉质粘土、非饱和粘性土等不可挤密性土：如饱和粘土、淤泥质土等单、双排布桩的条基（3～5）d（3.5～5）d（4～5）d含9根桩以下独立基础（3～6）d（3.5～6）d（4～6）d满堂布桩（4～6）d（4～6）d（4.5～7）d当设计要求的承载力较高、桩距过大，不能满足承载力要求，必须缩小桩距时，可考虑采用螺旋钻孔机预钻孔的措施。引孔直径一般要小于沉管的外径，并视桩距和土性而定。⑶．施打顺序在设计桩的施打顺序时，主要考虑新打桩对已打桩的影响。施打顺序大体可分为两种类型，一是连续施打，从第一根桩一根接一根的连续打下去；二是间隔跳打，可以隔一根或几根桩跳打。连续施打可能造成桩的缺陷是桩径被挤扁或缩颈。如果桩距不太小，混合料尚未初凝，连打一般较少会发生桩完全断开。如下图4-2a所示。隔桩跳打，先打桩的桩径较少发生缩小或缩颈现象，但土质较硬时，在已打桩中间补打新桩时，已打的桩可能发生被振裂或振断。如图4-2b所示。1123456123456图4-2桩的施打顺序示意图a）连续施打b）隔桩施打a）b）施打顺序与土性和桩距有关，在松软土中，桩距较大，可采用隔桩跳打；在饱和的松散粉土中施工，如果桩距较小，不宜采用隔桩跳打方案。因为松散粉土振密效果较好，先打桩施工完后，土体密度会有明显增加，而且打的桩越多，土的密度越大，桩越难打。在补打新桩时，一是加大了沉管的难度，二是非常容易造成已打的桩成为断桩。对满堂布桩，无论桩距大小，均不宜从四周转圈向内推进施工，因为这样限制了桩间土向外的侧向变形，容易造成大面积土体隆起，断桩的可能性增大。可采用从中心向外推进的方案，或从一边向另一边推进的方案。对满堂布桩，无论如何设计施打顺序，总会遇到新打桩的振动对已结硬的已打桩的影响，桩距偏小或夹有比较坚硬的土层时，亦可采用螺旋钻引孔的措施，以减少沉、拔管时对桩的振动力。⑷．混合料坍落度大量工程实践表明，混合料坍落度过大，桩顶浮浆过多，桩体强度也会降低。坍落度控制在3～5cm，和易性很好，当拔管速度为1.2～1.5m/min时，一般桩顶浮浆可控制在10cm左右，成桩质量容易控制。⑸．保护桩长所谓保护桩长是指成桩时预先设定加长的一段桩长，基础施工时将其凿掉。保护桩长是基于以下几个因素而设置的：①成桩时桩顶不可能正好与设计标高完全一致，一般要高出桩顶设计标高一段长度；②桩顶一段由于混合料自重压力较小或由于浮浆的影响，靠桩顶一段桩体强度较差；③已打桩尚未结硬时，施打新桩可能导致已打桩受振动挤压，混合料上涌使桩径缩小。如果已打桩混合料表面低于地表较多，则桩径被挤小的可能性更大，增大混合料表面的高度即增加了自重压力，可使抵抗周围土挤压的能力提高，特别是基础埋深很大时，空孔太长，桩径很难保证。综上所述，保护桩长必须设置，并建议遵照如下原则：①设计桩顶标高离地表的距离不大时（不大于1.5m），保护桩长可取50～70cm，上部可用土封顶；②桩顶标高离地表的距离较大时，可设置70～100cm的保护桩长，上部可用粒状材料封顶直到接近地表。⑹．开槽及桩头处理CFG桩施工完毕，待桩体达到一定程度（一般为3～7天），可进行开槽。对基槽开挖，如果设计桩顶标高距地表不深（一般不大于1.5m），宜考虑采用人工开挖，不仅可防止对桩体和桩间土产生不良影响，而且也比较经济。如果基坑较深，开挖面积大，采用人工开挖效率太低，可采用机械和人工联合开挖，但必须遵循如下原则：①不可对设计桩顶标高以下的桩体产生损害；②对中、高灵敏度土，应尽量避免扰动桩间土。针对以上两点，关键在于要留置足够的人工开挖厚度。采用机械、人工联合开挖，人工开挖厚度留置多少，与桩体强度和土质条件等有关，建议不同的场地条件应按现场试验确定。但人工开挖留置厚度一般不宜小于70cm。基槽开挖至设计标高后，多余的桩头需要凿除，凿除桩头时宜采取如下措施：①找出桩顶标高位置；②用钢钎等工具沿桩周向桩心逐次凿除多余的桩头，直到设计桩顶标高，并把桩顶找平：③不可用重锤或重物横向击打桩体；④桩头凿至设计标高处，桩顶表面不可出现斜平面。⑤如果在基槽开挖和凿除桩头时，造成桩体断裂至桩顶设计标高以下，必须采取补救措施。假如断裂面距桩顶标高不深，可用C20混凝土接桩至设计桩顶标高，但注意在接桩头过程中保护好桩间土。⑺．褥垫层铺设褥垫层所用材料多为级配砂石，限制最大粒径一般不超过3cm，也可用粗砂或中砂等材料。褥垫层厚度一般为10～30cm，由设计给定，参照第2章CFG桩复合地基设计参数。

第5章武广客运专线CFG桩饱和软粘土地基处理武汉至广州客运专线北起武汉枢纽南端乌龙泉,南至广州枢纽北端花都,线路全长874.406km。桥隧公司承担的施工任务为DK1795+411.69～1820+029.65管段内的所有线下工程。CFG桩地基加固462038延米,桩长4m～26m,桩径0.5m,间距1.5m～2.0m正三角形布置,CFG桩采用长螺旋芯管泵送混合料灌注成桩的施工方法。5.1配合比的确定：据试桩的结果,CFG桩混合料配合比确定为:水泥∶河砂∶碎石∶粉煤灰∶外加剂∶水=1∶3.85∶5.78∶0.60∶0.016∶0.67,水泥采用郴州东江金磊P.O32.5水泥,砂采用耒河中粗砂,碎石为耒阳小水采石厂生产的5mm～31.5mm碎石,粉煤灰为耒阳电厂二级粉煤灰,减水剂为JH-5高效减水剂,泵送混合料坍落度控制在160mm～200mm,搅拌时间控制在120s左右。机械选择：根据各工点设计的要求,管段内CFG桩设计长度的范围在4m～26m之间,据此选择了两种不同型号的长螺旋钻机,分别为:TS-22步履式长螺旋钻,主要参数:钻孔直径500mm、最大成孔深度22m,动力头功率45kW×2。KLB625B步履式长螺旋钻,主要参数:钻孔直径500mm、最大成孔深度26m,动力头功率55kW×2。混合料输送泵选用三一重工及中联重科两种泵机,每小时泵送量为60立方。5.2原地表处理:根据设计图放出CFG桩的加固的范围,清除地表腐杂土,并进行压实,做好临时排水设施。当原地面的坡度陡于1∶5时,自上而下挖成台阶,台阶高度控制在0.6m左右,台阶的宽度应满足长螺旋钻施工作业的要求。当原地面表层为软土或淤泥时,进行换填处理,换填厚度据实际情况而定,换填宽度每侧超出设计宽度2m,换填后的高程不能高于原地面高程,换填后的压实系数大于90%,以保证长螺旋钻行走的安全。5.3施工工艺：(1)地质复查:施工前,先进行地质探孔以复核设计提供的地质资料,并记录电流变化时的地质情况,以便施工时作为判断地质情况的依据。地质探孔采用长螺旋钻机进行钻探,每25m为一断面,每断面钻探3个点,也可用地质钻机进行钻探。当与设计地质条件不符时,及时向设计部门提出地质复查申请。(2)放线:施工前放出地基处理的加固范围及线路中心线,根据施工图放出桩位中心点,并标识清楚,桩位偏差不大5cm。(3)成孔:钻机就位后,使钻杆垂直对准桩位中心。在钻架前方、侧方分别悬挂垂球,确保钻杆的垂直小于1%。每根桩施工前,有专门的人员指挥桩位对中及垂直度检查,满足要求后,方可开钻。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,启动马达钻进。先慢后快,同时检查钻孔的偏差并及时纠正。在成孔过程中,发现钻杆摇晃或难钻时,放慢进尺,以防止桩孔偏斜及钻杆、钻头的损坏。根据钻机机身上的进尺标记,成孔至设计标高且深入硬层不少于1.0m或钻至灰岩顶面时,停止钻进。(4)混合料灌注:混合料在拌和站集中搅拌,采用混凝土灌车运输。灌注时采用静止提拔钻杆,先开始泵送混合料,当钻杆芯管内充满混合料后开始拔管,拔管速度控制在1.2m/min～1.5m/min。灌注的桩顶高程高出设计高程50cm,以保证桩头的施工质量。(5)现场试验:每台班配备试验人员进行坍落度的检测,检测次数不少于3次,并做不少于一组的混凝土试件桩间土的清理和桩头截除施工中采用了两种桩间土清理及桩头截除方法。第一种是在桩身强度达到设计强度后,利用小型挖掘机进行桩间土清理,桩间土清理完成后再用切割机进行桩头切除。第二种是在CFG桩灌注完成后,将桩间土及桩头混合料同时清除,即采取软截除的方法进行桩头的处理。第一种方法,主要是在清理桩间土的过程中,小型机械对桩本体产生拢动,致使在距桩顶0.4m～1.0m范围内的桩产生断桩,人为增大了断桩数量。第二种方法对桩的挠动较小,但对桩头造成较大破坏,在施工中预留20cm厚的桩间土,采用人工进行清理,减小对桩头的破坏。5.4CFG桩基的检测：⑴低应变检测①桩头的处理,桩头处理好坏直接影响测试信号的质量,要求受检桩桩顶的混凝土质量、截面尺寸与桩身设计条件基本相同,凿除桩顶浮浆及松散、破损的部分,露出坚硬的混凝土面,桩顶表面平整干净无积水。②传感器安装点及激振锤击点:传感器安装点在距桩中心约2/3半径处,激振点在桩的中心,安装点及激振点表面用砂轮机打磨光滑,传感器用耦合剂粘结,粘结层尽可能薄,传感器底安装面与桩顶面紧密接触。安装点与激振点平面夹角等于或略大于90度。③检测:检测时用力锤进行连续均匀4次激振(锤头锤垫均采用工程塑料),实测出时域或幅频信号特征,以确定桩身完整性。⑵复合地基承载力检测：施工中对DK1813+330～+550段CFG桩进行复合地基承载力检测,该段复合地基设计承载力为320kPa,桩间距为1.8m,单桩承担的处理面积为2.1m2,试验的最大载荷为2倍的设计载荷2.1×2×320=1344kN。载荷分8～9级进行施加,每级加载量为150kN～200kN,由9m×9m的加载平台堆载提供反力,用2500kN油压千斤顶分级加载荷。在承载板上对称安装4个大行程百分表,量测复合地在各级荷载作用下的地基沉降量,每级载荷施加后5min第一次测读承载板的沉降量,以后每半小时测读一次,当一小时内沉降量小于0.1mm时,即可施加下一级载荷。

第6章京沪客运专线CFG桩饱和软粘土地基处理6.1京沪高速铁路饱和软粘土资料京沪高速铁路DK718+972.05～DK720+077.60段液化土试验工点位于安徽省宿州市栏杆镇韩庄村，全长约1106米，北端接韩庄特大桥，南端接胜利河中桥。工点位于黄海冲积平原区，地形平坦开阔，广辟为旱地，人工开挖灌溉用沟渠纵横其间，平均地面标高27m左右。当地属温暖带半湿润季风气候，为我国南北气候的过渡地带，气候温和，四季分明。一般最冷月为1月，平均气温4.6°，7月份最热，平均气温30.6°。绝对最高气温40.9°，绝对最低气温-23.3°,年平均气温11°～16°。历年平均初霜在11～12月，终霜期在3～4月间，年平均雨量600～1400mm，雨量年内分布不均，夏季6到8月为多雨季节，雨量占全年的60％以上。风随季节转移非常明显，冬季盛行东北风，夏季盛行东南风。6.2软弱地基处理的选用原则京沪高速铁路上此段为软粘土地基，其缺点为压缩性大，承载力小等。由于高速铁路对沉降控制提出了更高的要求，因此对加固后的地基承载力和变形的要求都很高。此地基必须进行加固来提高地基土的抗剪强度，减少沉降和不均匀沉降，使在上部结构荷载作用下不致发生破坏或出现过大的变形，同时，防止地震时地基土的液化。采用钻孔灌注桩，地基土由有较好的桩端持力，能满足设计要求，但桩间土承载力得不到使用，不经济，并且在施工过程中有泥浆污染，施工噪音大。振动沉管CFG桩施工工艺属于非排水成桩工艺，只要适用于粘性土、粉土、淤泥质土、人工填土及松散砂土等地质条件，尤其适用于松散土的加固。它具有施工操作简便、施工费用低、对桩间土的挤密效应显著等优点。采用振动沉管施工的复合地基可以提高承载力、减少地基变形以及消除地基液化。振动沉管技术主要应用于挤密效果好的土和可液化土的地基加固工程，空旷地区或施工场地周围没有管线、精密设备以及不存在扰民的地基处理工程。所以此次地基处理选用振动沉管CFG桩。6.3CFG桩设计6.3.1设计基本条件⑴．地层岩性表6-1地基土的物理特性指标土层天然含水量%天然容重KN/m3比重压缩系数天然孔隙比e孔隙比变异系数凝聚力CkPa内摩擦角Φ压缩模量粉土27.919.52.70.30.80.110.831.58.1软粘土27.219.72.70.30.80.228.713.07.2⑵．路基面作用荷载①一般条件我国的高速铁路采用有碴轨道结构，其标准与《铁路路基设计规范》(TBJl—96)中的I级重型轨道相近，钢轨为60kg／m，轨枕为III型混凝土枕，枕长2.6m，1600～1680根/km，道碴厚＞35cm，碴肩宽50cm。轨道及列车荷载换算的土柱高度及分布宽度如表所示。表6-2列车荷载和换算高度列车活载种类钢轨（kg/m）轨枕（根/km）道床厚度（m）道床顶宽（m）道床坡度分布宽度（m）ZK标准活载6016670.303.61：1.753.4中—22活载6016670.303.61：1.753.4轨道形式：有碴轨道（双线）轨道线形：直线②荷重的特征值静荷载：固定荷重：钢轨=60*g＝60*9.8=0.588扣件轨枕2*1667/1000*0.35*g＝2*1.667*0.35*9.8=11.4356道床=79.65轨枕重量350kg。自重合计（幅宽）：b）附加静荷载故：==6.846.3.2CFG桩基本参数⑴桩径桩径应根据工程地质条件和成桩设备等因素选择，此设计桩径根据现有的工程地质资料、成桩设备及沉管法施工工艺等因素综合考虑，CFG桩的桩径选为0.5m。桩间距桩距s过大，承载力不能满足；s过小，桩的承载力不能充分发挥，且给施工造成困难。试验表明，当桩距小于4倍桩径后，随着桩距的减小，复合地基承载力的增长率明显下降，从桩、土作用的发挥考虑，桩距3～4倍桩径为宜，于是取s＝1.6m；桩长L桩长的确定主要取决于需要加固土层的厚度，—般视建筑物的设计要求和工程地质条件而定，应满足强度和变形要求。而此设计应满足全部消除液化的要求，京沪高速铁路DK718+972.05～DK720+077.60段液化土层主要是平均厚度为8.5m的粉土及下面0.5m的饱和软粘土。按照土层的分布确定，第一层土是8.5m粉土，第二层是软粘土。持力层为粘土，该深度应取（3～6），所以＝8.5＋4＝8.5＋4×5＝10.5m；桩布置形式：此设计的目的是加固京沪高速铁路地基，消除其液化。鉴于所加固的是条形地基，采用等边三角形布桩。处理范围振动沉管CFG桩用于防止砂土及粉土液化时，每边处理的宽度不少于液化层厚度的1/2，并不小于5m；当可液化土层上覆非液化土时，每边放宽不少于处理深度的1/2，并不小于3m；对铁路、道路路堤应设置到排水沟外缘。对本设计每边放宽2排桩，即每边放宽1.2×2＝2.4m。垫层CFG桩施工结束后，桩顶部约0.5～1.0m范围内，由于该处地基土的上覆压力小，施工时桩体的密实度很难达到要求，必须进行处理。此设计采用0.6m厚碎石垫层，垫层内铺设一层土工格栅，土工格栅抗拉强度不小于50KN/m，其作用：因地质资料表明粉土层下面有一层厚约0.5～1