畢業(yè)設計（論文）-高速鐵路CFG樁飽和軟粘土地基處理

PAGEPAGE高速鐵路CFG樁飽和軟粘土地基處理TheCFGPileSaturatedClayGroundProcessingDesignOfHighSpeedRailway摘要飽和軟粘土的特征界于軟土和一般土之間,天然含水量大、壓縮性高、承載力低。在松軟土地基上修筑高速鐵路時，若處治不當，往往會導致路基失穩(wěn)或沉降達不到預期目的，造成鐵路不能正常運營以及后期維護費用高等問題。本文先介紹了軟粘土地基的物理性質和力學性質，及各種處理方法。然后就本設計所采用的CFG樁的資料進行了系統(tǒng)的總結，介紹了CFG樁的發(fā)展歷史、適用范圍、特性及其按照施工工藝的分類；詳細敘述了振動沉管CFG樁的加固機理、設計計算、施工工藝及其質量檢驗。最后，本文對武廣高速鐵路和京滬高速鐵路軟粘土地基進行了改良加固；最終選定振動沉管CFG樁作為改良工法，并按照國外樁網(wǎng)設計理論進行了詳細的設計。在國內，樁網(wǎng)復合地基是一種新型的地基處理方法，其理論與實踐研究都落后于國外。隨著復合地基技術在中國的快速發(fā)展，其理論與應用方面的問題有待進一步的更為深入地研究。關鍵詞：CFG樁樁網(wǎng)復合地基飽和軟粘土

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

目錄第1章緒論 11.1飽和軟粘土地基概述 11.2飽和軟粘土的特征 11.3飽和軟粘土的工程地質特征 21.4軟粘土地基的破壞形式 2第2章CFG樁復合地基 42.1CFG樁概述 42.2CFG樁復合地基加固機理及效應 52.2.1復合地基效應 52.2.2CFG樁各部分的作用 72.3CFG樁地基工程特性 10第3章CFG樁復合地基計算 123.1樁體間距的設計計算 123.2CFG樁地基承載力計算 173.2.1樁間土極限承載力計算 173.2.2CFG樁復合地基承載力 183.2.3加固區(qū)下臥軟弱層承載力驗算 193.3CFG樁復合地基沉降計算 203.3.1計算加固區(qū)變形和下臥層沉降 213.3.2CFG樁復合地基變形計算 23第4章振動沉管CFG樁施工工藝 254.1施工程序 254.1.1施工準備施工前應具備的資料和條件 254.1.2CFG樁施工 254.2施工中要注意的問題和控制措施 264.3施工工藝方法的研究 27第5章武廣客運專線CFG樁飽和軟粘土地基處理 315.1配合比的確定： 315.2原地表處理: 315.3施工工藝： 325.4CFG樁基的檢測： 32第6章京滬客運專線CFG樁飽和軟粘土地基處理 346.1京滬高速鐵路飽和軟粘土資料 346.2軟弱地基處理的選用原則 346.3CFG樁設計 356.3.1設計基本條件 356.3.2CFG樁基本參數(shù) 36第7章結論 387.1設計總結 387.2進一步研究工作 39參考文獻 40致謝 41附錄 42石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計—PAGE17—第1章緒論1.1飽和軟粘土地基概述飽和軟粘土在我國分布極為廣泛，幾乎遍布沿海和河流的中下流及湖泊附近地區(qū)，其中最具代表性的是淤泥．它們是以極細的粘土膠狀物質為主，在靜水或非常緩慢的流水環(huán)境中沉積，并伴有微生物作用的一種結構性土．淤泥屬飽和多孔介質，是由土粒固體骨架和充滿在骨架內的液體孔隙水組成，其物理力學特性是：高孔隙比、高含水量、低強度、高壓縮性且滲透性差，具有明顯的流變性．隨著國民經濟的迅速發(fā)展，基礎設施建設步伐的加快，在土木建筑、水利交通等眾多工程建設中，人們將面對大量的淤泥類軟粘土地基，要解決淤泥類軟土的工程問題，就必須首先了解它的工程特性．室內土工試驗的試樣系從某工地利用取土器細心取得，并在運輸過程中使擾動減到最低限度，所以試樣保持較高的原狀性．固結試驗利用有側限的常規(guī)固結儀．1.2飽和軟粘土的特征(1)天然含水量高：其值一般大于液限，屬于流動狀態(tài)，天然孔隙比在1．0～1．9之間，因而一般屬于淤泥或淤泥質土，其中淤泥質土占多數(shù)．液限變化在34％～58％，塑性指數(shù)變化范圍是13～3O，屬于中等塑性的有機土或無機土．(2)低滲透性：軟土具有很小的滲透系數(shù)(1O-％m／s以下)，透水性能很差．說明此類土體的水分滲出條件極差，對地基的固結排水極為不利，在建筑物的基礎沉降方面的表現(xiàn)為延續(xù)時間長，并且在荷載作用下固結較慢，強度不易提高．(3)高壓縮性：此類土壓縮系數(shù)大于0．5MPa，屬于高壓縮性土．其壓縮性往往隨液限的增大而增大．由于軟粘土大多為第四紀后期的沉積物，通常屬于正常固結土．土體受壓后極易產生壓縮變形，在建筑物基礎沉降方面反映為沉降量大．(4)不均勻性：軟土的顆粒組成多為微細和高分散的顆粒，在粘粒層中局部以粉粒為主，在平面分布與垂直方向上具有明顯的差異性和分選性、以及顆粒組成的不均勻性．因此極易造成建筑物基礎的不均勻沉降．由于粘土礦物顆粒很小，一般呈薄片狀，且表面帶有負電荷，在粘土顆粒四周吸附著大量的偶極化分子．所以在沉積過程中，軟土層較易形成絮凝狀結構，這也是造成軟粘土天然含水量高的原因之一．(5)抗剪強度低：軟粘土的強度大小與排水條件關系密切，若排水條件良好，在荷載作用下，軟土經過固結后，其強度隨有效應力的增大而增大．在一般快剪情況下，粘聚力在10kPa左右，內摩擦角為0°～5°之間．(6)顯著的結構性和觸變性：軟土具有一定的結構連結，一旦受到擾動(振動、攪拌或揉搓等)，其絮凝狀結構連結遭受破壞，由于土體含水量高，極易變成稀釋狀態(tài)，產生觸變或液化現(xiàn)象，使土體的強度迅速降低．但是，軟土擾動后，隨著靜置時間的增長，其強度又會逐漸有所恢復，即所謂的觸變恢復．若經過排水固結，則其強度會超過原有的結構的強度．1.3飽和軟粘土的工程地質特征軟粘土地基承載力低，強度增長緩慢；加荷后易變形且不均勻；變形速率大且穩(wěn)定時間長；具有滲透性小、觸變性及流變性大的特點。常用的地基處理方法有預壓法、置換法、攪拌法等。軟粘土在荷載作用下的強度增長：飽和軟粘土地基在外荷載作用下隨著孔隙水壓力的消散以及土層的固結，土的抗剪強度也將會隨之增長。1.4軟粘土地基的破壞形式一般而言，地基問題可歸結為以下幾個方面：⑴承載力及穩(wěn)定性低地基承載力較低，不能承擔上部結構的自重及外荷載，導致地基失穩(wěn)，出現(xiàn)局部或整體剪切破壞，或沖剪破壞。⑵沉降變形高壓縮性地基可能導致建筑物發(fā)生過大的沉降量，使其失去使用效能；地基不均勻或荷載不均勻導致地基沉降不均勻，使建筑物傾斜、開裂、局部破壞，失去使用效能甚至整體破壞。⑶動荷載下的地基液化、失穩(wěn)和震陷飽和無粘性土地基具有振動液化的特性。在地震、機器振動、爆炸沖擊、波浪作用等動荷載作用下，地基可能因液化、震陷導致地基失穩(wěn)破壞；軟粘土在振動作用下，產生震陷。⑷滲透破壞土具有滲透性，當?shù)鼗谐霈F(xiàn)滲流時，將可能導致流土（流砂）和管涌（潛蝕）現(xiàn)象，嚴重時能使地基失穩(wěn)、崩潰。飽和軟粘土地基是近代水下沉積的飽和粘土，具有含水量大、孔隙比大、壓縮性高、滲透性差、承載力低的工程性質，呈軟塑~流塑狀態(tài)。在外力和自然因素如地震的作用下，會發(fā)生破壞。松散的粉砂如果是飽和的。其孔隙為水所充滿。在遇到強烈地震時，會產生急劇的狀態(tài)變化。導致孔隙水壓力驟然上升。當這種水壓力來不及消散，就使得原來通過砂粒互相接觸所傳遞的壓力減小乃至消失，顆粒處于懸浮狀態(tài)，使原砂土結構受到破壞?？辜魪姸葐适С蔀橐后w狀態(tài)，因而喪失承載力，此即土層液化現(xiàn)象。液化引起結構失穩(wěn)的類型有：地基喪失承載力；液化土向低凹處流動。高孔壓導致結構上?。粐娚翱椎男纬梢约皩е聜认驂毫υ黾?。當覆蓋土層破裂，則受壓水挾帶砂粒噴出地面，出現(xiàn)噴水、冒砂現(xiàn)象，常常導致建筑物產生大量不均勻沉降，造成建筑物開裂、傾斜或破壞。高速鐵路飽和軟粘土地基路基，在地震時產生的破壞、變形原因由以下幾個方面所引起：①飽和軟粘土地基強度減小所引起的路堤破壞；②飽和軟粘土地基液化引起的垂直方向的沉降；③飽和軟粘土地基側向流動引起的沉降；④路基破壞引起的永久變形；⑤路基震實和路堤液化引起的永久變形。對于新建的高速鐵路，由于設計時提高了沉降變形控制標準（路堤填料質量及壓實標準等），液化土地基的液化、側向流動及路基破壞所引起的路基沉降是高速鐵路地震時發(fā)生破壞的最主要原因，而路堤震實和路堤液化所引起的永久變形一般可不予考慮。

第2章CFG樁復合地基2.1CFG樁概述CFG樁（CementFly-ashGravelPile）是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱。它是由水泥、粉煤灰、碎石樁、石屑或是砂加水拌和形成的高粘結強度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復合地基。通過調整水泥摻量及配比，其強度等級在C15～C25之間變化，是介于剛性樁與柔性樁之間的一種樁型。CFG樁復合地基實驗研究是建設部“七五”計劃課題，于1988年立題進行實驗研究，并用于工程實踐。其實驗結果于1992年由建設部組織鑒定，專家們一致認為：該成果具有國際領先水平，推廣意義很大。CFG樁復合地基成套技術，1994年被建設部列為全國重點推廣項目，被國家科委列為國家級全國重點推廣項目。1997年被列為國家級工法，并制定了中國建筑科學研究院企業(yè)標準，現(xiàn)已列入國家行業(yè)標準《建筑地基處理技術規(guī)范》，該規(guī)范正在編制過程中。為了進一步推廣這項技術，國家投資對施工設備和施工工藝進行了專門研究，并列入“九五”國家重點攻關項目。1999年12月通過了國家驗收。該技術已在全國23個省、市廣泛推廣應用，據(jù)不完全統(tǒng)計，該技術已在1000多個工程中應用。和樁基相比，由于CFG樁樁體材料可以摻入工業(yè)廢料粉煤灰、不配筋以及充分發(fā)揮樁間土的承載能力，工程造價一般為樁基的1/3~1/2，經濟效益和社會效益非常顯著。碎石樁系散體材料，本身沒有粘結強度，主要靠周圍土的約束傳遞基礎傳來的垂直荷載。土越軟，對樁的約束作用越差，樁傳遞垂直荷載的能力越弱。CFG樁針對碎石樁承載特性的一些不足，加以改進而發(fā)展起來的。CFG樁采用螺旋鉆機或振動沉管樁機等設備進行成孔，是一種具有較高粘結強度的剛性樁。與一般的柔性樁復合地基相比，用CFG樁處理地基時，可大幅度提高地基承載力，并可通過調節(jié)復合地基樁長、樁距及樁體材料配比等指標較大幅度調節(jié)復合地基承載力的變化區(qū)間，特別是天然地基承載力較低而設計要求的承載力較高，用柔性樁復合地基難以滿足設計要求時，CFG樁復合地基則有明顯的優(yōu)勢。CFG樁復合地基可用于填土、飽和及非飽和粘性土、松散砂土等。它是一種低強度砼樁，可以充分利用樁間土的承載力，共同作用并可傳遞荷載到深層地基中去，具有較高的承載力，承載力提高幅度在2．5～3倍，由于通過CFG樁處理過的復合地基具有承載力高、沉降變形小、變形穩(wěn)定快、工藝性好、灌注方便、易于控制施工質量和工程造價較低等特點，因此具有較好的技術性能和經濟效果。由于CFG樁復合地基技術具有以上施工速度快、工期短、質量容易控制、工程造價低廉的特點，目前已經成為北京及周邊地區(qū)應用最普通的地基處理技術之一。CFG樁一般不用計算配筋，并且還可利用工業(yè)廢料粉煤灰和石屑作摻和料，進一步降低了工程造價。CFG樁適用范圍較廣，就基礎型式而言，CFG樁既可適用于條形基礎、獨立基礎，也可用于筏基和箱型基礎；就土性而言，CFG樁可用于處理粘性土、粉土、砂土、人工填土和淤泥質土等地基。既適用于擠密效果好的土，又適用于擠密效果差的土，具有加速土體固結、沉降變形小、沉降穩(wěn)定快等特點。剛性樁與碎石樁不同，一般情況下不全長發(fā)揮樁的側阻，樁端落在好土層也可很好地發(fā)揮端阻作用。若將碎石樁加以改造，使其具有剛性樁的某些性狀，則樁的作用會大大加強。2.2CFG樁復合地基加固機理及效應CFG樁復合地基由樁、樁間土及褥墊層3部分構成。其加固機理：當基礎承受垂直荷載時，樁和樁間土都要發(fā)生沉降變形。樁的變形模量遠比土的變形模量大，所以樁比土的變形小，由于基礎下面設置了一定厚度的褥墊層，樁可以向上刺入，伴隨這一變化過程，褥墊層將上部基礎傳來的基底壓力通過適當?shù)淖冃我砸欢ǖ谋壤峙浣o樁及樁間土，使二者共同受力。同時土由于樁的擠密作用(指用沉管方法成樁時)而提高了承載力，而樁又由于其周圍土側應力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一個復合地基的受力整體，共同承擔上部基礎傳來的荷載。2.2.1復合地基效應復合地基中樁間土的性狀不同、樁體材料不同、成樁工藝不同，復合地基的效應也不同。CFG樁復合地基的效應，主要有以下四各方面：（1）樁體效應；（2）擠密振密作用；（3）墊層作用；（4）排水固結作用。

⑴樁體效應因為材料本身的強度與軟土地層強度不同，在荷載作用下，CFG樁的壓縮性明顯比樁間土小，因此基礎傳給復合地基的附加應力，隨地層的變形逐漸集中到樁體上，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。大部分荷載將由樁體承受，樁間土應力相應減小，于是復合地基承載力較原有地基承載力有所提高，即圖2-2中的（圖中、、分別是樁體承受、基礎附加、樁間土承受的三種應力），沉降量亦減小，隨著樁體剛度增加，樁體作用發(fā)揮更加明顯。這一點正是碎石樁與CFG樁受力情況不同的根本點。因為隨時樁樁體材料是松散碎石，自身無粘結度，依靠周圍土體約束才能承受上部荷載。而CFG樁樁身具有一定的粘結強度，在荷載作用下，不會出現(xiàn)壓脹變形，樁承受的荷載通過樁周摩阻力和樁端阻力傳至深層地基中，其復合地基提高幅度也較碎石樁為大。于是，CFG樁常發(fā)生刺入破壞，而碎石樁常發(fā)生的壓脹破壞和整體破壞。圖2-2樁土受力示意圖⑵擠密振密作用CFG樁采用振動沉管法施工時，由于振動和擠壓作用使樁間土得到擠密，特別是在砂層中這一作用更加顯著。砂土在強烈的高頻振動下，產生液化并重新排列致密，而且在樁體粗骨（碎石）填入后擠入土中，使砂土的相對密實度增加，孔隙率降低，干密度和內摩擦角增大，改善圖的物理性質，抗液化能力也提高。⑶墊層作用CFG樁所說的墊層不是在一般樁基礎下設的10～30cm厚混凝土墊層，而是由顆粒材料組成的散體墊。復合地基和樁基雖然都是以樁的形式處理地基，但樁基基礎與樁、樁間土直接接觸，在給定荷載作用下，樁承受較多的荷載，隨著時間延長，樁發(fā)生一定沉降，荷載相土體轉移，土承載隨時間增加逐漸增加，樁承載則逐漸減小。而復合地基因為樁和基礎不是直接接觸，其間有一層碎石墊層（一般厚度是30cm左右），為樁向上刺入提供了條件，并通過墊層材料的流動補償，使樁間土與基礎始終保持接觸，在樁、土共同作用下，地基土的強度得到一定程度的補償，相應減少了對樁的承載力的要求。⑷排水固結作用與一般的碎石樁復合地基一樣，采用沉管灌注施工CFG樁，在施工和成樁后的一段時間內，都會在不同程度上降低地層中地下水的含量，最終達到改善地基土物理、力學性質的目的。在飽和的粉土和砂土中施工時，由于沉管和拔管的振動，會使土體產生超孔隙壓力。在上層有相對隔水層時，施工完畢的最初CFG樁因其本身材料的性質決定了它將是一個良好的排水通道，如圖2-3所示，孔隙水將沿著樁體向上排出，直到CFG樁硬結為止。這樣的排水過程還包括CFG樁樁體坍落度小，含水量很小的混凝土類材料水解吸水的過程。有資料證明，這一系列排水作用對減少孔壓引起地面隆起和沉陷，對增加樁間土的密實度和提高復合地基承載力極為有利。圖2-3復合地基排水固結示意圖2.2.2CFG樁各部分的作用CFG樁復合地基由樁、樁間土及褥墊層3部分構成。每個部分在受力時發(fā)揮了不同的作用：⑴CFG樁的作用①承擔基礎傳來的豎向荷載及小部分水平荷載；②對地基土產生一定的擠密作用，當采用非排土工藝施工時，可使樁間土得到一定程度的擠密，加固后的地基土的含水量、孔隙比、壓縮系數(shù)均有所降低，而土體的密度、壓縮模量均有所增加，從而改善土質性能；③排水作用。在成樁初期，樁孔和周邊充填反慮性較好的粗顆粒填料，地基中形成了滲透性能良好的人工豎向排水、減壓的通道，可以有效地消散和防止振沖產生的超孔隙水壓的增高，從而加速地基的排水固結；④預震作用。在成樁過程中，振沖器以一定的振動頻率和沖擊力水平向加速激振土體，使填料和地基土在提高相對密實度的同時獲得強烈的預震，從而增強砂土抗液化的能力；⑵樁間土的作用①承擔豎向，水平荷載。②對樁體進行約束，保證樁體正常工作。⑶褥墊層的作用①保證樁與土共同承擔荷載。在CFG樁復合地基中，路基通過一定厚度的墊層與樁間和樁間土相聯(lián)系，即指路基傳來的荷載，首先傳給墊層，再通過墊層傳給樁與樁間土。當樁端位于堅硬土層時，路基承受荷載后，樁頂沉降變形很小，絕大部分荷載由樁承擔，樁間土承載力很難發(fā)揮。當樁端落在一般粘土層上時，路基承受荷載后，開始絕大部分荷載仍由樁承擔，隨著時間的增加，路基和樁的沉降不斷增加，同時路基下土分擔的荷載不斷增加，即存在一個樁所承擔的荷載逐漸向樁間土轉移的過程。路基和樁之間設置了一定厚度的墊層后，在上部荷載作用下，樁間土的抗壓剛度遠小于樁的抗壓剛度，樁頂出現(xiàn)應力集中，當樁頂壓力超過墊層局部抗壓強度時，墊層局部(與樁接觸部分)會產生壓縮量，路基和墊層整體也會產生向下位移壓縮樁問土，此時，樁間土承載力開始發(fā)揮作用，并產生沉降直至應力平衡。由此可見，設置墊層后，可以保證路基通過墊層的塑性調節(jié)作用將部分荷載傳到樁間土上，從而達到樁間土共同承載荷載的目的。②調整樁與樁之間的分配比例與置換率。樁類型和墊層厚度有很大關系，其中墊層厚度是最重要的因素。并在一定條件下，當增加墊層的厚度時，根據(jù)前述原理，在樁頂應力不變的情況下，可以使墊層和與樁頂接觸的局部產生更大的壓縮，路基和墊層整體向下的移動位置和樁間土壓縮量便會加大，從而提高了樁間土的荷載分擔比例。若減少墊層的厚度時，則會提高樁的豎向荷載分擔比例。墊層厚度H=0時，樁土應力比很大，此時的受力狀態(tài)如同樁基。如H很大時，則樁土應力比接近于1，此時的受力狀態(tài)接近于無樁的受力狀態(tài)。所以當墊層厚度越小，樁承擔的水平荷載的比例就越大，而墊層的厚度趙大，樁間土承擔的水平荷載比例也就越大。設計時應適當調整墊層厚度，以此控制CFG樁承擔的水平荷載，提高樁在水平荷載作用下的安全度。③減少和減緩路基底面的應力集中，提高路基整體的穩(wěn)定性。墊層厚度H=0時，樁對路基基底的應力集中很顯著。設計時應考慮樁對路基基底的沖切破壞。隨著厚度的增加，應力集中現(xiàn)象越來越明顯，當厚度增加至一定程度，基底反力即為天然地基的反力發(fā)布。樁頂對應的基礎底面測得的反力與樁間土對應的基礎底面測得的反力之比用表示（＝/），值隨著褥墊層厚度的變化如圖2-4所示。當褥墊層厚度大于10cm時，樁對基礎產生的應力集中已顯著降低，當為30cm時，值已經很小了。④調整樁、土水平荷載分擔比例。CFG樁復合地基中，作用在基礎上的水平荷載將由3部分力來分擔：基底摩阻力、基礎兩側面的摩阻力以及荷載反方向的土抗力。而基底摩阻力與褥墊層的材料性質以及厚度有密切關系。當褥墊層厚度增大到一定數(shù)值時，由于CFG樁復合地基置換率一般不大于10％，作用在樁頂和樁間土的剪應力和相差不大，樁頂受的剪力(m為置換率；A為基礎面積；樁頂剪應力)占水平荷載的比例很小。水平荷載將主要由樁間土承受。另外，選擇不同褥墊層材料，可改變基底與褥墊層之間的摩擦系數(shù)，從而影響基底摩阻力大小。⑷褥墊層技術由級配砂石、粗砂、碎石等散體材料組成的褥墊層技術是CFG樁復合地基的一個核心問題，復合地基的許多特性都與褥墊層有關。根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ179－2002）要求樁頂和基礎之間應設置褥墊層，厚度宜取153～300mm，當樁徑大或樁距大時褥墊層厚度宜取高值。工程實踐表明，褥墊層合理厚度為100～300mm，考慮施工時的不均勻性，褥墊層厚度取150～300mm，當樁徑大、樁距大時宜取高值。材料中的最大粒徑不大于30mm。由于卵石咬合力差，施工時擾動較大，褥墊層厚度不容易保證均勻。在前面討論的褥墊層作用中可知，厚度過小，樁對基礎將產生很顯著的應力集中，需考慮樁對基礎的沖切，這勢必導致基礎加厚，如果基礎受水平荷載作用，可能造成復合地基中樁發(fā)生斷裂。由于褥墊層厚度過小，樁間土承載能力不能充分發(fā)揮，要達到設計要求的承載力，必然增加樁的數(shù)量或長度，造成經濟上的浪費。唯一的好處是建筑物的沉降量小。褥墊層厚度大，樁對基礎產生的應力集中很小，可不考慮樁對基礎的沖切作用，基礎受水平荷載的作用，不會發(fā)生樁的折斷。同時厚度大時，能夠充分發(fā)揮樁間土的承載能力。若其厚度過大，會導致樁、土應力比等于或接近1。此時樁承擔的荷載太小，實際時復合地基中樁的設置已失去了意義。這樣的設計的復合地基承載力，不會比天然地基有較大的提高，而且建筑物的變形也大。綜合以上分析，結合大量的工程實踐的總結，考慮到技術上可靠，經濟上合理，褥墊層的厚度宜取10～30cm。2.3CFG樁地基工程特性CFG樁的地基處理在工程中應用很廣泛。其工程的特性也很顯著。下面對其主要特性的有以下幾點。⑴載力提高幅度大CFG樁樁長可以從幾米到20多米，并且可全長發(fā)揮樁的側阻力，樁承擔的荷載占總荷載的百分比可在40～75％之間變化，使得復合地基承載力提高幅度大并具有很大的可調性。當?shù)鼗休d力較高時，荷載又不大，可將樁長設計得短一點，荷載大時樁長可設計得長一些。特別時天然地基承載力較低而設計要求得承載力較高，用柔性樁復合地基一般難以滿足設計要求，CFG樁復合地基則比較容易實現(xiàn)。⑵適應范圍廣就基礎形式而言，CFG樁既適合條形基礎、獨立基礎，也適合筏形和箱形基礎。就土性而言，CFG樁可用于填土、飽和及非飽和粘性土，既可用于擠密效果好的土，又可用于擠密效果差的土。當其用于擠密效果好的土時，承載力的提高既有擠密分量，又有置換分量；當其用于不可擠密土時，承載力的提高只與置換作用有關。當土的承載力標準值≤50kPa時，CFG樁的適用性值得研究。當土是具有良好擠密效果的砂土、粉土時，振動可使土擠密，樁間土承載力可有較大幅度的提高，CFG樁是適合的。而塑性指數(shù)高的飽和軟粘土，成樁時土的擠密分量為零。承載力的提高唯一取決于樁的置換作用。由于樁間土的承載力太小，土的荷載分擔比太低，因此不適合做復合地基。⑶剛性樁的性狀明顯對柔性樁，特別時散體樁，如碎石樁、砂石樁，它們主要是通過有限的樁長來傳遞垂直荷載。當樁長大于某一個數(shù)值后，樁傳遞荷載的作用已顯著減小。CFG樁象剛性樁一樣，可全長發(fā)揮側阻，樁落在好的土層是時，具有明顯的端承作用。對于上部軟下部硬的地質條件，碎石樁將荷載向深層傳遞非常困難，而CFG樁因為具有剛性樁的性狀，向深層土傳遞荷載時其重要的工作特性。⑷樁體的排水作用CFG樁在飽和粉土和砂土中施工時，由于沉管和拔管的振動，會使土體產生超孔隙水壓力。較好透水層上面還有透水性較差的土層時，剛剛施工完的CFG樁將是一個良好的排水通道，孔隙水將沿著樁體向上排出，直到CFG樁體結硬為止。這樣的排水過程可延續(xù)幾個小時。⑸時間效應利用振動沉管施工，將會對周圍土產生擾動，特別是對靈敏度較高的土，會使結構破壞、強度降低。施工結束后，隨著恢復期的增長，結構強度會有所恢復。在復合地基的承載力提高期間，既包含了樁間土結構強度的恢復，也包括了樁、土間相互作用的加強。加固后地基土的含水量、孔隙比、壓縮系數(shù)均有減小，重度和壓縮模量有所增大。對于粉砂層振密效果比較明顯，可大幅度提高樁間土的承載能力，有松散狀態(tài)變?yōu)橹忻懿⒔咏軐崰顟B(tài)。⑹復合地基變形小復合地基模量大、建筑物沉降量小時CFG樁復合地基重要特點之一。對于上部和中間有軟弱土的地基，用CFG樁加固，樁端放在好的土層上，可以獲得模量很高的復合地基，上部建筑物的沉降不大。

第3章CFG樁復合地基計算3.1樁體間距的設計計算CFG樁處理軟弱地基，應以提高地基承載力和減少地基沉降為其主要加固目的。其途徑是發(fā)揮CFG樁的樁體作用。對松軟土地基，可考慮其施工時的擠密效應，但若以擠密松散砂土為其主要加固目的，則采用CFG樁是不經濟的。CFG樁復合地基的設計參數(shù)共5個，分別為樁長、樁徑、樁距、、樁體強度、褥墊層厚度及材料。⑴樁長CFG樁復合地基要求樁落端落在好的土層上，這是CFG樁復合地基設計的一個重要原則。因此，樁長是CFG樁復合地基設計時首先要確定的參數(shù)，它取決于建筑物對承載力的變形和要求，土質條件和設備能力等因素。樁長主要取決于樁端持力層的選擇。樁端最好進入堅硬土層或巖層，采用嵌巖樁或端承樁；當堅硬土層埋藏很深時，則宜采用摩擦樁，樁端應盡量到達低壓縮性、中等強度的土層上。樁端進入持力層的深度，對于粘性土、粉土不宜小于2d，砂類土不小于1.5d，碎石類不宜小于1d。當存在軟弱下臥層時，樁端以下持力層厚度不宜小于4d。在進行復合地基設計時，天然地基承載力是已知的，設計要求的復合地基承載力也為已知。樁徑和樁距設定后，置換率和樁的斷面面積均為已知。樁間土強度提高系數(shù)和樁間土強度發(fā)揮度的取值。再將值代入，根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94－94）中的和就能算出所需的樁長。

⑵樁徑CFG樁常采用振動沉管法施工，其樁徑應根據(jù)樁管大小而定。從結構要求和方便施工的角度來選擇。表3-1常用灌注樁的樁徑樁長及適用范圍成孔方法樁徑/mm樁長/m適用范圍泥漿護壁成孔沖抓≥800≤30碎石土、砂類土、粉土、粘性土及風化巖。當進入中等風化和微風化巖層時，沖擊成孔的速度比回轉鉆快。沖擊≤50回轉鉆≤80潛水鉆500～800≤50粘性土、淤泥、淤泥質土及砂類土干作業(yè)成孔螺旋鉆300～800≤30地下水位以上的粘性土、粉土、砂類土及人工填土鉆孔擴底300～600≤30地下水位以上的堅硬、硬塑的粘性土及中密以上的砂粘土機動洛陽鏟300～500≤20地下水位以上的粘性土、粉土、黃土及人工填土沉管成孔錘擊340～800≤30硬塑粘性土、粉土、砂類振動400～500≤24可塑粘性土、中細砂爆破成孔≤350≤12地下水位以上的粘性土、黃土、碎石土及風化巖人工挖孔≥100≤40粘性土、粉土、黃土、人工填土⑶樁距S樁距s過大，承載力不能滿足；s過小，樁的承載力不能充分發(fā)揮，且給施工造成困難。試驗表明，當樁距小于4倍樁徑后，隨著樁距的減小，復合地基承載力的增長率明顯下降，從樁、土作用的發(fā)揮考慮，樁距大于4倍樁徑為宜。下表對樁的最小樁距s的規(guī)定。表3-2樁的最小中心距土類與成樁工藝樁排數(shù)≥3，樁根數(shù)＞9的摩擦樁基礎其他情況非擠土樁和部分灌注樁3.0d2.5d擠土灌注樁穿越非飽和土3.5d3.0d穿越飽和軟土4.0d3.5d擠土預制樁3.5d3.0d打入式敞口管樁和H型鋼樁3.5d3.0d鉆、挖孔擴底灌注樁1.5或＋1（當＞2m時）沉管擴底灌注樁3.0①對于濕陷性黃土和人工填土地基擠密樁樁距s的計算：設擴孔系數(shù)，排距為h，排距系數(shù)為n＝h/s，可得到：(3-1)式中－擠密前后土的平均密度；d－樁體直徑。②液化砂土地基振動擠密樁樁距的計算：砂性土在振動作用下將引起振密下沉。若樁長（處理深度）為Z，由于振動作用引起底面下沉量為，設振沉系數(shù)，而成樁的同時還有擠密的作用。樁距s的計算公式：(3-2)施工過程中，無論是振動沉管還是振動拔管，都將對周圍土體產生擾動或擠密，振動的影響與土的性質密切相關，振密效果好的土，施工時振動可使土體密度增加，場地發(fā)生下沉；不可擠密的土則要發(fā)生地表隆起，樁距越小隆起量越大，以致于導致已打的樁產生縮頸或斷裂。樁距越大，施工質量越容易控制，但應針對不同的土性分別加以考慮。⑷樁體強度由和樁斷面面積，可計算樁頂應力為(3-3)根據(jù)樁體強度和承載力的關系分析可知，樁體強度一般取3倍樁頂應力即(3-4)則可取樁體強度由知，樁體強度滿足，不會被破壞。⑸褥墊層厚度及材料褥墊層的材料多用碎石、級配砂石（限制最大粒徑一般不超過3cm）、粗砂、中砂等。褥墊層的加固范圍要比基底面積大，其四周寬出基底的部分不宜小于褥墊層的厚度。結合大量的工程實踐的總結，考慮到技術上可靠，經濟上合理，褥墊層的厚度宜取10～30cm。 ⑹樁的排列與置換率對可液化地基或有必要時，可在基礎外某一范圍設置護樁（可液化地基一般用碎石樁做護樁），通常情況下，樁都布置在基礎范圍內。樁的數(shù)量按下式確定(3-5)式中――――面積置換率；――――基礎面積（）；――――樁斷面面積（）；――――面積為時的理論布樁數(shù)。實際布樁時受基礎尺寸大小即形狀等影響，布樁數(shù)會有一定的增減。在各類豎向增強體復合地基中，常見的樁體排列方式為三角形或方形。當按正三角形排樁時，單樁分擔的處理范圍為正六邊形，各樁間距相等，樁間土的擠密效果及樁的作用比較均勻。當按正方形排樁時，單樁分擔的處理范圍為正方形，布樁與施工較為方便。因此，正三角形布樁最為常見。有時因基礎所限或為了布樁簡便，也可采用等腰三角形或矩形布樁，無論采用何種三角形或矩形布樁，由圖3-3知，在任意相鄰四個樁中心線連成的四邊形中，其四個夾角合計為360°，亦即其中均包含一根樁體的面積。一根樁分擔的處理面積均等于該四邊形的面積：（3-6）圖3-1擠密樁樁位布列圖a)三角形b）矩形按一個樁分擔的處理面積，可計算處復合地基的置換率，即（3-7）式中－排距系數(shù)，，－樁的中心排距；－排距系數(shù)，。表3-3排距與單樁分擔面積、置換率等的換算公式項目布樁方式排距系數(shù)n單樁分擔面積等效圓壓板面積面積置換率等腰三角形矩形1.1290.7851.129正三角形0.866正方形1.0對獨立基礎、箱形基礎、筏基，基礎邊緣到樁的中心距一般為樁徑或基礎邊緣到樁邊緣的最小距離不小于150mm，對條形基礎不小于75mm。在松軟土地區(qū)，當樁長范圍內，樁端有可能落在好的土層上時，也可采用比通常用的更大一些的預制樁尖，其樁尖的直徑增大到沉管外徑的1.5～2.0倍，通常稱之為大頭樁尖。樁尖沉到較好的土層中便停止沉管，大頭樁尖通過松軟土層時，松軟土會很快回彈，拔出沉管后投料量基本不變，但承載能力有了提高。3.2CFG樁地基承載力計算復合地基是由樁間土和增強體（樁）共同承擔荷載。但是復合地基承載力不是由天然地基承載力和單樁承載力的簡單疊加，需要對如下的一些因素給予考慮：(1)施工時對樁間土是否產生擾動和擠密，樁間土承載力有無降低或提高；(2)樁對樁間土有約束作用，使土的變形減少；(3)復合地基中樁的Q—s曲線呈加工硬化型，比自由單樁的承載力要高；(4)樁和樁間土承載力的發(fā)揮都與變形有關，變形小時樁和樁間土的承載力的發(fā)揮都不充分；(5)復合地基樁間土的發(fā)揮與褥墊層的厚度有關。3.2.1樁間土極限承載力計算根據(jù)天然地基荷載板試驗結果，或根據(jù)其他室內外土工試驗資料可以確定天然地基極限承載力。在地基中設置縱向增強體，使樁間土的極限承載力不同于天然地基承載力。使樁間土極限承載力有別于天然地基極限承載力的主要影響因素有下列幾個方面：在樁的設置過程中對樁間土的擠密作用，采用振動擠密成樁法影響是明顯的；在軟粘土地基中，樁體設置過程中由于振動、擠密、擾動等原因，使樁間土中出現(xiàn)附加孔隙水壓力，土體強度有所降低，另一方面孔隙水壓力消散，樁間土中有效應力增大，抗剪強度提高，這兩部分作用使樁間土承載力大于天然地基承載力。通常樁間土極限承載力除了直接通過荷載試驗，以及根據(jù)土工試驗資料，查閱有關規(guī)范外，常采用Skepton極限承載力公式進行計算。Skepton極限承載力公式為 （3-8）

式中D－基礎埋深；－不排水抗剪強度；－承載力因素，當＝0時，＝5.14；B－基礎寬度；L－基礎長度。在成樁或加荷過程中，樁間土中朝2孔隙水壓力等于，隨著超孔隙水壓力向散體材料樁逐漸消散，土體固結，土體強度增長。抗剪增強長可用下式表示：（3-9）（3-10）式中－抗剪強度增量；K－系數(shù)，；－土體內摩擦角；－平均固結度；－原天然地基土體不排水抗剪強度。3.2.2CFG樁復合地基承載力計算結合軟粘土地區(qū)CFG樁復合地基的工程實踐，對于CFG樁復合地基承載力特征值常采用如下經驗公式估算: （3-11）式中—復合地基承載力標準值，kPa;M—面積置換率；—單樁承載力標準值，kN；—單樁的截面面積，；—樁間土的提高系數(shù)，；為加固后樁間土承載力標準值；—樁間土強度發(fā)揮系數(shù)，宜按地區(qū)經驗取值，無經驗時可取＝0.75～0.95，天然地基承載力高時取大值；—天然地基承載力標值，kPa；（3-12）式中－回歸修正系數(shù)，＝；－樣本數(shù)；－變異系數(shù)，，為指標的標準差；為指標的平均值。當承載力具有兩個指標時，則應用綜合變異系數(shù)：；－第一指標變異系數(shù)；－第二指標變異系數(shù)；－第二指標折減系數(shù)；－地基承載力基本值3.2.3加固區(qū)下臥軟弱層承載力驗算當復合地基加固區(qū)下臥層為軟弱土時，在設計中尚需對下臥軟弱層承載力進行驗算。要求作用在下臥層頂面處附加應力和自重應力之和p不超過下臥層土的容許承載力[R]，即（3-13）《地基規(guī)范》通過試驗研究并參照雙層地基中附加應力分布的理論提出了簡化方法：當持力層與軟弱下臥層的壓縮模量比值≥3時，附加應力采用擴散角來計算。圖3-2軟弱下臥層計算簡圖計算簡圖如圖所示，復合地基上荷載按擴散角θ向外擴散，并均勻分布在擴散后的面積上。根據(jù)擴散前、擴散后總應力相等的條件，得：(3-14)式中B、L－分別為矩形基礎底面寬度和長度；h－加固區(qū)厚度；θ－擴散角，與加固圖和下臥層圖性質有關。下臥層圖得容許承載力[R]應視為假想實體基礎圖得容許承載力，選用時需用經深度和寬度修正，可按《地基基礎設計規(guī)范》（GB50007－2001）采用。3.3CFG樁復合地基沉降計算CFG樁復合地基的沉降S可以認為由下面三部分組成，見圖3-2所示，其計算式如下：式中—樁長范圍內土的壓縮變形；—加固區(qū)下臥層的變形；—褥墊層的壓縮形變。圖3-3CFG樁復合地基沉降計算模型在進行沉降計算時，一般以土為計算對象，荷載將是樁間土應力和樁荷載。通常又可將用樁側阻力和樁端阻力替代。這樣，土體受到的荷載為三項，即、、。由它們產生的附加應力分布計算地基土的沉降。加固區(qū)土的壓縮變形和下臥層的變形采用以下兩種方法計算：3.3.1計算加固區(qū)變形和下臥層沉降⑴．加固區(qū)變形的計算采用荷載P在基礎底面樁間土產生的附加應力作為荷載計算加固區(qū)壓縮變形，采用荷載P在下臥層產生的附加應力作為荷載計算下臥層壓縮變形。地基加固部分群樁體的壓縮變形S1可按下式計算（3-15）式中－群樁體頂面處的平均壓力；－群樁體底面處的附加壓力；L－樁長，m；－復合壓縮模量：（3-16）式中－CFG樁的壓縮模量；－樁間土的壓縮模量。當荷載接近或達到復合地基承載力時，假定：①樁土模量比等于樁土應力比；②加固后樁間土壓縮模量時加固前天然地基壓縮模量的倍。為樁間土承載力提高系數(shù)。由式（3-4）設：，，得：模量提高系數(shù)。得到：（3-17）⑵．樁端下臥層的計算下臥層的計算，從群樁體底部提升L/3（L為樁長），然后按照30°向下擴散，根據(jù)分層總和法計算下臥層的變形為：（3-18）式中－泊松比的函數(shù)。一般根據(jù)土的類別，采用經驗系數(shù)得到；—軟弱層第i層土的分層厚度(m)；－平均附加應力，；－土變形模量，有現(xiàn)場載荷試驗或其他原位測試手段確定。表3-4土的和系數(shù)值土的類別大塊碎石砂粉土粉質黏土黏土泊松比0.150.280.310.370.410.950.760.720.570.43當?shù)鼗灾貞r，對應的深度可當作壓縮底層。這一方法考慮到自重應力增大伴隨壓縮模量提高的這一規(guī)律，并聯(lián)系附加壓力，考慮的比較全面。當為軟弱地基時，可以采用作為確定壓縮底層的準則。此計算方法拔中心點的沉降當作基礎的平均沉降，但是基底壓力采用均布壓力。此簡化的方法壓力分布與地表變形時不協(xié)調的，理論上時矛盾的。另外把中心土柱當成時無側向膨脹的土柱，與實際情況也不符，因荷載面積有限，中心土柱周圍的土，多少要向外側擠動，不可能造成對中心土柱完全約束的條件。3.3.2CFG樁復合地基變形計算假定加固區(qū)得復合土體為與天然地基分層相同的若干層均質地基，不同的是壓縮模量都相應擴大倍，這樣加固區(qū)和下臥層均按分層總和法進行沉降計算。加固區(qū)和下臥層土體內得應力分布采用各向同性均質得直線變形體理論。當荷載不超過復合地基承載力時，總沉降量S為（3-19）式中—加固區(qū)土分層數(shù)；—總的分層數(shù)；－對應于荷載效應準永久組合時的基礎底面處的附加應力，kPa；一荷載P在第i層土產生的平均附加應力(kPa)；－第i層土壓縮模量(kPa)；－基礎底面至第i層土、第i-1層土底面的距離，m；、－基礎底面計算點至第i層土、第i-1層土平均附加應力系數(shù)；—加固區(qū)第i層土壓縮模量放大系數(shù)，由下式確定：—沉降計算修正系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測資料及經驗確定.

表3-5變形計算經驗系數(shù)/MPa2.54.07.015.020.01.11.00.70.40.2上式的為變形計算深度范圍內壓縮模量的當量值。按照下式計算：（3-20）式中－第i層土附加應力沿土層厚度積分值；－第i層土壓縮模量(kPa)，樁長范圍內的復合土層按復合土層的壓縮模量取值。復合地基變形計算深度必須大于復合地基的厚度，并應符合下式要求：(3-21)式中－計算范圍內，第i層土的計算變形值；－在計算深度向上取厚度為的土層計算變形值，按下表取值。表3-6值b/m≤22＜b≤44＜b≤8＜8/m0.30.60.81.0此種沉降計算方法采用了簡單的壓縮模量放大法，但是許多土類的壓縮模量之比并不與承載力標準值之比相對應。再者采用此種計算法未考慮樁端土的強度，也未考慮軟土在加固區(qū)的上部或下部所導致的不同結果。

第4章振動沉管CFG樁施工工藝4.1施工程序4.1.1．施工準備施工前應具備的資料和條件⑴建筑物場地工程地質勘測報告：①水泥粉煤灰碎石樁布樁圖。圖位注明樁位編號以及設計說明和施工說明。②建筑物鄰近的高壓電纜、電話線、地下管線、地下構筑物及障礙物等調查資料。③建筑物場地的水準控制點和建筑物位置控制坐標等資料。④具備“三通一平”條件。⑵施工技術措施：①確定施工機具和配套設備。②材料供應計劃。表明所用材料的規(guī)格、技術要求和數(shù)量。③試成孔布少于兩個，以復核地資料以及設備、工藝是否適宜，核定選用的技術參數(shù)。④按施工平面圖放好樁位，若采用鋼筋混凝土預制樁尖，需埋入地表以下30cm左右。⑤確定施打順序。⑥復核測量基線、水準點及樁位、CFG樁的軸線定位點，檢查施工場地所設的水準點是否會受到施工影響。⑦振動沉管機沉管表面應有明顯的尺寸標記，并以米為單位。4.1.2．CFG樁施工⑴樁機進入現(xiàn)場，進行組裝。⑵樁機就位，調整沉管與地面垂直，確保垂直度偏差不大于1％。⑶起動電動機，沉管到預定標高，停機。⑷沉管過程中做好記錄，每沉管1m記錄電流表上的電流一次。并對土層變化處予以說明。⑸停機后立即向管內投料，知道混合料與進料口齊平。混合料按設計配比經攪拌機加水拌和，拌和時間不得少于1min。加水量按坍落度3～5cm控制，成樁后浮漿厚度以不超過20cm為宜。⑹起動電動機，留振5～10s，開始拔管，速率一般為1.2～1.5m/min（拔管速度是線速度不是平均速度）。如遇到淤泥或淤泥質土，拔管的速率還應放慢。成樁后樁頂標高應考慮計入保護樁長。⑺沉管拔出地面，確認成樁符合設計要求后，用粒狀材料或濕粘土封頂。然后移機進行下一根樁的施工。⑻施工過程中，抽樣做混合料試塊，一般是一個臺班做一組（3塊），試塊尺寸15cm×15cm×15cm，并測定28天強度。4.2施工中要注意的問題和控制措施⑴．施工擾動土的強度降低振動沉管成樁工藝與土的性質具有密切關系。就擠密樁而言，可將地基土分為三大類：其一為擠密性好的土，如松散填土、粉土、砂土等；其二為可擠密性土，如塑性指數(shù)不大的松散的粉質粘土和非飽和粘性土；其三為不可擠密土，如塑性指數(shù)高的飽和軟粘土和淤泥質土。需要著重指出的是，土的密實度對土的擠密性影響很大。眾所周知，密實的砂土或粉土會振松；松散的砂土或粉土可振密。因此討論土的擠密性時，一定要考慮加固前土的密實度。⑵．縮頸和斷樁在飽和軟土中成樁，樁機的振動力較小，當采用連打作業(yè)時，新打樁對已打樁的作用主要表現(xiàn)為擠壓，即使得已打樁被擠扁成橢圓形或不規(guī)則形，嚴重的產生縮頸或斷樁。在上部有較硬的土層或中間夾有硬土層中成樁，樁機的振動力較大，對已打樁的影響主要為振動破壞。采用隔樁跳打工藝，若已打樁結硬強度又不太高，在中間補打新樁時，已打樁有時被振裂，且裂縫一般與水平成0～30°角。⑶．樁體強度不均勻樁機卷揚系統(tǒng)提升沉管線速度太快時，為控制平均速度，一般采用提升一段距離，停下留振一段時間，非留振時，速度太快可能導致頸縮斷樁。拔管太慢或留振時間過長，使得樁的端部樁體水泥含量較少，樁頂浮漿過多，而且混合料也容易產生離析，造成樁身強度不均勻。⑷．樁料與土的混合當采用活瓣樁靴成樁時，可能出現(xiàn)的問題是樁靴開口打開的寬度不夠，混合料下落不充分，造成樁端與土接觸不密實或樁端一段樁徑較小。若采用反插方法，由于樁管垂直度很難保證，反插容易使土與樁體材料混合，導致樁身摻土等缺陷。4.3施工工藝方法的研究⑴．拔管速率試驗表明，拔管速率太快將造成樁徑偏小或頸縮斷樁。在南京浦鎮(zhèn)車輛廠工地做了三種拔管速率的試驗。其一為1.2m/min，成樁投料量為1.8m3，成樁后挖開測樁徑為38cm（沉管為Ф377管）。其二為2.5m/min，投入管內料亦為1.8m3，沉管拔出地面后，有大約0.2m3的混合料被帶出到地表。開挖后測樁徑為36cm。其三為0.8m/min，成樁后發(fā)現(xiàn)樁頂浮漿較多。在薊縣電廠曾做較長時間留振試驗，拔管速率也很慢（0.8m/min），開挖至樁端發(fā)現(xiàn)，樁端石子沒能被水泥漿包住，強度降低。經大量工程實踐認為，拔管速率為1.2～1.5m/min是適宜的。應該指出，這里說的拔管速率不是指平均速度。除啟動后留振5～10s之外，拔管過程中不再留振，也不得反插。國產振動沉管機拔管速率都較快，可以通過增加卷揚系統(tǒng)中滑輪組的動滑輪數(shù)量來改變拔管速度。也可通過電動機－變速箱系統(tǒng)來實現(xiàn)。⑵．合理樁距樁距的合理性在于樁、樁間土承載力能否很好的發(fā)揮，達到設計要求，并考慮施工的可行性，新打樁對已打樁是否產生不良影響，經濟上是否合理。試驗表明，其他條件相同，樁距越小，復合地基承載力越大，當樁距小于4倍樁徑后，隨樁徑的減少，復合地基承載力的增長率明顯下降。從樁、土作用的發(fā)揮考慮，樁距大于4倍樁徑為宜。工過程中，無論是振動沉管還是振動拔管，都將對周圍土體產生擾動或擠密，振動的影響與土的性質密切相關，擠密效果好的土，施工時振動可使土體密度增加，場地發(fā)生下沉；不可擠密的土則要發(fā)生地表隆起，樁距越小隆起量越大，以至于導致已打的樁產生頸縮或斷樁。樁距越大，施工質量越容易控制。但應針對不同的土性，分別加以考慮?；A型式也是值得注意的一個因素，對一般單、雙排布樁的條形基礎，或面積不大而樁數(shù)不多的獨立基礎，樁距可適當取小一些；對滿堂布樁而面積大的筏基、箱基以及多排布樁的條基，樁距應適當放大。此外，地下水位高，土的滲透性差或土體密度大時，樁距也應用的大一些。下表給出了振動沉管機施工的樁距的選用表，供設計參考。圖4－1樁距選用表土性布樁形式 擠密性好的土：如砂土、粉土、松散填土等可擠密性土：如粉質粘土、非飽和粘性土等不可擠密性土：如飽和粘土、淤泥質土等單、雙排布樁的條基（3～5）d（3.5～5）d（4～5）d含9根樁以下獨立基礎（3～6）d（3.5～6）d（4～6）d滿堂布樁（4～6）d（4～6）d（4.5～7）d當設計要求的承載力較高、樁距過大，不能滿足承載力要求，必須縮小樁距時，可考慮采用螺旋鉆孔機預鉆孔的措施。引孔直徑一般要小于沉管的外徑，并視樁距和土性而定。⑶．施打順序在設計樁的施打順序時，主要考慮新打樁對已打樁的影響。施打順序大體可分為兩種類型，一是連續(xù)施打，從第一根樁一根接一根的連續(xù)打下去；二是間隔跳打，可以隔一根或幾根樁跳打。連續(xù)施打可能造成樁的缺陷是樁徑被擠扁或縮頸。如果樁距不太小，混合料尚未初凝，連打一般較少會發(fā)生樁完全斷開。如下圖4-2a所示。隔樁跳打，先打樁的樁徑較少發(fā)生縮小或縮頸現(xiàn)象，但土質較硬時，在已打樁中間補打新樁時，已打的樁可能發(fā)生被振裂或振斷。如圖4-2b所示。1123456123456圖4-2樁的施打順序示意圖a）連續(xù)施打b）隔樁施打a）b）施打順序與土性和樁距有關，在松軟土中，樁距較大，可采用隔樁跳打；在飽和的松散粉土中施工，如果樁距較小，不宜采用隔樁跳打方案。因為松散粉土振密效果較好，先打樁施工完后，土體密度會有明顯增加，而且打的樁越多，土的密度越大，樁越難打。在補打新樁時，一是加大了沉管的難度，二是非常容易造成已打的樁成為斷樁。對滿堂布樁，無論樁距大小，均不宜從四周轉圈向內推進施工，因為這樣限制了樁間土向外的側向變形，容易造成大面積土體隆起，斷樁的可能性增大。可采用從中心向外推進的方案，或從一邊向另一邊推進的方案。對滿堂布樁，無論如何設計施打順序，總會遇到新打樁的振動對已結硬的已打樁的影響，樁距偏小或夾有比較堅硬的土層時，亦可采用螺旋鉆引孔的措施，以減少沉、拔管時對樁的振動力。⑷．混合料坍落度大量工程實踐表明，混合料坍落度過大，樁頂浮漿過多，樁體強度也會降低。坍落度控制在3～5cm，和易性很好，當拔管速度為1.2～1.5m/min時，一般樁頂浮漿可控制在10cm左右，成樁質量容易控制。⑸．保護樁長所謂保護樁長是指成樁時預先設定加長的一段樁長，基礎施工時將其鑿掉。保護樁長是基于以下幾個因素而設置的：①成樁時樁頂不可能正好與設計標高完全一致，一般要高出樁頂設計標高一段長度；②樁頂一段由于混合料自重壓力較小或由于浮漿的影響，靠樁頂一段樁體強度較差；③已打樁尚未結硬時，施打新樁可能導致已打樁受振動擠壓，混合料上涌使樁徑縮小。如果已打樁混合料表面低于地表較多，則樁徑被擠小的可能性更大，增大混合料表面的高度即增加了自重壓力，可使抵抗周圍土擠壓的能力提高，特別是基礎埋深很大時，空孔太長，樁徑很難保證。綜上所述，保護樁長必須設置，并建議遵照如下原則：①設計樁頂標高離地表的距離不大時（不大于1.5m），保護樁長可取50～70cm，上部可用土封頂；②樁頂標高離地表的距離較大時，可設置70～100cm的保護樁長，上部可用粒狀材料封頂直到接近地表。⑹．開槽及樁頭處理CFG樁施工完畢，待樁體達到一定程度（一般為3～7天），可進行開槽。對基槽開挖，如果設計樁頂標高距地表不深（一般不大于1.5m），宜考慮采用人工開挖，不僅可防止對樁體和樁間土產生不良影響，而且也比較經濟。如果基坑較深，開挖面積大，采用人工開挖效率太低，可采用機械和人工聯(lián)合開挖，但必須遵循如下原則：①不可對設計樁頂標高以下的樁體產生損害；②對中、高靈敏度土，應盡量避免擾動樁間土。針對以上兩點，關鍵在于要留置足夠的人工開挖厚度。采用機械、人工聯(lián)合開挖，人工開挖厚度留置多少，與樁體強度和土質條件等有關，建議不同的場地條件應按現(xiàn)場試驗確定。但人工開挖留置厚度一般不宜小于70cm?；坶_挖至設計標高后，多余的樁頭需要鑿除，鑿除樁頭時宜采取如下措施：①找出樁頂標高位置；②用鋼釬等工具沿樁周向樁心逐次鑿除多余的樁頭，直到設計樁頂標高，并把樁頂找平：③不可用重錘或重物橫向擊打樁體；④樁頭鑿至設計標高處，樁頂表面不可出現(xiàn)斜平面。⑤如果在基槽開挖和鑿除樁頭時，造成樁體斷裂至樁頂設計標高以下，必須采取補救措施。假如斷裂面距樁頂標高不深，可用C20混凝土接樁至設計樁頂標高，但注意在接樁頭過程中保護好樁間土。⑺．褥墊層鋪設褥墊層所用材料多為級配砂石，限制最大粒徑一般不超過3cm，也可用粗砂或中砂等材料。褥墊層厚度一般為10～30cm，由設計給定，參照第2章CFG樁復合地基設計參數(shù)。

第5章武廣客運專線CFG樁飽和軟粘土地基處理武漢至廣州客運專線北起武漢樞紐南端烏龍泉,南至廣州樞紐北端花都,線路全長874.406km。橋隧公司承擔的施工任務為DK1795+411.69～1820+029.65管段內的所有線下工程。CFG樁地基加固462038延米,樁長4m～26m,樁徑0.5m,間距1.5m～2.0m正三角形布置,CFG樁采用長螺旋芯管泵送混合料灌注成樁的施工方法。5.1配合比的確定：據(jù)試樁的結果,CFG樁混合料配合比確定為:水泥∶河砂∶碎石∶粉煤灰∶外加劑∶水=1∶3.85∶5.78∶0.60∶0.016∶0.67,水泥采用郴州東江金磊P.O32.5水泥,砂采用耒河中粗砂,碎石為耒陽小水采石廠生產的5mm～31.5mm碎石,粉煤灰為耒陽電廠二級粉煤灰,減水劑為JH-5高效減水劑,泵送混合料坍落度控制在160mm～200mm,攪拌時間控制在120s左右。機械選擇：根據(jù)各工點設計的要求,管段內CFG樁設計長度的范圍在4m～26m之間,據(jù)此選擇了兩種不同型號的長螺旋鉆機,分別為:TS-22步履式長螺旋鉆,主要參數(shù):鉆孔直徑500mm、最大成孔深度22m,動力頭功率45kW×2。KLB625B步履式長螺旋鉆,主要參數(shù):鉆孔直徑500mm、最大成孔深度26m,動力頭功率55kW×2?；旌狭陷斔捅眠x用三一重工及中聯(lián)重科兩種泵機,每小時泵送量為60立方。5.2原地表處理:根據(jù)設計圖放出CFG樁的加固的范圍,清除地表腐雜土,并進行壓實,做好臨時排水設施。當原地面的坡度陡于1∶5時,自上而下挖成臺階,臺階高度控制在0.6m左右,臺階的寬度應滿足長螺旋鉆施工作業(yè)的要求。當原地面表層為軟土或淤泥時,進行換填處理,換填厚度據(jù)實際情況而定,換填寬度每側超出設計寬度2m,換填后的高程不能高于原地面高程,換填后的壓實系數(shù)大于90%,以保證長螺旋鉆行走的安全。5.3施工工藝：(1)地質復查:施工前,先進行地質探孔以復核設計提供的地質資料,并記錄電流變化時的地質情況,以便施工時作為判斷地質情況的依據(jù)。地質探孔采用長螺旋鉆機進行鉆探,每25m為一斷面,每斷面鉆探3個點,也可用地質鉆機進行鉆探。當與設計地質條件不符時,及時向設計部門提出地質復查申請。(2)放線:施工前放出地基處理的加固范圍及線路中心線,根據(jù)施工圖放出樁位中心點,并標識清楚,樁位偏差不大5cm。(3)成孔:鉆機就位后,使鉆桿垂直對準樁位中心。在鉆架前方、側方分別懸掛垂球,確保鉆桿的垂直小于1%。每根樁施工前,有專門的人員指揮樁位對中及垂直度檢查,滿足要求后,方可開鉆。鉆孔開始時,關閉鉆頭閥門,向下移動鉆桿至鉆頭觸及地面時,啟動馬達鉆進。先慢后快,同時檢查鉆孔的偏差并及時糾正。在成孔過程中,發(fā)現(xiàn)鉆桿搖晃或難鉆時,放慢進尺,以防止樁孔偏斜及鉆桿、鉆頭的損壞。根據(jù)鉆機機身上的進尺標記,成孔至設計標高且深入硬層不少于1.0m或鉆至灰?guī)r頂面時,停止鉆進。(4)混合料灌注:混合料在拌和站集中攪拌,采用混凝土灌車運輸。灌注時采用靜止提拔鉆桿,先開始泵送混合料,當鉆桿芯管內充滿混合料后開始拔管,拔管速度控制在1.2m/min～1.5m/min。灌注的樁頂高程高出設計高程50cm,以保證樁頭的施工質量。(5)現(xiàn)場試驗:每臺班配備試驗人員進行坍落度的檢測,檢測次數(shù)不少于3次,并做不少于一組的混凝土試件樁間土的清理和樁頭截除施工中采用了兩種樁間土清理及樁頭截除方法。第一種是在樁身強度達到設計強度后,利用小型挖掘機進行樁間土清理,樁間土清理完成后再用切割機進行樁頭切除。第二種是在CFG樁灌注完成后,將樁間土及樁頭混合料同時清除,即采取軟截除的方法進行樁頭的處理。第一種方法,主要是在清理樁間土的過程中,小型機械對樁本體產生攏動,致使在距樁頂0.4m～1.0m范圍內的樁產生斷樁,人為增大了斷樁數(shù)量。第二種方法對樁的撓動較小,但對樁頭造成較大破壞,在施工中預留20cm厚的樁間土,采用人工進行清理,減小對樁頭的破壞。5.4CFG樁基的檢測：⑴低應變檢測①樁頭的處理,樁頭處理好壞直接影響測試信號的質量,要求受檢樁樁頂?shù)幕炷临|量、截面尺寸與樁身設計條件基本相同,鑿除樁頂浮漿及松散、破損的部分,露出堅硬的混凝土面,樁頂表面平整干凈無積水。②傳感器安裝點及激振錘擊點:傳感器安裝點在距樁中心約2/3半徑處,激振點在樁的中心,安裝點及激振點表面用砂輪機打磨光滑,傳感器用耦合劑粘結,粘結層盡可能薄,傳感器底安裝面與樁頂面緊密接觸。安裝點與激振點平面夾角等于或略大于90度。③檢測:檢測時用力錘進行連續(xù)均勻4次激振(錘頭錘墊均采用工程塑料),實測出時域或幅頻信號特征,以確定樁身完整性。⑵復合地基承載力檢測：施工中對DK1813+330～+550段CFG樁進行復合地基承載力檢測,該段復合地基設計承載力為320kPa,樁間距為1.8m,單樁承擔的處理面積為2.1m2,試驗的最大載荷為2倍的設計載荷2.1×2×320=1344kN。載荷分8～9級進行施加,每級加載量為150kN～200kN,由9m×9m的加載平臺堆載提供反力,用2500kN油壓千斤頂分級加載荷。在承載板上對稱安裝4個大行程百分表,量測復合地在各級荷載作用下的地基沉降量,每級載荷施加后5min第一次測讀承載板的沉降量,以后每半小時測讀一次,當一小時內沉降量小于0.1mm時,即可施加下一級載荷。

第6章京滬客運專線CFG樁飽和軟粘土地基處理6.1京滬高速鐵路飽和軟粘土資料京滬高速鐵路DK718+972.05～DK720+077.60段液化土試驗工點位于安徽省宿州市欄桿鎮(zhèn)韓莊村，全長約1106米，北端接韓莊特大橋，南端接勝利河中橋。工點位于黃海沖積平原區(qū)，地形平坦開闊，廣辟為旱地，人工開挖灌溉用溝渠縱橫其間，平均地面標高27m左右。當?shù)貙贉嘏瘞О霛駶櫦撅L氣候，為我國南北氣候的過渡地帶，氣候溫和，四季分明。一般最冷月為1月，平均氣溫4.6°，7月份最熱，平均氣溫30.6°。絕對最高氣溫40.9°，絕對最低氣溫-23.3°,年平均氣溫11°～16°。歷年平均初霜在11～12月，終霜期在3～4月間，年平均雨量600～1400mm，雨量年內分布不均，夏季6到8月為多雨季節(jié)，雨量占全年的60％以上。風隨季節(jié)轉移非常明顯，冬季盛行東北風，夏季盛行東南風。6.2軟弱地基處理的選用原則京滬高速鐵路上此段為軟粘土地基，其缺點為壓縮性大，承載力小等。由于高速鐵路對沉降控制提出了更高的要求，因此對加固后的地基承載力和變形的要求都很高。此地基必須進行加固來提高地基土的抗剪強度，減少沉降和不均勻沉降，使在上部結構荷載作用下不致發(fā)生破壞或出現(xiàn)過大的變形，同時，防止地震時地基土的液化。采用鉆孔灌注樁，地基土由有較好的樁端持力，能滿足設計要求，但樁間土承載力得不到使用，不經濟，并且在施工過程中有泥漿污染，施工噪音大。振動沉管CFG樁施工工藝屬于非排水成樁工藝，只要適用于粘性土、粉土、淤泥質土、人工填土及松散砂土等地質條件，尤其適用于松散土的加固。它具有施工操作簡便、施工費用低、對樁間土的擠密效應顯著等優(yōu)點。采用振動沉管施工的復合地基可以提高承載力、減少地基變形以及消除地基液化。振動沉管技術主要應用于擠密效果好的土和可液化土的地基加固工程，空曠地區(qū)或施工場地周圍沒有管線、精密設備以及不存在擾民的地基處理工程。所以此次地基處理選用振動沉管CFG樁。6.3CFG樁設計6.3.1設計基本條件⑴．地層巖性表6-1地基土的物理特性指標土層天然含水量%天然容重KN/m3比重壓縮系數(shù)天然孔隙比e孔隙比變異系數(shù)凝聚力CkPa內摩擦角Φ壓縮模量粉土27.919.52.70.30.80.110.831.58.1軟粘土27.219.72.70.30.80.228.713.07.2⑵．路基面作用荷載①一般條件我國的高速鐵路采用有碴軌道結構，其標準與《鐵路路基設計規(guī)范》(TBJl—96)中的I級重型軌道相近，鋼軌為60kg／m，軌枕為III型混凝土枕，枕長2.6m，1600～1680根/km，道碴厚＞35cm，碴肩寬50cm。軌道及列車荷載換算的土柱高度及分布寬度如表所示。表6-2列車荷載和換算高度列車活載種類鋼軌（kg/m）軌枕（根/km）道床厚度（m）道床頂寬（m）道床坡度分布寬度（m）ZK標準活載6016670.303.61：1.753.4中—22活載6016670.303.61：1.753.4軌道形式：有碴軌道（雙線）軌道線形：直線②荷重的特征值靜荷載：固定荷重：鋼軌=60*g＝60*9.8=0.588扣件軌枕2*1667/1000*0.35*g＝2*1.667*0.35*9.8=11.4356道床=79.65軌枕重量350kg。自重合計（幅寬）：b）附加靜荷載故：==6.846.3.2CFG樁基本參數(shù)⑴樁徑樁徑應根據(jù)工程地質條件和成樁設備等因素選擇，此設計樁徑根據(jù)現(xiàn)有的工程地質資料、成樁設備及沉管法施工工藝等因素綜合考慮，CFG樁的樁徑選為0.5m。樁間距樁距s過大，承載力不能滿足；s過小，樁的承載力不能充分發(fā)揮，且給施工造成困難。試驗表明，當樁距小于4倍樁徑后，隨著樁距的減小，復合地基承載力的增長率明顯下降，從樁、土作用的發(fā)揮考慮，樁距3～4倍樁徑為宜，于是取s＝1.6m；樁長L樁長的確定主要取決于需要加固土層的厚度，—般視建筑物的設計要求和工程地質條件而定，應滿足強度和變形要求。而此設計應滿足全部消除液化的要求，京滬高速鐵路DK718+972.05～DK720+077.60段液化土層主要是平均厚度為8.5m的粉土及下面0.5m的飽和軟粘土。按照土層的分布確定，第一層土是8.5m粉土，第二層是軟粘土。持力層為粘土，該深度應?。?～6），所以＝8.5＋4＝8.5＋4×5＝10.5m；樁布置形式：此設計的目的是加固京滬高速鐵路地基，消除其液化。鑒于所加固的是條形地基，采用等邊三角形布樁。處理范圍振動沉管CFG樁用于防止砂土及粉土液化時，每邊處理的寬度不少于液化層厚度的1/2，并不小于5m；當可液化土層上覆非液化土時，每邊放寬不少于處理深度的1/2，并不小于3m；對鐵路、道路路堤應設置到排水溝外緣。對本設計每邊放寬2排樁，即每邊放寬1.2×2＝2.4m。墊層CFG樁施工結束后，樁頂部約0.5～1.0m范圍內，由于該處地基土的上覆壓力小，施工時樁體的密實度很難達到要求，必須進行處理。此設計采用0.6m厚碎石墊層，墊層內鋪設一層土工格柵，土工格柵抗拉強度不小于50KN/m，其作用：因地質資料表明粉土層下面有一層厚約0.5～1