多桩型复合地基处理

多桩型复合地基处理

山区沟谷软基的技术探讨

许洪亮1,2,熊震宙1

(1、江西省交通设计院，江西南昌 330002)

(2、华东交通大学土木土木建筑学院，江西南昌 330013)

摘要：由于山岭沟谷软基的特殊性，传统单一桩型的复合地基方案难以满足技术、经济、环保等方面要求，而多桩型的复合地基则消除了以上弊端，发挥了各桩型的优势，是桩型复合地基一种新的技术手段。该文基于水泥土夯实桩和CFG桩各自的工程特性，结合具体工程提出了多桩型复合地基的设计方法，并经过试验检测验证了多桩型复合地基设计方案的合理性和工作机理的正确性。

关键词：道路工程；沟谷软基；复合地基；单一桩型；多桩型；设计；检测

0 前言

对于超软地基的处理，传统手段经常采用CFG或水泥土复合桩等技术手段处理，山岭沟谷地区的特殊性，在选择软弱地基处理方案时，需从技术、经济、环境保护等几个方面综合考虑。而采取传统上单一桩型的水泥土夯实桩或CFG桩复合地基方案，如果桩的布置较疏，则在承载力和变形上难以满足要求；如果布置过密，由于挤土效应很容易使刚性较大的桩型断裂，同时也不经济。因此，采取两种甚至两种以上的桩型组成的多桩型复合地基来联合处理山区沟谷软基，消除一种桩型造成的各种弊端，同时发挥各者的优势，就成为一种比较理想和科学的选择，也为桩型复合地基增加了一个新的技术手段。

复合地基作为一种比较成熟的地基处理形式，在工程实践上已经积累了相当的经验。但是，复合地基技术的一个鲜明特色就是理论研究远远落后于工程实践，在工程实践和理论研究的基础上，一些工程师已经意识到了采取一种桩型的复合地基处理软土地基的弊端，开始尝试采取两种或两种以上的桩型联合加固的方法。在工业和民用建筑中，已经有了采用多桩型复合地基的先例，陈强等首先采用数值分析手段初步分析了某一民用工程中CFG桩和GC桩联合加固软弱地基的机理，认为多桩型复合地基具有单一桩型无可比拟的优越性[2]。闫明礼，王明山等提出了多桩型复合地基设计计算方法[3]。从工程实践中碰到的具体问题和从经济方面考虑，发展多桩型复合地基来处理公路沟谷软基是一种趋势，开展多桩型复合地基的研究具有前瞻性和经济性。

赣定高速公路沿线路段大部分位于低山丘陵地

貌区，有些高路堤及拱涵重要结构都处于软基之上，下卧软土层最厚处达到10m左右，属于典型的山区沟谷软基，因此必须对这些软土地基进行有效的处理，以保证公路路基的稳定性及变形要求。

在2003年1月~2004年5月，由赣定高速公路总指挥部牵头，联合天津大学及工程参建等单位，依托赣定高速公路，开展了“山区高速公路沟谷软基处理技术研究”的课题研究并获得成功，取得了良好的经济及社会效益。其中“多桩型复合地基处理山区沟谷软基技术研究”为其中的一个子课题，获得了较多的应用成果，值得同行业所借鉴和推广应用。

实践证明，该技术很好地解决了单一CFG桩间距不能过密，夯实桩水泥土桩深度受限等问题。多桩型复合地基有效地消除了单一桩型应力集中现象，可以更好地发挥其中任一桩型的荷载传递能力。

1 多桩型复合地基技术工程背景

如何选择不同桩型组成多桩型复合地基，是一个重要的研究内容。一般来说，桩身强度应刚柔并济，长度应长短结合。同时，桩的工程特性应存在较大的互补性，这样才能很好地发挥各自的长处，消除某种桩型单一布置带来的弊端。

1.1 水泥土夯实桩的工程特性

水泥土夯实桩是水泥或水泥系固化材料与土混

合形成的桩，由于土质的不同，其固化机理也有区别。用于砂性土时，水泥土的固化原理类同于建筑上常用的水泥砂浆，具有很高的强度，固化的时间也较短。用于粘性土时，由于水泥土惨量有限（7%~20%），且粘粒具有很大的比表面积并含有一定的活性物质，所

以固化机理比较复杂，硬化速度也较慢。当水泥土夯实桩作为复合地基中的竖向增强体时，由于水泥土桩介于柔性桩和刚性桩之间，在软土中主要呈现了桩体的作用，在正常置换率的情况下，桩分担了大部分荷载，桩通过侧阻力和端阻力将荷载传至深层土中，在桩和土共同承担荷载的过程中，土的高应力区增大，从而提高了地基的承载力，复合地基还具有垫层的扩散作用。

在水泥土桩的挤土成孔中，对桩间土的挤密应当分别不同土质进行考虑。对于松散填土、杂填土、砂类土、粉土应考虑桩间土强度的提高。对于灵敏度的饱和粘性土、淤泥等则不考虑桩间土的挤密效应。1.2 CFG桩的工程特性

CFG桩又称为水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的可变强度桩。通过调整水泥掺量及配比，其强度等级在C5～C20之间变化，最高可达C25，相当于刚性桩。由于桩体刚性很大，区别于一般柔性桩和水泥土类桩。因此，常常在桩顶与基础之间铺设一层15cm-30cm 厚中砂、粗砂、级配碎石和碎石（称其为褥垫层），CFG桩和桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同工作。

CFG桩桩长可以从几米到二十多米，并且可以全桩发挥桩的侧阻力，并具有明显的端承作用。桩承担的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。特别是天然地基承载力较低而设计要求高的承载力较高，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。对基础形式而言，CFG桩即可适应条形基础、独立基础，也可用于伐形和箱形基础。就土性而言，可用于填土、饱和及非饱和粘性土，既可用于挤土效果较好的土，又可用于挤密效果较差的土。

CFG桩在饱和土和砂土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生超孔隙水压力，桩体将是一个良好的排水通道，孔隙水将沿桩体向上排出，直到桩体固结成形为止。

1.3 多桩型复合地基设计

1.3.1复合地基的承载力计算对复合地基承载力进行初步验算，中国建筑科学研究院地基所闫明礼提出了一个多桩型复合地基的计算公式[3]，借鉴他的计算方法。

①多桩型（CFG桩和水泥土夯实桩）复合地基承载力标准值按下式计算：

()

12

,1212

12

1

k k

sp k k

p p

R R

f m m m m f

A A

αβ

//

=++-

-（1）式中：,sp k

f-复合地基承载力标准值，Kpa.

1

m-CFG桩的面积置换率.

2

m-水泥土夯实桩的面积置换率.

1k

R/-CFG单桩竖向承载力标准值，Kpa.

2

k

R/-夯实水泥土单桩竖向承载力标准值，KN.

1p

A-CFG单桩截面面积，m2.

2

p

A-水泥土夯实桩截面面积，m2.

α-桩间土强度提高系数，1

α≥.

β-桩间土强度发挥系数，宜按地区经验取值，无经验时可取β=0.75～0.95.

k f-天然地基承载力标准值，Kpa.

②单桩承载力标准值可按下式计算：

(

)

k Up si i p p

R q h q A K

/=+

∑（2）式中：U p -桩的周长，m.

si

q-第i层中与土性和施工工艺有关土极限侧阻力标准值,无当地经验值时，可按

JGJ94-94表（5.2.8-1）查取，Kpa.

i

h-第i层中土厚度,m.

p

q-与土性和施工工艺有关的极限端阻力标

准值，无当地经验值时，可按JGJ94-94

表（5.2.8-2）查取，Kpa.

K-安全系数，取2.0.

1.3.2 复合地基的变形计算目前，复合地基的变形计算多采用经验公式，在计算方法中，把复合地基变形分为两个部分：加固区的变形连S1和下卧层的变形量S2。

采用复合模量法计算复合地基变形。计算时复合地基分层与天然地基相同，复合土层的模量等于该层天然地基模量的ζ倍，加固区和下卧层土体内的应力分布采用各向同性均质的直线变形体理论。复合地基最终变形量可按下式计算：

()()

12

00

1111

1

11

c i i i i i i i i

si si

i i n

n n

p p

s z z z z

E E

ψαααα

ζζ

----

==+

??

=-+-

??

??

∑∑（3）式中：1n-加固区范围内土层分层数.

2

n-沉降计算深度范围内土层总的分层数.

p-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.

si

E-基础底面下第i层土的压缩模量，Mpa.

i z 、1i z --础底面下第i 层土、第i-1层土

底面的距离，m.

i

α、1

i α

--基础底面计算点至第i 层土、i-1

层土底面范围内平均附加应力系数.

ζ-加固区土的模量提高系数，,sp k k f f ζ=

ψ-沉降计算系数，采用表3数值确定

. 表1 沉降计算修正系数ψ

()

s a P E M

2.5 4.0 7.0 15.0 20.0 ψ

1.1

1.0

0.7

0.4

0.2

注：表中E s 为变形计算深度范围内压缩模量的当量值。

2 工程实例

2.1 工程地质条件

赣定高速公路K110+210~+K110+380段软土路基段属于低山丘陵地貌区，场地位于山间田心盆地边缘地带一处较开阔山沟出口地段，其南、西、北为山体所包围，东侧为开阔地，路轴线向东约70m 为 与其平行的京九铁路所堵，为沼泽地，雨季常因排水不畅而积水。其地层结构经地质勘察揭露见表2：

表2 工程地质描述

地质名称 层厚(m) 地质描述

第一层素填土 2.0-3.0 为残坡积土及强风化花岗岩

第二层淤泥(质)土 4.0-4.7

呈软流塑状,承载力低,呈黑、灰色，主要由

粘粒和粉粒组成，含腐殖土和有机质 第三层亚粘土 为辉绿岩风化残迹土，深灰，黄绿色，主要由粘粒和粉粒组成，含少量中细砂，土质不均匀

第五层强风化辉绿岩

呈层状连续分布，呈灰黑、黑绿色，风化呈黄绿色，粉细粒辉绿结构，厚层状结构

为对研究成果进行验证校核，工程项目选取了一处拱涵实验验证。待验证拱涵位于以上软基地段，涵顶填土高12m,设计尺寸为3.0x2.5m ，设计基础承载力为360KPa 。

经勘探该位置原位土承载力特征值为86KPa-112 KPa ，满足不了拱涵基底设计承载力要求。原设计基底处理方案为换填片石，为校核研究成果，对此涵软弱地基由换填措施变更为CFG 桩与水泥土桩组成的多桩型复合地基进行处理。

2.2 方案设计

CFG 桩：桩长约10m ，桩径400mm ，桩间距140cm,正三角形布置；

水泥土夯实桩：桩长约6m ，桩径400mm ，桩间距140cm,正三角形布置，水泥土夯实桩布置在CFG 桩构成的三角形中心。

2.2.1 CFG 桩单桩承载力设计值 设计桩长为10m ，

桩径为400mm 。得到U p =1.256,A P1=0.1256m 2

由工程地质资料，取h 1=2.45m,h 2=4.35m,h 3=3.2m,深度10m 处一部分是亚粘土层，另一部分是强风化辉绿岩。按JGJ94-94表（5.2.8-1、2），结合地区经验，得到：q s1=20KPa, q s2=20KPa , q s3=65KPa , q p =3900KPa 。计算得出：R k1=461KN 。

2.2.2水泥土夯实桩单桩承载力设计值 设计桩长

为6m ，桩径为400mm 。得到U P =1.256,A P1=0.1256m 2

由工程地质资料，取h 1=2.45m,h 2=3.55m 。按JGJ94-94表（5.2.8-1、2），结合地区经验，得到：

q s1=20KPa, q s2=20KPa, q p =390KPa 。计算得出：R k2=100KN 。

2.2.3复合地基承载力设计值 CFG 桩的面积置换

率m 1=0.074.水泥土桩的面积置换率为m 2=0.148。取α=1.2，β=0.85。计算得出：复合地基承载力为453 KPa 大于设计要求的320KPa 。

加固区土的模量提高系数ζ=5.66，基础底面处的附加应力为380 KPa ，根据试验报告、实际工程经验及规范推荐值，求得E s =18.4，查表得到沉降计算修正系数ψ=0.264.最后求得沉降量为66.8mm 。

设计校核表明，采用设计方案的多桩型复合地基的加固方式可以满足承载力和变形要求。

2.3 试验检测

为对多桩型复合地基技术的验证，进行了现场试验检测，检测方法及手段采用了钻探原位测试、土工试验、取芯化验与静载荷试验相配合，结果表明：

（1）多桩型复合地基的承载力安全系数可以达到 1.5以上，可以满足山区沟谷软基的处理要求；

（2）处理后桩间土的性质有了改善，压缩模型和 承载能力提高幅度有限，说明CFG 桩和水泥土夯实桩对土体的挤密作用不明显；

（3）经工后观测，拱涵基础的沉降变形量满足了 最大变形要求。

3 结 语

针对山区沟谷的特点，把多桩型复合地基技术引入到山区沟谷软基处理，是我国山区公路建设中的一种新的尝试和创新，这种创新技术是基于CFG 桩和水泥土夯实桩各自的工程特性，并考虑到山区的特殊地质，施工条件等因素，经过综合分析而提出的。两种桩型的布置，既可以满足承载力和变形的需求，又可不受施工工艺所限，是一种较好的特殊条件下的软基处理措施，值得在沟谷软基加固处理中推广应用。

参考文献：

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处理技术研究[R].2004(4).

[2]陈强，黄志义等，组合型复合地基的特性及其FEM模拟

研究[R].土木工程学报.2001（1）:P50~55.

[3]闫明礼，王明山等，多桩型复合地基设计计算方法探讨

[J].岩土工程学报.2003（3）:P352~355.

[4]刘玉卓.公路工程软基处理[M]. 北京:人民交通出版

社.2001.5.

[5]JGJ79-91,建筑地基处理技术规范[S].

[6]JGJ94-94,建筑桩基技术规范[S].

[7]GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].