（道路与铁道工程专业论文）CFG桩复合地基在京津城际轨道交通工程武清段的应用研究.pdf

摘要 摘要 京津城际轨道交通线是铁道部的新高速铁路网络示范项目，被视为中国客 运专线的关键性工程。该线路全程约1 1 8k m ，最高设计时速为3 5 0k m 。高速度 要求有高耐用性和高舒适性，对于软土路基必须进行加固才能保证它的稳固性。 由中铁十七局集团承建的武清段，位于天津市河东区和东丽区内，该地属于近 渤海地区，地基承载力低，采用普通的软基处理方法很难满足客运专线的要求。 这两种加固方法都是近年出现的新方法，工艺措施还有待改进。 c f g 桩( 水泥粉煤灰碎石桩) 是近十几年来发展起来的一种软弱地基处理方 法，由于它旌工成本低，处理的地基承载力高，在工业与民用建筑地基处理方 面应用广泛。我国首次在京津城际铁路线上使用c f g ，而且平均深度都在2 8m 以上，达到目前国内最长，其施工工艺措施及各种参数还有待改进，以保证满 足客运专线路基要求。 本文针对目前c f g 桩在我国铁路建设行业还没有可以参考的规范和标准， 尤其是其它行业关于长深c f g 桩也无参考标准的情况下，论述了c f g 桩加固地 基原理及施工过程中各种参数的设置，包括调整拔管时间、泵送速度等各种参 数，以确定最佳施工工艺。并在c f g 桩施工过程中，经现场试验和统计分析得 出了关于长螺旋钻管内灌注c f g 桩的施工方法，阐述了其施工工艺、施工要点， 并对常见问题做了一些研究并提出了处理方法，对c f g 桩的质量控制、效益控 制提出了合理可行的技术处理方案。 检测结果表明，处理后复合地基承载力提高2 3 8 倍，与桩基础相比，其造 价和工期仅为1 3 ，经济效益明显。 关键词：软基处理c f g 桩复合地基桩基检测 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ej i n g j i nr a i l w a yt r a f f i cl i n ei san e wd e m o n s t r a t i n gi nr a i l w a y 。n e tp r o j e c t b e l o n g i n gt ot h em i n i s t r yo fr a i l w a y , w h i c hi s a ni m p o r t a n tc o m p o s i t i v ep a r to f c i t y r a i l w a yn e t w o r ka m o n gb o h a is e a ，b e i j i n g ，t i a n j i n ，h e h e i t h em i l e a g eo ft h e l i n ei sa b o u t1 1 8k i l o m e t e r s ，a n di t sd e s i g ns p e e di s3 5 0k i l o m e t e r sp e rh o u r t h el i n e i sa l s ot h ec o n v e n i e n tr o u t e - w a yc o m m u n i c a t i n gt h et w ob i gc i t yb e i j i n ga n dt i a n j i n t h em o s ti m p o r t a n ti st h a ti ti so n ei m p o r t a n tp r o j e c to ft h e2 0 0 8b e i j i n go l y m p i c g a m e ，w h i c hi sr e g a r d e da sac r i t i c a lp r o j e c tf o rt h ep a s s e n g e rt r a n s p o r ts p e c i a lr a i l l i n eo fc h i n a t h ep r o j e c tb u i l db yc h i n ar a i l w a y1 7 t hb u r e a ug r o u pl i e si nt h ee a s t d i s t r i c to ft i a n j i nc i t y t h er e g i o ni sn e a rt h eb o h a is e a ，a n dt h eg e o l o g i c a ls o i li sv e r y c o m p l e x ，w h i c hi n c l u d ep o w d e rs l i m e ，s l i m e ，p o w d e rs o i la n ds a n di n t e r a c t i v e l y ，a sa r e s u l t ，t h eb e a r i n gc a p a c i t yi sl o w , h a r d l yc o u l dw em e e tn e e do fp a s s e n g e rt r a n s p o r t s p e c i a lr a i ll i n ei fw e u s et h ec o m m o nw a yt od e a lt h ef o u n d a t i o n t h ec f g p i l e ( c o n c r e t e ，f l ya s ha n dm a c a d a mp i l e ) i san e wd e a l i n gs o f tg r o u n d m e t h o dw h i c hd e v e l o p si nr e c e n tt e ny e a r s ，w h i c hi sa ne f f e c t i v em e t h o db e c a u s eo f t h el o wc o s to fc o n s t r u c t i o na n dt h eh i g hb e a r i n gc a p a c i t y t h ec f gp i l eo ft h e j i n g q i nc i t y r a i l w a yi su s e di nc h i n af o rt h ef i r s tt i m e ，a n dt h ea v e r a g ed e p t hi sa b o u t 2 8m e t e r s ，w h i c hi st h el o n g e s ti nc h i n a t h ej i n g - j i nc i t y - r a i l w a yb u i l db yc h i n a r a i l w a y1 7 t hb u r e a ug r o u pi n c l u d ew u q i n gs t a t i o ny a r d ，s t a t i o ny a r dr o a db e da n d r o a db e dt e s ts e c t i o nu s e sc f g p i l et or e i n f o r c et h e f o u n d a t i o n t h ep a s s a g ec o n c e r n e dt h a tw ea d o p t e dt h ec o m p o u n df o u n d a t i o nt r e a t m e n t m e t h o do fl o n gs c t e wp u m pp o r e f o r m i n gs q u e e z i n gc f gp i l e sa c c o r d i n gt o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sb e c a u s eo fl o wn a t u r eg r o u n db e a r i n g b e c a u s et h ec f gp i l e s w h i c hw eh a v e n tr e f e r e n c e di nm e a s u r e dg u i d es p e c i f i c a t i o n s i no u rc o u n t r y , e s p e c i a l l y i no t h e rc o n s t r u c t i o no ft h ep r o c e s s ，t h r o u g hf i e l d - t e s ta n ds t a t i s t i c a l e s t i m a t i o ni nt h ep r o c e s s ，w ec o n c l u d et h em e t h o dt os o l v ei t w h i c hi n c l u d e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , c o n s t r u c t i o np o i n t t h es o l u t i o nt os o m ec o m m o nq u e s t i o n s ， t h er e a s o n a b l es o l u t i o nt ot h eq u a l i t ya n dc o s t a b s t r a c t i tp r o v e dt h a tt h eb e a n n gc a p a c i t yo fc o m p o u n dr o u n d i o ni s2 3 8t i m e st h a n b e f o r ec o m p a r i n gw i t ht h ep i l e s t h ec o s ta n de n g i n e e r i n gt i m ei so n et h i r d ，w h i c hi s ac o s te f f i c i e n td e s i g n k e yw o r d s ：s o f ts o i lt r e a t m e n t ，c f gp i l e ，c o m p o u n dg r o u n d ，c h e c k i n go fp i l e f o u n d a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：坦丝日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规 定，即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 蚓 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 进入二十_ 世纪以来，我国土木工程建设发展很快，工程建设规模日益扩 大，难度不断提高。土木工程功能化、城市建设立体化、交通高速化，以及改 善综合居住环境己成为现代土木工程的特征。现代土木工程建设对地基提出了 更高的要求。另外，随着科学技术的日新月异，建筑物的荷载日益增大；对变 形要求也越来越严，因而原来一般可被评价良好的地基，也可能在特定条件下 非进行地基处理不可。所以我们不仅要善于针对不同的地质条件、不同的建筑 物选定最合适的基础形式、尺寸和布置方案外，而且要善于选取最恰当的地基 处理方法。 软土地基处理是基础工程中经常遇到的一个重要问题，地基处理的主要目 的是指提高软弱地基的强度、保证地基的稳定：降低软弱地基的压缩性、减少 基础的沉降和不均匀沉降；防止地震时地基土的振动液化；消除特殊土的湿陷 性、胀缩性和冻胀性。目前国内外地基处理方法众多，但基本方法以打桩与换填 为主，主要有换填法、高压喷射注浆( 旋喷桩) 法、深层搅拌桩、复合载体夯扩桩、 排水固结法、c f g 桩法等。 京津城际轨道交通工程，是我国第一条高速铁路，设计时速3 5 0k m 。由中 铁十七局集团承建的武清段，根据铁三院提供地质资料表明：该地属于近渤海 地区冲积层，为粉质粘土、粘土、粉土、粉砂层交互，近地表承载力为1 0 0 k p a ： 地表下去2 7m 即标高2 4 0 0 0m 为软质粘土和粉土层，承载力1 9 0k p a 地表下 去6 5m 即标高6 1 0 0 0m 均为软质粘土和细砂层，承载力2 0 0k p a 。采用普通的 软基处理方法很难满足3 5 0k m 客运专线的要求，设计采用c f g 桩。 c f g 桩【l 】是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤狄、碎石、石屑 和砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩问土、褥挚层一起形成复合地基。c f g 桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题。于1 9 8 8 年立题进行试验研究， 并应用于t 程实践。c f g 桩复合地基试验研究成果于1 9 9 2 年由建设部组织鉴定， c f g 桩复合地基成套技术，1 9 9 4 年被建设部列为全困重点推广项目，被国家科 第一章绪论 委列为国家级全国重点推广项目。1 9 9 7 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，为 了进一步推广这项新技术，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”国家重点公关项目。i 9 9 9 年1 2 月通过了国家验收。该技术已在 全国2 3 个省、市广泛推广应用，据不完全统计，该技术已在10 0 0 多个工程中 应用。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，目前已成为北京及周边地区应用最普遍的地基处理技术之一。但目前该 技术大量应用于高层和超高层建筑地基的加固。 京津城际轨道交通线工程中使用c f g 桩复合地基对武清段部分软土地段进 行加固，是我国铁路路线上首次使用c f g ，而且平均深度都在2 8m 以上的长深 c f g 桩，达到目前国内最长。本文针对目前c l o g 桩在我国铁路建设行业还没有 可以参考的规范和标准，尤其是其它行业关于长深c f g 桩也无参考标准的情况 下，论述了c f g 桩加固地基原理及施工过程中各种参数的设置，包括调整拔管 时间、泵送速度等各种参数，以确定最佳施工工艺。并在c f g 桩施工过程中， 经现场试验和统计分析得出了关于长螺旋钻管内灌注c f g 桩的施工方法，阐述 了其施工工艺、施工要点，并对常见问题做了一些研究并提出了处理方法，对 c f g 桩的质量控制、效益控制提出了合理可行的技术处理方案。并对c f g 桩施 工，进行了施工组织设计，并针对现场施工可能出现的技术问题提出了相应的 解决方案。 本工程有深达二十多米的淤泥质土层，故不能采用普通的换填法，因为这 种方法主要是用于处理浅基础的；如采用排水固结法，则耗时长，效果不明显， 还需深层降水，因此也不能采用；采用旋喷桩法，由于操作技术复杂且水泥桩 身易破坏。本工程应用c f g 桩和复合地基充分发挥了c f ( 3 桩的高承载力特性， 并通过褥垫层的设置发挥桩问土的承载能力。c f g 桩是由水泥粉煤灰碎石和细 沙加水搅拌形成的高粘强度的桩和桩间土及褥垫层一起形成复合地基，c f g 桩 复合地基通过褥垫层与基础相连接，无论桩端落在一般土层还是淤泥土质均可 保证桩问土始终参与工作。由于桩问土的强度及模量比桩间土大，在荷载作用 下桩顶应力比桩问土的应力大，桩可承受的荷载向深的土层传递并相应减少桩 间土承载的荷载。 第一牵绪论 1 2 软地基处理技术的研究与应用现状 建萋楚瓒酶掰变霹淡遗漤裂吝栽。我藿劳毯人民在建基楚遴方覆毒善檄蒸 燮贵的经验，许多现代的触基处理技术都可在古代找到它的雏形。随着地基处 理工程实践的发展，人们谯改造土的工程性质的同时，不断丰富了对土的特憔 麟究和认识，从焉又进一步接穗了地基处理技术帮方法的更薪，困嚣使其成楚 者工疆鞭蠛串一令吴窍非掌强翡生禽力匏分支。髓罄我霆本王程建设簿续、 高速的发展，地基处理技术在我国得到了飞速发展。老方法得划淑进，新方法 誉断涌现。瀚压喷射注浆漱、振冲法、强夯法、深层搅拌法等许多地基处理技 术扶嚣癸雩 避娠，在我嚣酌工程实黢串褥舞较太静发震；遂愿年来，在工程实 践中还发展了瞬多新酌地熬处理技术，如真空一罐栽预压法、c f g 桩剐性梳簸 含地基法、劣察水泥土桩法、e p s 超轻脯填料法等，党篡是近年来的发展给人以 嚣露一薮戆感爨。我晷露翁常孀豹方法怒换填法、糌永莲结法、永泥澡屡携搀 桩法、高压喷射注浆法f 蓰嚷箍；、复会簸体夯扩柱抟碉。 1 ，2 1 换填法的研究成用分析 。2 。1 ， 羧壤法浆热霆橇疆 换填法1 4 l 就是将基础地网以下不太深的一定范豳内的软弱土朦挖去，然詹以 威她坚硬、强艘较高、性熊稳定、具有撬侵蚀性鲍砂、碎石、舞嚣、素土、欢 、，漾渣、矿渣等藉释分滋充填，莠圈瓣潋天工或飘械方法努瑟瑟、夯、摄动， 使之达到要求的密实度，成为良好的入工地基。当地基软弱土屡较薄，而且上 郝椅载不大时，也可直接以八王或机械方法( 填料或鞭填料) 进行袭膘压、夯、搬 动等塞实楚瑷，露稃霹取得获壤魏霾媳鏊浆教栗。 1 。2 1 2 换填法加固地蒸的适用范围。 换填法迸用于浅层地基处理，包括淤泥、淤泥膜土、松散索螺士、录填土、 琶宠藤塞重鼹络酶题填等缝基处理以及暗塘，骧洪、癌澎等浅滕处理霹鬣潼 隧域的填筑。敝填法还适用于一些地坡性特殊上的始理：用于膨胀土地基可消 除地基上的胀缩作用，用于湿陷性黄土地基可消除赞的湿陷性，用于处理 b 魄秘无裁挂撼墓或精粒含爨多秘逶承憷好憨杂填媳基。鬻蹙予蕊坑瑟积突 天秘歼粒方爨较大豹戮滚方一【程。 第一章绪论 。2 。 。3 换壤法加霾地基垅赢及禺跟 生 其优点是简单易行，但仪限于浅层处理，一般不大予3r n ，对濑陷性黄土地 基不大于5m ，如遇地下水，对重要工稷，需有附加降低地下水位的措施。 。2 。2 弱 永圈结法的磺兖凌蔫分辑 1 2 2 1 排水艨密法的加网机理 在软媳慕孛增设垂豢撵本芳，改蛰地基黪接永条终，及采取嬲基、捶气、 抽承或电渗等措施，以加速地基土的固缭和强度增长，提高地基主的稳定性， 并使沉降提前兜成。如袋装砂井或塑料排水板等，增加排水途径和缩短排水距 离，地基表面铺设水平排水艨，通过施加地面荷载使软土中的孔隙水被较快挤 & ，趣基搬速霖结变形帮浚酶，获嚣提鬻遮蓥夔获剪搽度、承载力褥稳定往等。 在实际工程应用中，一般满载静压固结需时约1 2 0d ，以使地基达到地面荷载的 承裁力和沉降鼗求。 2 。2 2 簿承藤密法秘特焘秘逶爱蔻嚣 排水压密法【3 】是一种新必的软基加刚方法，它的特点是：处理不良地基的面 积犬，可达上万平方米；投资小、见效快、施工简单，因而广泛殿用于高速公 爨秘承零l 提埂镣建筑工程审。 排水压密法适用于处瑕软粘土、粉土、杂填土、冲填土、泥炭土地基等。 对沉降要求较商的建筑物，如冷藏库、机场跑道等，常采用超载预压处理地基。 德鞭匿期闽的流降达到设计燮求后，移去颈压蔫载孬建造建筑物。对于主要应 蠲瓣水露结法来加速地基主抗剪强度的增长、缩短王期的工程，皴路堤、土嫒 等，则可利用本身的重量分级逐渐施加，使地基土强度的提高适应上部荷载的 增加，最后达到设计荷载。 。2 2 3 摊水穗密法趣圈优点及局限瞧 需要有预服时间和荷裁条件，及土石方搬运机械，对真空预厩，预压力达 8 0k p a 不够对，可同时加主石方堆载。粪窆泵需长时剃抽气，耗电量大，降水 预藤法无需堆羧，效栗取决于降低承霞酶深度，需长蹿闽擒永，耗电量大。 1 2 3 深层销实法的研究应用分析 第一章绪论 1 2 3 1 深层搅拌桩的国内外发展状况 深层搅拌法是美国在第二次世界大战后研制成功，称之为就地搅拌桩 ( m i p ) 。以后日本开发、研制出加固原理、机械规格和施工效率各异的深层搅拌 机械，例如深层水泥搅拌法( d c m 法) 、深层就地水泥搅拌法( d m i c 法) 、深层水 泥固结法( d c c m 法) 。我国从2 0 世纪8 0 年代开始在软土地基的加固处理中使用， 二十几年来，在北京、上海、天津、江苏、浙江、福建、广东、广西等全国几 十个省及直辖市广泛使用，均取得良好的技术经济效果。与以往钢筋混凝土桩 基相比，节省了大量的钢材，降低了成本，缩短了工期。 1 2 3 2 深层搅拌桩的加固机理 软土与水泥采用机械深层搅拌加固的基本原理是基于水泥加固土( 以下简称 水泥土) 的物理化学反应过程。在水泥水化物中，水化硅酸钙c s h 对强度的贡献 最大。另外，对于软土地基深层搅拌加固技术来说，由于机械的切酆搅拌作用， 实际上不可避免地会留下一些未被粉碎的大小土团。在拌入水泥后将出现水泥 浆包裹土团的现象，而土团之间的大孔隙基本上己被水泥颗粒填满。所以，加 固后的水泥土中形成一些水泥较多的微区，而在大小土团内部则没有水泥。只 有经过较长的时间，土团内的土颗粒在水泥水解产物渗透作用下，才逐渐改变 其性质。因此，在水泥土中不可避免地会产生强度较大的和水稳定性较好的水 泥石区和强度较低的土块区，两者在空间相互交替，从而形成一种独特的水泥 土结构。由此可以得出以下的结论：水泥和土之间的强制搅拌越充分，土块被 粉碎的越小，水泥分布到土中越均匀，则水泥土的结构强度离散性越小，其宏 观的总体强度也越高【5 】。 1 2 3 3 深层搅拌桩的特点和适用范围 深层搅拌法加固软土技术有以下一些特点： ( 1 ) 深层搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度地 利用了原土。 ( 2 ) 搅拌时较少使地基侧向挤出，因而对周围建筑物的影响较小。 ( 3 ) 按照不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方，设 计比较灵活。 似1 施工时无振动、无噪音、无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工。 第一章绪论 ( 5 ) 土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降。 ( 6 ) 与钢筋混凝土桩基相比，节省了大量的钢材，并降低了造价。 ( 7 ) 根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固 形式。 水泥深层搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、 素填土、豁性土以及无流动地下的饱和松散砂土等地基。当地基土的天然含水 量小于a o ( 黄土含水量小于2 5 ) 、大于7 0 或地下水的p h 值小于4 时不宜采 用干法。冬期施工时，应注意低温对处理效果的影响。水泥深层搅拌法用于处 理泥炭土、有机质土、塑性指数几大于2 5 的塑性土，具有腐蚀性以及无工程经 验的地区，必须通过现场实验确定其适用性。 1 2 4 高压喷射注浆法( 旋喷桩) 的研究应用分析 1 2 4 1高压喷射注浆法( 旋喷桩) 的国内外发展状况 为了不断满足大直径、低成本和快施工的需求，在2 0 世纪6 0 年代中期， 日本开发出j s g 工作法( 我国现称二重管法) ，其旋喷柱直径0 5 1 0m ，继而开 发出c j g 工作法( 我国现称三重管法) 。从2 0 世纪8 0 年代开始，开发出的都是较 大直径旋喷柱或者能够控制桩形的s s s m a n 工作法，r i p 工作法、m j s ( 九重管) 工作法和有搅拌作用的喷射注浆的工作法，如c c p v 工作法。c c p h 工作法和 j m m 工作法，形成了纯喷射注浆和搅拌注浆两大并列体系。我国是继日本之后 研究开发和应用都较早的国家。1 9 7 2 年开始实验研究，7 0 年代中期开始施工。 我国的绝大多数单位拥有c j g 三重管的技术，拥有c c p 单管和j s g 二重管的单 位较少。高压喷射注浆在我国应用较广，解决了一批其他施工难以奏效的困难 地基和复杂的工程问题，己成为我国常用的施工方法之一，列入了我国国家标 准地基与基础工程及验收规范( c c b j 2 0 2 1 9 8 3 ) 和国家行业标准建筑地基处 理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 和部分省市的地基处理规范中。 1 2 4 2 高压喷射注浆法( 旋喷桩) 的加固机理 高压喷射注浆法加固地基通常分成两个阶段。第一阶段为成孔阶段，即采 用普通的( 或专用的) 钻机预成孔或者驱动密封良好的喷射管和带有一个或两个 横向喷嘴的特制喷射头进行成孔。成孔时采用钻孔或振动的方法，使喷射头达 到预定的深度。第一阶段为喷射加固阶段，即用高压水泥浆( 或其他硬化剂) ，以 第一章绪论 通常为1 5m p a 以上的压力，通过喷射管由喷射头上的直径约为2m i l l 的横向喷 嘴向土中喷射。与此同时，钻杆一边旋转，一边向上提升。由于高压细喷射流 有强大切削能力，因此喷射的水泥浆一边切削四周土体，一边与之搅拌混合， 形成圆柱状的水泥与土混合的加固体。 1 2 4 3 高压喷射注浆法( 旋喷桩) 特点及适用范围 以高压喷射流直接冲击破坏土体，浆液与土以半置换或全置换凝固为固结 体的高压喷射注浆法，从施工方法、加固质量到适用范围，与其他地基处理方 法相比，有独到之处，高压喷射注浆法的主要特征如下： ( 1 ) 扩大了静压注浆的使用范围，解决了对微细粘土体不易注浆加固的难题。 ( 2 ) 由于高速水流被限制在破碎的范围内，浆液不易串入土层远处，避免浆 液浪费，且可确保预期的土质加固和形状。 ( 3 ) 通过改变浆材和工艺，可使土体达到一定的强度或渗透性的要求。 ( 4 ) 既可垂直喷射亦可倾斜和水平喷射。 ( 5 ) 有较好的耐久性。 ( 6 ) 料源广阔价格低廉。 ( 7 ) 一般都用水泥浆，不会造成环境和地下水的污染，无公害问题。 ( 8 ) 设备简单，管理方便。 高压喷射注浆法加固地基技术可作为地基加固、基础防渗、修补地下构筑 物和纠正建筑物的偏斜之用，主要适用于软弱土层，如第四纪的冲( 洪) 积层、残 积层及人工填士等。 1 2 5 复合载体夯扩桩的研究应用分析 1 2 5 j1 复合载体夯扩桩的国内外发展状况 复合载体夯扩桩1 6 1 是在沉管扩底灌注桩的基础上发展的一种具有中国特色 的新兴桩型，国外与之相似的夯扩桩有两类，第一类是有打孔灌注桩、西方扩 底桩( w e s t e r nc o m p r e s s e dp i l e ) 、得尔塔桩h ( e l t a p i l e ) 、阿尔法桩( a l p h ap i l e ) 、麦 克阿瑟柱桩( m a c a x t h u rp i l e ) 等；第二类有福兰克桩( f r a n kp i l e ) 及道塞提桩 ( d o w s e t tp i l e ) 。一九九三年七月武汉市城乡建设委员会颁发了武汉市夯扩桩设 计施工技术规定w b j l 1 0 9 3 ( 试行) 。伴随夯扩桩的发展，于1 9 9 6 午用建筑垃 圾夯扩桩为名获图家二孥利，专利号为2 l 9 6 2 0 7 5 9 。1 9 9 7 年通过了国家建设部科 7 一 第一章绪论 学技术司组织的技术成果鉴定。经过几年的工程实践认定，夯扩桩与复合载体( 用 建筑垃圾) 夯扩桩其受力状态是截然不同的。复合载体夯扩桩于2 0 0 1 年8 月7 日 中华人民共和国建设部以建标( 2 0 0 1 ) 1 7 0 号文发布行业标准复合载体夯扩桩设 计规程的通知，该标准编号为j g j t1 3 5 2 0 0 1 ，自2 0 0 1 年1 2 月1 日起施行。 1 2 5 2 复合载体夯扩桩的加固机理 尽管复合载体夯扩桩被人们称之为桩，但是就其受力模式分析却是桩与人 工地基的组合。两者之间钢筋混凝土的传力杆把结构的上部荷载通过本身传递 给地基。但传力杆自身只能承受少量的摩阻力( 2 0 - 3 0t ) 。所以在设计中一般是不 予以考虑的。而受力最主要的部分一复合载体持力土层，一般为1 2 0 2 6 0t 。 复合载体夯扩桩正确运用了土体的约束机理和能量积累原理。这一施工工 艺，在大能量( 一般为2 1 t _ m ) 的剪切力作用下，连续不断地在一处进行填料夯击， 能量就在此处不断积累，将该部分土体结构充分地破坏，被不断的填料所挤密。 当被挤密的土体对夯填料有一定约束力时，地基就产生出挤密土体和影响土体 来承担上部荷载。 1 2 5 3 复合载体夯扩桩的特点和适用范围 通过对复合载体夯扩桩加固机理的分析、比较可以看出，它具有以下优缺 点： ( 1 ) 优点：桩的承载性状好，单桩承载力较高，为相同桩长和桩径的灌注 桩承载力的2 5 倍以上；在同一场地，不改变桩长和桩径的前提下，可通过调 整施工控制参数来调节单桩竖向承载力；夯扩体形状可控且边界较清楚，其 施工质量易控制；填充料就地可取：采用锤击成孔跟沉护筒工艺，、工艺简 单直观，护筒起隔声罩作用h 可做到锤击时无噪声：施工造价低；无泥浆 排放；施工机械轻便，机动灵活。 ( 2 ) 缺点：遇中间硬夹层，桩管很难沉入；遇承压水层，成桩困难； 振动较大，噪声较高；属挤土桩，设桩时对周边建筑和地下管线产生挤土效 应；扩大头形状很难保证与确定。 复合载体夯扩桩适用范围广泛，适用在不富含大块建筑垃圾的人工填土地 基，一般粘性土软弱地基，湿陷性黄土地基。尤其对浅部具有相对较好土层， 表层杂填上较厚时，其优势更为明显。还适用于工业与民用建筑。对于平房改 造，安届工程t j 的多层住宅尤为适用。并且在市政工程、道路路基、桥粱工程 一8 一 第一章绪论 地基加固处理等也有广泛的运用。 1 3 论文的主要研究内容与方法 1 3 1 论文的主要研究内容 本论文以京津城际轨道交通工程武清段软土地基处理为工程背景，通过技 术分析比较，提出合理的具体处理技术方法及参数设计，并将其应用于工程实 际，主要包括以下内容： ( 1 ) 对京津城际轨道交通工程软土地基武清段地质资料和周围环境的分析， 选择合适的地基处理方案。 ( 2 ) 根据工程所处的地质条件、周围环境和所选方案，选择适合的参数并做 出设计计算。 ( 3 ) 根据京津城际轨道交通工程软土地基武清段地基处理方案，进行相应的 施工组织设计。 ( 4 ) 通过对类似桩基方面施工资料的分析研究，指出桩基施工中可能出现的 技术问题，并提出相应的解决方案。 ( 5 ) 进行桩基的现场检验，分析桩的施工质量和承载能力。 1 3 2 论文的主要研究方法 ( 1 ) 首先根据勘测地基资料和工程施工场地的特点，进行地基处理方案的初 步选择。然后应分别从预期处理效果、材料来源和漶耗、施工机具和进度、对 周围环境影响等各种因素，进行技术经济分析和对比，从中选择最佳的地基处 理方案。 ( 2 ) 通过地质勘测资料和室内模型试验，根据工程实际情况，选择合适的参 数并进行设计计算。 ( 3 ) 桩基础工程施工前，根据工程特点、规模、复杂程度、现场条件等，编 制整个桩基础分布工程的施工组织设计方案。在施工过程中，发现问题及时调 整。 ( 4 ) 对本工程所采用的c f g 桩分别采用：单桩竖向静荷载试验和复合地基静 荷载试验进行桩的捡测。 第二章京津轨道工程武清段软十地基处理方案的设计研究 第二章京津轨道工程武清段软土地基处理方案的设计研究 针对中铁十七局施工的京津城际轨道交通工程武清段，该工程所在地属于 近渤海地区冲积层，承载力低的实际情况，研究提出软土地基的处理方案，进 行桩基设计计算，以达到工程所要求的承载力和沉降量。 2 。1 京津轨道工程武清段软土地基处理工程概况 2 1 1 工程简介 由中铁十七局集团承建的京津城际轨道交通工程位于天津市河东区和东丽 区内，全标段均为高架桥梁，施工里程为d k 0 + 0 0 0 d k 4 + 1 0 5 ，线路全长4 1 0 5 k l 。本合同段工程包括武清站的站场、站场路基、路基试验段均采用c f g 桩加 固地基。 2 1 2 工程地质概况 三院提供地质资料表明：该地属于近渤海地区冲积层，为粉质粘土、粘土、 粉土、粉砂层交互，近地表承载力为1 0 0k p a ：地表下去2 7m 即标高2 4 0 0 0r n 、 为软质粘土和粉土层，承载力1 9 0k p a ；地表下6 5m 即标高6 1 0 0 0m 处均为软 质粘土和细砂层，承载力2 0 0k p a 。 2 2 京津城际轨道交通工程软土地基处理方案研究 选用地基处理方法要力求做到安全适用、确保质量、经济合理、技术先进。 我国地域辽阔，工程地质和水文地质条件千变万化，各地施工机械条件、技术 水平、经验积累，以及建筑材料品种、价格差异很大，在选用地基处理方法时 一定要因地制宜，要充分发挥各地的优势，有效地利用地方资源。对每一个具 体工程都要进行具体细致的分析，应从地基条件，处理要求( 包括经处理后地基 应达到的各项指标，处理的范围，工程进度等1 ，工程费用以及材料、机具来源 第二章京津轨道工程武清段软土地基处理方案的设计研究 等各方面进行综合考虑，因地制宜确定合适的地基处理方法。 2 2 1 可行性处理方案提出 对于软土地基的处理，7 常用的方法有：换填法、土桩与灰土桩法、砂石桩 法、振冲法、强夯法、灌浆法、石灰桩法、加筋法、排水固结法、高压喷射注 浆法、深层水泥搅拌法、复合载体夯扩夯扩法，每一种地基处理方法都有它的 适用范围，根据工程所需处理的地基选择合适的方法。本工程在进行软士地基 处理时，不仅要提高其承载强度，更要有效地控制地基变形和减少不均匀沉降， 而预舫构筑物产生沉降、不均匀沉降等危害的措施是综合性的。因此，只有针 对场区和构筑物的特点，充分考虑地基处理方法的使用范围、优缺点、局限性， 按照地基处理的要求和地基条件等多方面对比分析，才能提出与之相适应的可 行性方案。 在本工程所需处理地段范围内，地下水水位在2 0 m 左右，地基土为粘土、 淤泥质粘土、粉土、粉质粘土等，从各层士体的承载能力分析可得，粘土、淤 泥质粘土的地基承载力较低、压缩性强，粉土、粉质粘土的地基承载力较高、 压缩性较低，所以地基处理的深度至少在2 8 0m 以下，这样才能满足地基有较 好的承载力和不可压缩性，保证上部结构的稳定。 换填法主要处理基础地面以下不太深的一定范围内的软弱土，对于本工程 地基需处理2 8 0m 左右的淤泥质粘土换填法不适合。 土桩、灰土桩法是利用侧向挤压使桩间土挤密，处理深度宜为5 - - 1 5 m ，但 由于本工程地下水位在2 0m ! 。【左右，水对土桩和灰土桩的浸泡和腐蚀作用很大， 使桩丧失承载力，故不适合。 砂石桩法是在软基中成孔后，填入砂、砾石、卵石等材料，将其挤入土中， 形成较大直径的密实砂石桩，用于处理饱和软弱粘土，孑l 隙水压力不能迅速消 除，挤密效果差，挤密作用时扰动破坏土体天然结构，降低了抗剪强度，沉降 较大，故对于本工程上部结构荷载很大的地基不适合。 振冲法一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排 列，孔隙减少，另一方面依靠振冲器的水平振动力，在加回填料情况下还通过 填料使砂层挤压加密。振冲法适用与砂类土，对于粉土或含粉土较多的粉质土 来蜕，振冲挤密的效果很差，故不适合。 强夯法利用强烈振动冲击加固上体，适用于处理碎石土、砂土、粉上、粘 第二章京津轨道：工程武清段软士地基处理方案的设计研究 性土、杂填土和素填土等地基，不仅能提高地基土的强度、降低其压缩性、还 能改善其抗振动液化的能力和消除土的湿陷性，但对于饱和度较高的粘性土效 果不显著。 灌浆法利用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆液注入天然的和 人为的裂缝或孔隙，以改善各种介质的物理力学性质，但对地下水的污染和人 体的危害较大。 石灰桩法是采用机械或人工在地基中成孔，然后灌入生石灰块或按一定比 例加入粉煤灰、炉渣、火山灰等掺合料及少量外加剂进行振密或夯实而形成的 桩体，石灰桩处理地基后，对于软土地基的承载力，减少沉降量、提高稳定性 有很大的提高。对于有地下水的粉土、淤泥合淤泥质土地基不是很适合。 加筋法是在土体中放置了筋材，构成了土筋材料的复合体，利用两种材料 之界面上的摩擦力来提高土的强度和承载力。由于加固土体较深，土质承载力 较低，地下水位较高，对筋材的腐蚀较强，故不适用。 排水固结法主要是加载或真空排水固结，使地基的沉降在加载预压期间大 部分或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差。固结后 地基的抗剪强度、承载力和稳定性得到很大增长。 高压喷射注浆法先用钻机成孔，然后以高压喷射流直接冲击破坏土体，浆 液与土以半置换或全置换凝固为固结体以此来加固地基，提高承载力。 深层搅拌法是利用水泥材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深 处就地将软士和固化剂( 浆液) 强制搅拌，由固化剂和软土之间所产生的一系列物 理一化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土 桩。 复合载体夯扩桩是在扩底桩与沉管灌注桩基础上，经过夯扩工序有机相结 合的产物。在适宜的工程地质条件下，它具有经过内夯管的传递夯击桩端的建 筑垃圾，在扩大桩底面积的同时，也将桩端持力层夯挤密实，它可经过夯扩工 艺和夯扩参数的多种变化，来达到较大幅度地提高桩端承载力，桩承载力的效 能并相配较低廉的桩费用，从而取得显著的技术经济效益。 经过以上分析，排水固结法、高压喷射注浆法、深层搅拌法、复合载体夯 扩桩法这四种地基处理方法对于本工程较实用，处理后的地基承载力增加、地 基较稳定、不均匀沉降降低。 第二章京津轨道一 程武清段软土地基处理方案的设计研究 2 2 2 地基处理方案的研究确定 对于本工程的地基处理排水固结法、高压喷射注浆法、深层搅拌法、复合 载体夯扩桩法都适合，但仅仅从适合这一个方面考虑是完全不够的，还要从工 程所处的环境、经济效益、施工过程中是否对周围环境造成影响、施工的进度 安排等方面考虑，选择一个完全适合的地基处理方式，既能保证施工质量和施 工进度的要求，又能达到最大的经济效益，对周围环境造成尽可能少的污染。 排水固结法利用在软土地基中增设竖向排水体，如袋装砂井或塑料排水板 等，增加排水途径和缩短排水距离，地基表面铺设水平排水层，通过施加地面 荷载使软土中的孔隙水被较快挤出，地基加速固结变形和沉降，从而提高地基 的抗剪强度、承载力和稳定性等。在实际工程应用中，一般满载静压固结需时 约1 2 0d ，以使地基达到地面荷载的承载力和沉降要求。排水固结法适用于处理 软粘土、粉土、杂填土、冲填土、泥炭土地基等。 水泥深层搅拌桩是利用水泥材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地 基深处就地将软土和固化剂( 浆液) 强制搅拌，由固化剂和软土之间所产生的一系 列物理一化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加 固土桩，水泥深层搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和 黄土、素填土、勃性土以及无流动地下的饱和松散砂土等地基。冬期施工时， 应注意负温对处理效果的影响。水泥深层搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、 塑性指数凡大于2 5 的软土、地下水具有腐蚀性以及无工程经验的地区，必须通 过现场实验确定其适用性。 高压喷射注浆法【7 8 l 是利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进预定位置，然后用 2 0m p a 左右的浆液或水的高压流冲切土体，用浆液置换部分土体，形成水泥土 增强体。高压喷射注浆法有单管法、二重管法、三重管法。在喷射浆液的同时， 通过旋转：提升可形成定喷、摆喷、旋喷。高压喷射浆法可形成复合地基以提 高承载力，减少沉降，也常甩它形成防渗帷幕。高压喷射注浆法加固地基技术 可作为地基加固、基础防渗、修补地下构筑物和纠正建筑物的偏斜之用，主要 适用于软弱土层，如第四纪的冲( 洪) 积层、残积层及人工填土等。 复合载体夯扩桩是在扩底桩与沉管灌注桩基础上，经过夯扩工序有机相结 合的产物。在适宜的工程地质条件下，它具有经过内夯管的传递夯击桩端的建 筑垃圾，在扩大桩底面积的同时，电将桩端持力层夯挤密实，它可经过夯扩工 第二章京津轨道j 程武清段软土地基处理方案的设计研究 艺和夯扩参数的多种变化，来达到较大幅度地提高桩端承载力，桩承载力的效 果，并相配较低廉的桩费用，从而取得显著的技术经济效益。复合载体夯扩桩 适用于单桩竖向极限承载力不大于40 0 0k n 的工业与民用建筑；在地层土质合 适的条件下，单桩竖向极限承载力也可达40 0 0k n ，此时，应严格进行桩身强度 验算。目前，国内主要用于多层建筑和小高层建筑。 如果采用排水固结法虽然处理不良地基的面积可达上万平方米、投资小、 见效快、施工简单，但对于地下水位较高、处理地基深度较大的本工程，利用 排水困结法造成地下水位明显下降，形成水井漏斗，容易引起周围建筑产生不 均匀沉降，而且排水固结后地基沉降较大，就必须回填大量泥土，增加了费用， 浪费了资源。用高压喷射注浆法来处理本工程的软土地基，可使桩的承载力较 强，有较好的耐久性，一般都用水泥浆，不会造成环境和地下水的污染，无公 害问题，设备简单，管理方便。但是对于本工程，高压喷射注浆法虽然强度比 深层搅拌法高，但其成桩较困难，水泥用量较深层搅拌法大的多，造价比较高。 而复合载体夯扩桩目前在国内多用于多层建筑和小高层建筑。 通过对以上四种地基处理方法原理和适用范围的分析可以看出，由于本工 程周围有高速公路和铁路等建筑物，处理地层主要是粘土、淤泥质粘土，地下 水位较高。故本工程采用另外一种地基处理方法：c f g 桩【1 0 j 即水泥粉煤灰碎石 桩来加固软土地基。 2 3 c f g 桩的设计与计算 2 3 1 c f g 桩的概述 c f g 桩i l o j 是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤狄、碎石、石 屑和砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩问土、褥垫层一起形成复合地基。 这种地基加固方法吸取了振冲碎石桩和水泥搅拌桩【1 1 】的优点，第一，施工工艺 与普通振动沉管桩一样，工艺简单；与振冲碎石桩相比，无场地污染，振动影 响也较小。第二，所用材料仅需少量水泥，便于就地取材，基础工程不会与上 部结构争“三材”，这也是比水泥搅拌桩的优越之处。第三，受力特性与水泥搅 拌桩类似，它与一