泥炭質軟土路基CFG樁地基處理技術分析

夏梓涵、梁云超

（中國建筑土木建設有限公司，北京100070）

0 引言

不斷增加的人地矛盾促使人們尋求可能的替代方案來解決普遍存在的巖土工程問題，其中值得注意的方案是改善惡劣的地面條件以使其適合建設。工程師必須在可用的最佳基礎處理方法和特殊基礎處理方法之間進行選擇，以使工程結構滿足可接受的技術要求。力學特性介于常規淺地基和深地基之間的CFG(水泥-粉煤灰-礫石)樁復合地基，是一種樁筏基礎，幾乎可以滿足各種軟弱土的性能要求，可以支撐高層建筑物和其他基礎設施。

1 泥炭軟土介紹

泥炭土層通常是指由來自內陸河流湖泊沖積平原及河流沉積區的石灰巖低丘平原地帶內和在石灰巖山谷洞穴地層中偶然挖出來的泥炭砂質土壤，在長期極端高寒缺氧惡劣地質條件情況影響下，大量水生泥炭植物殘體因為尚未能夠受到地下水充分溶解吸收、分解和利用而開始迅速形成堆積土壤并逐步形成的泥炭層。當上述各種主要土壤組分物中分別同時含有以上兩種及以上主要土壤有機質時，就會逐漸自然化形成兩個具有不同土壤性質成分的較低有機質土壤。當其中一種有機質含量均遠遠超過上述某兩個一定的限度含量時，就會逐步自發地形成一種泥炭土。有機質含量越偏高，對地基周圍的土壤性能帶來的直接影響作用便可能越大，主要影響的直接表現形式即為其機械強度顯著降低、壓縮性能升高，以及其對周圍土壤的不同物化性質工程材料組合中的摻入土元素帶來的土壤性能變化影響效果的強弱不同。對入土直接性工程材料組合施工組織技術方法或對工程地基材料的施工處理方法技術均有多種可能不利影響。為了消除泥炭土對工程的影響，國內外學者對泥炭土地基的工程特性和提高軟土地基承載力的方法進行了一系列的研究（但對于提高深厚泥炭土地基的承載力的研究文獻甚少），為泥炭地基上的橋梁施工、道路施工和房屋施工提供理論依據和技術支持。

2 泥炭土的類型及工程特性

2.1 泥炭土的類型

泥炭土的有機質含量Wu 一般在10%～60%之間，顏色呈淺暗棕灰色或微暗黑色，有淡微魚腥味，可見周圍有大量由有機質分解出來的松散狀植物結構，浸水數天后可見植株身體周圍迅速隆起腫脹，易遭有機物分解，水中偶可見到漂浮水草或周圍有大量塊狀植物殘渣，干濕縮葉現象明顯。根據有機質含量Wu 可分為三類：弱泥炭土（10%＜Wu≤25%)，中等泥炭土（25%＜Wu≤40%）和強泥炭土（40%＜Wu≤60%)。根據沼澤泥炭地形育成水條件類型的不同，可大體分為苔蘚泥炭地和沼澤泥炭地。苔蘚泥炭地表層僅主要由利用雨水直接灌溉表層的苔蘚植物生長形成，表層地下水和底層地表水之間又沒有形成直接的聯系。由于有這種特殊植物形成的特殊大的細胞結構，其自身持水的能力特別強。因此，在大降雨期間，由于苔蘚植物自身特殊大的持水能力，泥炭表層地下水平均水位可以迅速提高至其頂部或以下幾厘米。苔蘚泥炭體中的水分物質的垂直移動交換的速率往往相當緩慢。雨水從苔蘚泥炭體表面慢慢滲透到苔蘚泥炭體底部通常都需要一天半左右，也可能會需要幾周左右。植物根系死亡脫落后，在一些微生物和其他土壤動物等的直接作用下分解。在空氣潮濕缺氧的土壤環境或在地表水環境里，由于土壤缺氧，好氧微生物的種群數量減少，使大量死亡植物有機質的吸收分解相對緩慢，造成有機物大量積累，形成泥炭，也稱為草碳。在特定自然狀態環境下，有機物質自然氧化產生沉淀過程和其長期儲存沉淀作用的強度遠大于被生物吸收分解的強度，積累形成的泥炭沉積物通常被稱為泥炭沼澤土地或泥炭地。

2.2 泥炭土的工程特性

泥炭土的不排水強度值通常只有約5-30kPa，這通常表明其承載力系數的最基本極限值已經很低，一般也不會超過70kPa，有少數地方甚至只有約20kPa。壓縮強度系數為大于0.5MPa-1，最大值可為大于45MPa-1，壓縮強度指數值約為0.35-0.75。規范附錄中均未直接單獨明確列出泥炭土樣品的最小壓縮模量值，其值通常只能單獨通過軟土取樣或剪切試驗加以確定。通過最小壓縮沉降試驗準確測定軟土樣材料的最小沉降，計算壓縮系數和最大壓縮沉降模量。通過最大剪切負荷試驗確定軟土樣材料的最高抗拉剪強度參數，計算硬土樣塊的剪切最大承載力。

3 CFG 樁地基技術的研究現狀

3.1 CFG 樁技術的基本特性及應用原理

CFG 樁是改善土壤變形性質和強度等固有特性的深層地基處理技術。CFG 樁技術廣泛應用于中國快速發展的公路項目和高速鐵路路堤。它具有良好的黏結強度，由水泥、粉煤灰、石屑、礫石、砂與適量水拌和形成。CFG 樁在工程的應用中，主要表現出了如下一些技術特點。

其一，樁地面管理技術在實際施工使用過程中并沒有產生多余的噪聲，而且也沒有特別影響到附近的周邊環境，在實際施工過程中也可以減少因為噪聲而造成的各種施工困難，所以，CFG 樁地面管理技術能夠被普遍地應用于在人流動相對比較大、城市地區施工相對稠密的地方。

其二，樁地面處理施工技能在實際施工過程中所必須用到的原料也可以直接在施工現場加以使用。原土用作CFG 樁等地基處理施工技術應用中的重要原料，可以有效地減少原料的運輸成本，進而減少整個基礎建造項目的生產成本。

其三，樁地基處理施工技術在實際施工使用過程中可以充分發揮出其靈活性特征，在一定程度上可以根據地方用地基地性質特征進行不同的工程設計，同時通過使用各種形式的加固方式，使得CFG 樁地基處理施工技術可以更良好地滿足現階段的實際施工建設環境，進而從根本上提升了項目的總體質量和建設效果。

在現階段國內的工程實踐項目中，CFG 樁的地面處理施工技術作為樁基礎施工技術中的重要一員，其還能在原來的基礎上繼續完善和調節碎石樁的剛性結構和特點，這也體現側阻特征時還可能進一步提高樁體結構的側阻強度。而CFG 樁地面處理施工技術在實際使用的過程中，由于瓦礫會構成樁體結構的骨架，而碎巖屑就是次龍骨，并進入到瓦礫結構中的孔隙里。因此粉煤灰混凝土施工的使用就能有效代替部分鋼筋混凝土施工，從而減少了砂漿熱化損失。此外，在樁間混凝土結構與樁結構之間的孔隙中還會有相當厚度的褥墊排水層，并與其一起構成了復合地基。同時，還能夠充分發揮起必要的襯墊層的功能，也正因如此，樁基礎的支承重量得以很大限度的增加，以便更加適應結構承受的具體要求。

3.2 CFG 樁復合地基負摩阻力的研究

CFG 樁復合地基的負摩阻力與樁基的負摩阻力概念不同。就復合樁基礎特性而言，負摩阻力主要對復合樁基礎有不利的影響，而負摩阻力只對CFG 樁的復合樁地基特性具有負效應力和正效應力。負摩阻力雖然可以明顯阻止樁土結構的縱向沉降，提高了樁土承載力，但因為負摩阻力可能會大幅降低CFG 樁本身的結構承載力，因此有些CFG 樁也會同時產生較大程度的豎向彎曲變形。CFG 樁復合地基結構常易出現負摩阻力。樁模量大小對其負摩阻力作用的最終產生方向和持續時間大小一般沒有造成顯著影響。研究學者推導了負摩阻力的計算公式，并給出了緩解負摩阻力影響的措施。并且簡化計算了三個階段的復合地基負摩阻力系數的計算過程，并同時通過線彈性模型推導給出了計算負摩阻力長度公式和計算負摩阻力區樁面間填土壓力與樁身的相對重力沉降比值的計算公式。因此，負摩阻力的大小會直接反映出來。

3.3 CFG 樁復合地基有限元分析研究現狀

有限元法是一種強大的數值計算方法。考慮土體非線性、土的不均勻性、各向異性、固結和蠕變等因素，可以同時考慮影響樁性能的諸多因素。復合地基的有限元分析主要有以下兩種方法。一是單獨分析法：按增強土體+界面單元+土壤單元進行計算；二是復合模量法：按加筋復合土單元+土單元進行計算。同時國內亦陸續有研究文獻指出利用ANSYS 理論方法對我國CFG 樁復合地基體系中的承載及結構特性影響等指標做了相關實證對比研究，分析計算得出了影響整個CFG 樁復合地基體系中承載的樁土應力比，認為我國CFG 樁側摩阻力分布的垂直方向傳播分布特征應該是比較明顯的，這也許是造成我國樁側土應力下沉分布這一主要特征的重要原因所在；而CFG 樁基礎中的應力比和應力位移分布等特征則從整體理論意義上充分反映了摩擦樁結構受力的特性。在預應力混凝土路堤結構基礎施工及養護使用過程中，CFG 樁基礎始終是獨立承擔著大部分基礎工程荷載，樁體中承載的工程載荷則是逐漸多地開始被轉移并且分散到樁體內的間墊土基礎部分中共同承受；同時樁土應力占比系數又隨著預應力混凝土路堤荷載系數的進一步增加而得以繼續穩定增大，最終其狀態逐步趨于相對穩定。研究工作小組學者們還充分利用改進了的ANSYS 模型系統，對CFG 樁復合地基系統的三維模型設計中考慮的各種巖土力學特性也都重新做了全面詳細的研究分析，還同時對其樁長度比和樁間距也分別進行了進一步的優化設計。目前有限元模型存在很多問題：該模型過于簡單，無法反映巖土工程中的主要問題；大多數模型是二維的，不能模擬復合地基的樁群效應，不能得到任意深度樁和土的截面的應力圖；在模型分析中不考慮地下水等。

3.4 施工方法模型

CFG 樁地基施工過程始于選擇可接受的施工技術和符合現場條件的施工順序。CFG 樁常見的施工方法有振動沉管式CFG 樁施工和長螺旋鉆孔泵靜壓法CFG 樁施工。在CFG 樁鉆孔灌注期間，必須限制樁間土壤干擾、噪聲和灰塵污染。目前機械技術通常以垂直沉管（在淤泥和黏性土壤中）或延伸螺旋鉆孔的形式使用。灌注現澆CFG 樁（在地下水位以上的黏土、淤泥和密中砂中）或泵送混凝土（用于嚴格的污染控制），打樁順序為連續或交替（間隔跳躍）。

4 CFG 樁地基施工

4.1 施工技術

CFG 樁地基處理選擇的第一種方案是采用振動沉管式CFG 樁施工技術。對于黏性土、粉土和填土地質條件，該技術非常適用。它同時具有工程結構簡單、造價比較低、樁頭間填土和擠密結合效果較為明顯、有效地降低了地基應力液化系數等一系列優點，但同樣該技術也存在許多缺點：對于硬土，沉管式打樁機很難正常通過；在施工過程中會產生較大的振動和噪聲污染；效率低；事故率高等。

長螺旋鉆孔泵靜壓法CFG 樁施工技術，是基于振動沉管式CFG 樁施工技術的缺陷，分析研究出來的，對于在地下水位以下的黏性土、粉土和填土層，宜優先采用長螺旋鉆孔泵靜壓法施工。其具有較為明顯的工藝優勢：無任何噪聲振動和泥漿的污染，也基本不會直接產生振動，且成樁孔的穿透力比較強，施工的效率高。

除了上述兩種最為常見的CFG 樁施工技術外，CFG 樁基現場施工時也可根據現場基礎要求和配套設備條件采用以下兩種技術。

一是對于在地下水位以上，但比較深的深層黏性土、粉土和填土層，宜采用機械洛陽鏟成孔，人工清底鋼筋混凝土灌注樁技術施工。

二是樁端持力層具有較高的承壓水頭，含有較厚的礫石、砂、黏土層和飽和軟黏土，孔隙比小，流動性指數較低，或現場需要嚴格控制噪聲污染，適合采用泥漿支撐鉆孔灌注樁技術施工。在實際施工中，不僅可以使用一種施工技術，還可以根據實際情況綜合使用兩種或兩種以上的施工技術。

4.2 取土和CFG 樁頂的處理

施工工藝不同，清除的土壤量也不同。就長螺旋鉆孔泵靜壓法CFG 樁施工技術而言，鉆孔棄土的收集和覆蓋物的收集是主要內容。取土必須及時，這樣才能降低取土難度，提高施工效率。人工取土在工程中被廣泛采用，機器取土可用于更大的工作量。

CFG 樁頂的處理方法是，在設計標高以上采用截樁機截斷CFG 樁頂，然后用鋼釬、手錘將樁頂從四周向中間修平至樁頂設計標高（允許偏差0～20mm）。

4.3 鋪設墊層

在鋪設墊層步驟中，最好不要用卵石作墊層材料，因為卵石的咬合力很差，容易造成墊層厚度不一致。墊層材料一般選用粒徑8～20mm 的粗砂、中砂或礫石。鋪層厚度由設計確定，但一般在10～30cm之間。在施工過程中，首先鋪至大于設計厚度，然后使用靜態或動態力壓實至設計厚度。

5 結語

本文主要介紹了泥炭質軟土層與普通土層的區別，并且分析了傳統樁基技術以及CFG 樁地基處理技術的應用。CFG 樁復合地基體系由于其在軟土地基處理中的工程特性，已被廣泛應用于建筑、公路、鐵路、橋梁過渡段。期望本文的研究可以為推動道路建設作出貢獻。