CFG樁在橋頭段的設計應用

程生平

〔中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000〕

0 引言

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁（Cement Flying-ash Gravel pile）的簡稱。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和后形成的高粘結強度的樁，與樁間土、褥墊層一起形成的復合地基。由于CFG樁復合地基可以通過調整樁長、樁距、褥墊層厚度以及狀體材料的配合比達到地基加固所需要的強度，并且具有承載力高，變形小、施工簡單、造價適中等特點，同時CFG樁既能最大限度地發揮樁體本身的支撐能力又可發揮天然地基承載力的作用，加大樁間距，有效降低工程造價。根據最近幾年的使用情況，CFG樁的成功應用實例越來越多，尤其適合應用在高含水量、高壓縮性、高靈敏度、滲透性小、抗剪強度低的深厚軟弱地基，以及對沉降控制要求較高、工期受限的特殊路段。

本文以工程實例介紹CFG樁在深層軟弱地基處理中橋頭段的設計應用。

1 工程概況

某工程是廣東某城市規劃路網中縱向主干路中的一條，呈南北向布置，是連接城市繞城路的出入境道路。

規劃道路等級為城市主干道（I級）、設計車速60km/h、紅線寬度45m、雙向6車道。

道路場地位處珠江三角洲沖積平原，屬河口三角洲堆積地貌。場地巖土層按地質成因分為第四系填土、沖積土及白堊系基巖，地層自上而下為填土層、淤泥層、淤泥質粉砂層、粉質粘土層、淤泥質土、粉細砂層、中砂層及基巖。道路全線均為軟弱地基，軟弱層的厚度介于25～35m。地層總體為高含水量、高壓縮性、高靈敏度、大深度且軟弱層呈夾層分布。

道路沿線場地為魚塘、河涌及農田。

地下水位穩定水位埋藏深度為1.60～2.50m，地下水位線較平緩，地下水位受地表補給及潮水位影響較大；地下水類型為孔隙潛水，主要賦存于沖積砂層中，補給、排泄以水平向滲流為主，具微承壓性，地下水對混凝土結構具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋具弱腐蝕性。橋頭處鉆孔揭露地層情況及物理力學指標見表1。

2 地基處理方案比選

對于一般路段軟弱地基在進行地基處理時綜合考慮地基處理可靠性、工程造價、施工條件及工期（2a）等多個因素，確定采用排水固結法：塑料排水板＋砂墊層＋超載預壓。對于橋頭段，受工后沉降要求和工期的限制，排水固結法無法滿足規范要求，需采用復合地基法進行處理。

根據地層物理力學指標，天然地基承載力為70k Pa，橋頭處軟弱層總厚度達32 m，橋臺臺后填土4.0m左右，地基承載力和工后沉降均不滿足規范要求，必須進行地基處理。結合類似工程經驗，可選用的處理方案有：預制管樁、水泥攪拌樁、CFG樁。

（1）預制管樁：采用預制管樁處理深層軟弱地基是可靠、有效的措施，處理深度可達35m左右。通過靜壓將預制管樁打穿軟弱層，在樁頂設置托板、鋼塑格柵和褥墊層，形成復合地基，具有承載力高、變形小、施工速度快、工期短等優點，但造價較高是工程應用中使用較少的主要原因。針對于本工程橋頭處理是一種可靠有效的處理措施，但也是擬選措施種造價最高的一種。

（2）水泥攪拌樁：以水泥漿液或水泥粉通過深層攪拌樁機攪拌后改良、加固土體的有效措施，實際應用較廣，在當地具有成熟的施工經驗、眾多的成功實例。根據當地的實際施工情況和類似工程的檢測結果，樁長在1 5m以內時質量較好，大于15m的樁體成樁性較差；對于地層中有機質含量較高（大于5%）或有貝殼夾層的地層成樁性較差。對于橋頭段采用該處理措施，擬定樁長為15m，經計算后工后沉降大于10cm，不滿足要求。

（3）CFG樁：即水泥粉煤灰碎石樁，樁體強度一般按C10混凝土做配合比，具有承載力高、變形小、施工速度快、造價適中的優點，樁土應力比較預制管樁樁土應力比小，對褥墊層的要求相對較低。復合地基承載力可以提高到天然地基承載力的2～3倍。結合類似工程的實踐經驗，擬定樁徑0.4m、樁距1.6m、樁長20m、樁頂設置50cm褥墊層，經計算后可以滿足要求。

不同處理措施造價對比見表2。

表2 不同處理措施造價對比表

綜合以上論述，結合施工條件、工期、造價等多方面因素比較，選定橋頭段路基處理措施為CFG樁；結合施工具體情況，CFG樁施工時會引起超靜空隙水壓力、樁體的置換、擠密作用使地面隆起，為加速排水增設塑料排水板作為豎向排水通道；故確定橋頭段處理措施為：CFG樁＋塑料排水板（排水通道）＋砂墊層。

3 CFG樁設計

3.1 CFG樁加固機理

CFG樁即水泥粉煤灰碎石樁，它是由水泥、粉煤灰、碎石或石屑加水拌和后形成的高粘結強度的樁體，與樁間土、褥墊層形成復合地基，樁體復合地基通過褥墊層與基礎連接，樁間土與樁體共同參與工作；由于樁體強度和模量比樁間土大，在荷載作用下樁體應力比樁間土應力大，通過樁體將荷載向深層傳遞，減少樁間土承擔的荷載，使復合地基承載力提高，變形減小。

通過在樁頂設置褥墊層，樁體與樁間土形成復合地基，荷載通過褥墊層傳遞到樁體和地基土體，使樁體和土體共同承擔荷載。

3.2 CFG樁設計

（1）樁徑：根據施工經驗和當地的施工設備，施工套管的直徑多為377mm，故取樁徑d＝0.4m。

（2）樁長：依據地質鉆孔，若打穿淤泥層則樁體長度約33m，依CFG樁理論長度完全可以滿足；結合當地的施工經驗和設備，參照檢測結果，CFG樁的有效長度為22m左右，故樁體將為“浮樁”，通過計算樁體以下的下臥層變形、總沉降量和工后沉降，在滿足規范要求的情況下確定樁長L＝20m，按“浮樁”進行下臥層驗算。

（3）樁距：CFG樁間距 S一般為 3～6d，綜合考慮承載力要求、地質情況、地下水等多方面的因素，擬定樁間距S＝1.6m。

（4）樁體布置形式：常規的樁體布置方式有正三角形和正方形，大樁間距常用正三角形布置，小樁間距采用正方形布置，考慮到施工定位的因素，確定采用正方形布置。

故等效影響圓直徑de＝1.13S，由此計算確定置換率m＝d2/de2=0.049。

（5）單樁承載力標準值Rk（k N）計算：

a.按樁周側摩阻力計算：

Rk=(Up∑qsikhi+qpkAp)/K （1）式中：Up——樁周長；

qsik——第i層土層極限側摩阻力標準值；hi——第i層土層厚度；

qpk——極限端阻力標準值；Ap——樁斷面面積；

K——安全系數，取2.0。按式（1）計算結果 Rk＝3 1 5.8 6k N。

b.按樁身強度計算

Rk=ηδAp（2）

由標準養護條件下90d齡期下無側限抗壓強度10M Pa，強度折減系數取η=0.3，單樁截面積 Ap=0.1256m2，計算結果 Rk＝376.9 9k N。

有上述二式計算CFG單樁承載力標準值為Rk＝315.86k N。

（6）CFG樁復合地基承載力標準值計算：fsp,k=m Rk/Ap+αβ(1-m)fsk（3）

式中：fsp,k——復合地基承載力標準值；

m——面積置換率；

Rk——單樁承載力標準值；

Ap——樁斷面面積；

α——樁間土強度提高系數，取1.0；

β——樁間土強度發揮系數，取0.9；

fsk——加固后樁間土承載力標準值。按式（3）計算CFG復合地基承載力標準值為fsk＝183.08k P a。

3.3 沉降計算

由于本次設計的CFG樁樁長按“有效樁長”20m確定，未打穿淤泥層而形成“浮樁”，工后沉降是否滿足規范要求是本次設計的主要控制指標；采用理正軟件進行沉降計算，總沉降量S＝0.5 3 3m，施工期沉降0.474m，工后殘余沉降0.059m，滿足規范要求值（臺后路堤工后沉降不大于0.1m）。

4 CFG樁的施工及質量控制

4.1 施工順序

橋頭段處理措施為：CFG樁＋塑料排水板（排水通道）＋砂墊層，施工工序為：整平工作面－鋪設下層砂墊層－施工塑料排水板－施工CFG樁（打樁順序為間隔跳打）－鋪設上層砂墊層－復合地基檢測－路基施工。

4.2 材料質量要求

（1）塑料排水板：B型(帶鋼絲可測長度)，性能指標見表3。

表3 B型塑料排水板性能指標表

（2）砂墊層：潔凈中粗砂，含泥量不大于5%。

（3）CFG樁(水泥：碎石：砂：粉煤灰 =1∶6.4∶3.3∶0.9)：

水泥：P.O42.5硅酸鹽水泥；碎石：粒徑不大于4c m，壓碎值不大于3 0%；粉煤灰：燒矢量不大于2 0%，比表面積不小于2500m2/g。

4.3 質量檢測

塑料排水板檢測見表4。

表4 塑料排水板施工檢查項目及質量標準

CFG樁體檢測見表5。

表5 CFG樁施工檢查項目及質量標準

5 結語

（1）CFG樁比較適合于加固深層軟弱地基，可以有效的提高地基承載力、減少地基變形、工后沉降小，且工程造價具有明顯的優勢。

（2）對深層軟弱地基類似于橋頭段填土高、工后沉降要求高、工期受限的路段采用CFG樁進行地基處理是一種可行、有效、經濟的措施。