夏梓涵、梁云超

（中國(guó)建筑土木建設(shè)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(lái)解決普遍存在的巖土工程問(wèn)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(shè)。工程師必須在可用的最佳基礎(chǔ)處理方法和特殊基礎(chǔ)處理方法之間進(jìn)行選擇，以使工程結(jié)構(gòu)滿足可接受的技術(shù)要求。力學(xué)特性介于常規(guī)淺地基和深地基之間的CFG(水泥-粉煤灰-礫石)樁復(fù)合地基，是一種樁筏基礎(chǔ)，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(chǔ)設(shè)施。

1 泥炭軟土介紹

泥炭土層通常是指由來(lái)自內(nèi)陸河流湖泊沖積平原及河流沉積區(qū)的石灰?guī)r低丘平原地帶內(nèi)和在石灰?guī)r山谷洞穴地層中偶然挖出來(lái)的泥炭砂質(zhì)土壤，在長(zhǎng)期極端高寒缺氧惡劣地質(zhì)條件情況影響下，大量水生泥炭植物殘?bào)w因?yàn)樯形茨軌蚴艿降叵滤浞秩芙馕?、分解和利用而開(kāi)始迅速形成堆積土壤并逐步形成的泥炭層。當(dāng)上述各種主要土壤組分物中分別同時(shí)含有以上兩種及以上主要土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)，就會(huì)逐漸自然化形成兩個(gè)具有不同土壤性質(zhì)成分的較低有機(jī)質(zhì)土壤。當(dāng)其中一種有機(jī)質(zhì)含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上述某兩個(gè)一定的限度含量時(shí)，就會(huì)逐步自發(fā)地形成一種泥炭土。有機(jī)質(zhì)含量越偏高，對(duì)地基周圍的土壤性能帶來(lái)的直接影響作用便可能越大，主要影響的直接表現(xiàn)形式即為其機(jī)械強(qiáng)度顯著降低、壓縮性能升高，以及其對(duì)周圍土壤的不同物化性質(zhì)工程材料組合中的摻入土元素帶來(lái)的土壤性能變化影響效果的強(qiáng)弱不同。對(duì)入土直接性工程材料組合施工組織技術(shù)方法或?qū)こ痰鼗牧系氖┕ぬ幚矸椒夹g(shù)均有多種可能不利影響。為了消除泥炭土對(duì)工程的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥炭土地基的工程特性和提高軟土地基承載力的方法進(jìn)行了一系列的研究（但對(duì)于提高深厚泥炭土地基的承載力的研究文獻(xiàn)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(jù)和技術(shù)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(jī)質(zhì)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(jiàn)周圍有大量由有機(jī)質(zhì)分解出來(lái)的松散狀植物結(jié)構(gòu)，浸水?dāng)?shù)天后可見(jiàn)植株身體周圍迅速隆起腫脹，易遭有機(jī)物分解，水中偶可見(jiàn)到漂浮水草或周圍有大量塊狀植物殘?jiān)?，干濕縮葉現(xiàn)象明顯。根據(jù)有機(jī)質(zhì)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(qiáng)泥炭土（40%＜Wu≤60%)。根據(jù)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(zhǎng)形成，表層地下水和底層地表水之間又沒(méi)有形成直接的聯(lián)系。由于有這種特殊植物形成的特殊大的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其自身持水的能力特別強(qiáng)。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(zhì)的垂直移動(dòng)交換的速率往往相當(dāng)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(huì)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(dòng)物等的直接作用下分解。在空氣潮濕缺氧的土壤環(huán)境或在地表水環(huán)境里，由于土壤缺氧，好氧微生物的種群數(shù)量減少，使大量死亡植物有機(jī)質(zhì)的吸收分解相對(duì)緩慢，造成有機(jī)物大量積累，形成泥炭，也稱為草碳。在特定自然狀態(tài)環(huán)境下，有機(jī)物質(zhì)自然氧化產(chǎn)生沉淀過(guò)程和其長(zhǎng)期儲(chǔ)存沉淀作用的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于被生物吸收分解的強(qiáng)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(qiáng)度值通常只有約5-30kPa，這通常表明其承載力系數(shù)的最基本極限值已經(jīng)很低，一般也不會(huì)超過(guò)70kPa，有少數(shù)地方甚至只有約20kPa。壓縮強(qiáng)度系數(shù)為大于0.5MPa-1，最大值可為大于45MPa-1，壓縮強(qiáng)度指數(shù)值約為0.35-0.75。規(guī)范附錄中均未直接單獨(dú)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(dú)通過(guò)軟土取樣或剪切試驗(yàn)加以確定。通過(guò)最小壓縮沉降試驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定軟土樣材料的最小沉降，計(jì)算壓縮系數(shù)和最大壓縮沉降模量。通過(guò)最大剪切負(fù)荷試驗(yàn)確定軟土樣材料的最高抗拉剪強(qiáng)度參數(shù)，計(jì)算硬土樣塊的剪切最大承載力。

3 CFG 樁地基技術(shù)的研究現(xiàn)狀

3.1 CFG 樁技術(shù)的基本特性及應(yīng)用原理

CFG 樁是改善土壤變形性質(zhì)和強(qiáng)度等固有特性的深層地基處理技術(shù)。CFG 樁技術(shù)廣泛應(yīng)用于中國(guó)快速發(fā)展的公路項(xiàng)目和高速鐵路路堤。它具有良好的黏結(jié)強(qiáng)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(yīng)用中，主要表現(xiàn)出了如下一些技術(shù)特點(diǎn)。

其一，樁地面管理技術(shù)在實(shí)際施工使用過(guò)程中并沒(méi)有產(chǎn)生多余的噪聲，而且也沒(méi)有特別影響到附近的周邊環(huán)境，在實(shí)際施工過(guò)程中也可以減少因?yàn)樵肼暥斐傻母鞣N施工困難，所以，CFG 樁地面管理技術(shù)能夠被普遍地應(yīng)用于在人流動(dòng)相對(duì)比較大、城市地區(qū)施工相對(duì)稠密的地方。

其二，樁地面處理施工技能在實(shí)際施工過(guò)程中所必須用到的原料也可以直接在施工現(xiàn)場(chǎng)加以使用。原土用作CFG 樁等地基處理施工技術(shù)應(yīng)用中的重要原料，可以有效地減少原料的運(yùn)輸成本，進(jìn)而減少整個(gè)基礎(chǔ)建造項(xiàng)目的生產(chǎn)成本。

其三，樁地基處理施工技術(shù)在實(shí)際施工使用過(guò)程中可以充分發(fā)揮出其靈活性特征，在一定程度上可以根據(jù)地方用地基地性質(zhì)特征進(jìn)行不同的工程設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)使用各種形式的加固方式，使得CFG 樁地基處理施工技術(shù)可以更良好地滿足現(xiàn)階段的實(shí)際施工建設(shè)環(huán)境，進(jìn)而從根本上提升了項(xiàng)目的總體質(zhì)量和建設(shè)效果。

在現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的工程實(shí)踐項(xiàng)目中，CFG 樁的地面處理施工技術(shù)作為樁基礎(chǔ)施工技術(shù)中的重要一員，其還能在原來(lái)的基礎(chǔ)上繼續(xù)完善和調(diào)節(jié)碎石樁的剛性結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，這也體現(xiàn)側(cè)阻特征時(shí)還可能進(jìn)一步提高樁體結(jié)構(gòu)的側(cè)阻強(qiáng)度。而CFG 樁地面處理施工技術(shù)在實(shí)際使用的過(guò)程中，由于瓦礫會(huì)構(gòu)成樁體結(jié)構(gòu)的骨架，而碎巖屑就是次龍骨，并進(jìn)入到瓦礫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與樁結(jié)構(gòu)之間的孔隙中還會(huì)有相當(dāng)厚度的褥墊排水層，并與其一起構(gòu)成了復(fù)合地基。同時(shí)，還能夠充分發(fā)揮起必要的襯墊層的功能，也正因如此，樁基礎(chǔ)的支承重量得以很大限度的增加，以便更加適應(yīng)結(jié)構(gòu)承受的具體要求。

3.2 CFG 樁復(fù)合地基負(fù)摩阻力的研究

CFG 樁復(fù)合地基的負(fù)摩阻力與樁基的負(fù)摩阻力概念不同。就復(fù)合樁基礎(chǔ)特性而言，負(fù)摩阻力主要對(duì)復(fù)合樁基礎(chǔ)有不利的影響，而負(fù)摩阻力只對(duì)CFG 樁的復(fù)合樁地基特性具有負(fù)效應(yīng)力和正效應(yīng)力。負(fù)摩阻力雖然可以明顯阻止樁土結(jié)構(gòu)的縱向沉降，提高了樁土承載力，但因?yàn)樨?fù)摩阻力可能會(huì)大幅降低CFG 樁本身的結(jié)構(gòu)承載力，因此有些CFG 樁也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生較大程度的豎向彎曲變形。CFG 樁復(fù)合地基結(jié)構(gòu)常易出現(xiàn)負(fù)摩阻力。樁模量大小對(duì)其負(fù)摩阻力作用的最終產(chǎn)生方向和持續(xù)時(shí)間大小一般沒(méi)有造成顯著影響。研究學(xué)者推導(dǎo)了負(fù)摩阻力的計(jì)算公式，并給出了緩解負(fù)摩阻力影響的措施。并且簡(jiǎn)化計(jì)算了三個(gè)階段的復(fù)合地基負(fù)摩阻力系數(shù)的計(jì)算過(guò)程，并同時(shí)通過(guò)線彈性模型推導(dǎo)給出了計(jì)算負(fù)摩阻力長(zhǎng)度公式和計(jì)算負(fù)摩阻力區(qū)樁面間填土壓力與樁身的相對(duì)重力沉降比值的計(jì)算公式。因此，負(fù)摩阻力的大小會(huì)直接反映出來(lái)。

3.3 CFG 樁復(fù)合地基有限元分析研究現(xiàn)狀

有限元法是一種強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算方法?？紤]土體非線性、土的不均勻性、各向異性、固結(jié)和蠕變等因素，可以同時(shí)考慮影響樁性能的諸多因素。復(fù)合地基的有限元分析主要有以下兩種方法。一是單獨(dú)分析法：按增強(qiáng)土體+界面單元+土壤單元進(jìn)行計(jì)算；二是復(fù)合模量法：按加筋復(fù)合土單元+土單元進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)國(guó)內(nèi)亦陸續(xù)有研究文獻(xiàn)指出利用ANSYS 理論方法對(duì)我國(guó)CFG 樁復(fù)合地基體系中的承載及結(jié)構(gòu)特性影響等指標(biāo)做了相關(guān)實(shí)證對(duì)比研究，分析計(jì)算得出了影響整個(gè)CFG 樁復(fù)合地基體系中承載的樁土應(yīng)力比，認(rèn)為我國(guó)CFG 樁側(cè)摩阻力分布的垂直方向傳播分布特征應(yīng)該是比較明顯的，這也許是造成我國(guó)樁側(cè)土應(yīng)力下沉分布這一主要特征的重要原因所在；而CFG 樁基礎(chǔ)中的應(yīng)力比和應(yīng)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(jié)構(gòu)受力的特性。在預(yù)應(yīng)力混凝土路堤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工及養(yǎng)護(hù)使用過(guò)程中，CFG 樁基礎(chǔ)始終是獨(dú)立承擔(dān)著大部分基礎(chǔ)工程荷載，樁體中承載的工程載荷則是逐漸多地開(kāi)始被轉(zhuǎn)移并且分散到樁體內(nèi)的間墊土基礎(chǔ)部分中共同承受；同時(shí)樁土應(yīng)力占比系數(shù)又隨著預(yù)應(yīng)力混凝土路堤荷載系數(shù)的進(jìn)一步增加而得以繼續(xù)穩(wěn)定增大，最終其狀態(tài)逐步趨于相對(duì)穩(wěn)定。研究工作小組學(xué)者們還充分利用改進(jìn)了的ANSYS 模型系統(tǒng)，對(duì)CFG 樁復(fù)合地基系統(tǒng)的三維模型設(shè)計(jì)中考慮的各種巖土力學(xué)特性也都重新做了全面詳細(xì)的研究分析，還同時(shí)對(duì)其樁長(zhǎng)度比和樁間距也分別進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前有限元模型存在很多問(wèn)題：該模型過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)法反映巖土工程中的主要問(wèn)題；大多數(shù)模型是二維的，不能模擬復(fù)合地基的樁群效應(yīng)，不能得到任意深度樁和土的截面的應(yīng)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(guò)程始于選擇可接受的施工技術(shù)和符合現(xiàn)場(chǎng)條件的施工順序。CFG 樁常見(jiàn)的施工方法有振動(dòng)沉管式CFG 樁施工和長(zhǎng)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(jī)械技術(shù)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(xiàn)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(yán)格的污染控制），打樁順序?yàn)檫B續(xù)或交替（間隔跳躍）。

4 CFG 樁地基施工

4.1 施工技術(shù)

CFG 樁地基處理選擇的第一種方案是采用振動(dòng)沉管式CFG 樁施工技術(shù)。對(duì)于黏性土、粉土和填土地質(zhì)條件，該技術(shù)非常適用。它同時(shí)具有工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)比較低、樁頭間填土和擠密結(jié)合效果較為明顯、有效地降低了地基應(yīng)力液化系數(shù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，但同樣該技術(shù)也存在許多缺點(diǎn)：對(duì)于硬土，沉管式打樁機(jī)很難正常通過(guò)；在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲污染；效率低；事故率高等。

長(zhǎng)螺旋鉆孔泵靜壓法CFG 樁施工技術(shù)，是基于振動(dòng)沉管式CFG 樁施工技術(shù)的缺陷，分析研究出來(lái)的，對(duì)于在地下水位以下的黏性土、粉土和填土層，宜優(yōu)先采用長(zhǎng)螺旋鉆孔泵靜壓法施工。其具有較為明顯的工藝優(yōu)勢(shì)：無(wú)任何噪聲振動(dòng)和泥漿的污染，也基本不會(huì)直接產(chǎn)生振動(dòng)，且成樁孔的穿透力比較強(qiáng)，施工的效率高。

除了上述兩種最為常見(jiàn)的CFG 樁施工技術(shù)外，CFG 樁基現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)要求和配套設(shè)備條件采用以下兩種技術(shù)。

一是對(duì)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(jī)械洛陽(yáng)鏟成孔，人工清底鋼筋混凝土灌注樁技術(shù)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(dòng)性指數(shù)較低，或現(xiàn)場(chǎng)需要嚴(yán)格控制噪聲污染，適合采用泥漿支撐鉆孔灌注樁技術(shù)施工。在實(shí)際施工中，不僅可以使用一種施工技術(shù)，還可以根據(jù)實(shí)際情況綜合使用兩種或兩種以上的施工技術(shù)。

4.2 取土和CFG 樁頂?shù)奶幚?/h3>

施工工藝不同，清除的土壤量也不同。就長(zhǎng)螺旋鉆孔泵靜壓法CFG 樁施工技術(shù)而言，鉆孔棄土的收集和覆蓋物的收集是主要內(nèi)容。取土必須及時(shí)，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(jī)器取土可用于更大的工作量。

CFG 樁頂?shù)奶幚矸椒ㄊ?，在設(shè)計(jì)標(biāo)高以上采用截樁機(jī)截?cái)郈FG 樁頂，然后用鋼釬、手錘將樁頂從四周向中間修平至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高（允許偏差0～20mm）。

4.3 鋪設(shè)墊層

在鋪設(shè)墊層步驟中，最好不要用卵石作墊層材料，因?yàn)槁咽囊Ш狭懿睿菀自斐蓧|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(shè)計(jì)確定，但一般在10～30cm之間。在施工過(guò)程中，首先鋪至大于設(shè)計(jì)厚度，然后使用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)力壓實(shí)至設(shè)計(jì)厚度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了泥炭質(zhì)軟土層與普通土層的區(qū)別，并且分析了傳統(tǒng)樁基技術(shù)以及CFG 樁地基處理技術(shù)的應(yīng)用。CFG 樁復(fù)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(yīng)用于建筑、公路、鐵路、橋梁過(guò)渡段。期望本文的研究可以為推動(dòng)道路建設(shè)作出貢獻(xiàn)。