CFG桩复合地基褥垫层在泗阳站建设中的应用研究

 韩宏举  韩业明  李继生

 （1．江苏省南水北调泗阳站工程建设处，江苏泗阳  223700：2．江苏省骆运水利工程管理处，江苏宿迁223800：3．上海勘测设计研究院，上海200434）

【摘  要】  本文详细介绍了南水北调东线一期工程泗阳站设计采用CFC桩法加固软弱地层形成复合地基方案的确定，并针对泵站地基基础的防渗要求，专题试验研究褥垫层施工方案。施工中改用桩顶放置水泥土、桩间保留原状土的复合褥垫层替代建筑地基处理技术规范中规定的砂石材料褥垫层，既满足了泵房地基防渗要求，又符合有效传递上部荷载，控制桩、土的承载比例，充分发挥了复合地基承载作用的要求。CFG桩复合地基技术在泗阳站工程中的改良应用，为类似水利工程建设提供了一个成功的范例。

【关键词】  泵站；CFG桩；褥垫层；承载力试验；应用研究

中图分类号：TV223 文献标志码：A 文章编号：1005-4774( 2016) 01-0008-04

 近年来，水泥、粉煤灰、碎石桩（简称CFG桩）作为一种适合特殊地基的地基处理技术，被广泛应用于工业与民用建筑领域加固软弱地基，这种新方法在南水北调东线一期工程泗阳站建设中也得到了应用。CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高黏结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基，共同承担上部结构荷载，通过褥垫层与基础连接，褥垫层是构成CFG桩复合地基的重要组成部分。因泵站属于挡水水工建筑物，对地基基础有防渗要求，不宜采用《建筑地基基础设计规范》和《建筑地基处理技术规范》中规定的砂石材料褥垫层，为此对泗阳站地基有防渗要求的褥垫层进行了专项试验和应用研究。

1工程概况

 南水北调泗阳站，位于江苏省泗阳县县城东南的中运河输水线上，设计扬程6，30m，调水规模164m3／s，安装叶轮直径3. lOm的立式全调节轴流泵6台套（含1台备机），单机流量33m3/s，总装机流量l98m3/S；配3000kW/lOkV同步电机，总装机容量18000 kW。工程等别为I等，泵站规模为大(1)型，为集调水、防洪、排涝、发电为一体的控制性工程。泵站采用堤身式块基型结构、肘形进水流道、虹吸式出水流道、真空破坏阀断流，6台机组分三机一联两块底板布置，站身单块底板36000mm（顺水流向）x28200mm（垂直水流向）；底板顺水流向轮廓为中段水平、两端上翘的折线形，底面下游前趾端高程为1. 65m，上游前趾端高程为1.72m，中部水平段高程为-0.25m。经计算：站身平均地基反力为220kPa，地基允许承载力不小于230kPa；泵站最大沉降量为198mm。

2  泵站地基处理方案的确定

2.1地质勘测资料

 拟建泵站区域的土层地质勘测报告揭示：⑥层（高程4. 30~9.50m至1.30~7.70m），重粉质沙壤土、轻粉质壤土，局部夹淤泥质黏土薄层。⑦层（高程1. 30~7. 70m至1.20~6.80m），粉质黏土、黏土夹沙壤土薄层，局部淤泥质。⑦'层(高程1. 20~6.80m至-0.50~1. 70m)，黏土，粉质黏土，局部为砂质黏土，含铁锰质结核，偶含沙姜；地基土的允许承载力为190kPa：该层土具有微膨胀性，膨胀潜势为弱中。⑧层(高程-0.5~1.70m至-3. 30~-0.20n），重、中粉质壤土夹沙壤土薄层；地基允许承载力为180kPa。⑨层（高程-3. 30~-0.20m至-3.90~0.OOm）,粉、细沙，局部沙壤土、壤土；地基允许承载力为200kPa。⑨'层（高程-3.30~-0.20m至-3.50~-1. 90m），粉质黏土、重粉质黏土夹细沙，轻粉质壤土薄层；地基允许承载力为90kPa。⑩层（高程-3.50~-1.90m至-18. 00~-16. 40m），粉质黏土，含铁锰质结核及少量砾、沙姜，局部沙姜较多；地基土的允许承载力为300kPa。

2.2地质勘测资料分析

 据勘测资料可知：泵房底板大部分坐落在具有微膨胀性的⑦层粉质黏土底部，局部坐落在⑧层粉质壤土夹沙壤土上部，⑦层地基允许承载力为190kPa，⑧层地基允许承载力为180kPa。因天然地基允许承载力不满足泵站承载要求，且沉降量较大，必须采取一定的措施，其中之一就是对泵房地基进行处理加固：传统的钻孔灌注桩地基处理，要求提供100%的垂直承载力和水平承载力，而CFG桩法只要提供50%的垂直承载力；CFG桩主要由碎石、沙、粉煤灰，与适量水泥和水拌制而成，是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型，在CFG桩桩体与桩间土体共同作用下，通过褥垫层形成CFG桩复合地基，加固处理后，地基承载力可达到200kPa以上。经过比选，新建泗阳站设计采用了工程造价低、施工速度快、工期短、质量容易控制的CFG桩复合地基加固处理的方案。

2.3地基加固处理设计

 泵站地基设计每块底板布置CFG桩432根．共864根，分为24排，每排36根，桩距1600mm×1600mm;桩长12000~ 13500mm，桩径400mm．桩体混凝土标号C15。《建筑地基基础设计规范和《建筑地基处理技术规范》规定，CFG桩法适用于处理黏性土、粉土、沙土和已自重固结的素填土等地基，桩距应根据设计要求的复合地基承载力、土性、施工工艺等确定，宜取3～5倍桩径,桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层厚度宜取150~ 300mm;褥垫层材料宜用中沙、粗沙、级配沙石或碎石等，最大粒径不宜大于30mm。由于泵站地基基础有防渗要求，不宜采用砂石材料褥垫层，宜改用桩顶放置水泥土，桩与桩之间保留原状土（⑦层黏土）的复合褥垫层替代规范中的砂石料褥垫层，褥垫层厚度取200mm。其中：CFG工程桩施工前先打试验桩，褥垫层施工前先将改变规范要求的褥垫层材料进行褥垫层承载力专项试验，试验成果经分析符合要求后施工。

3 CFG桩施工

3.1  施工材料

 施工材料P.C32.5水泥；细度不大于12%的粉煤灰；含泥量不大于3%的黄沙；粒径5~20mm的石子。

 混凝土配料为水泥、粉煤、黄沙、石子、水和高效缓凝减水剂( SN-2)；配料比例为：1:0.43:3.57:4.77:0. 83:0.004；每盘用量为：50kg、21. Skg、178kg、238kg、41. Skg和0.20kg。

3.2CFG试验桩施工

 施工采用步履式YT2-26长螺旋钻机，配混凝土输送泵。施工前，用全站仪和钢尺放出每根CFG桩的中心位置，待长螺旋钻机就位后，将钻杆垂直对准桩位中心（桩位偏差控制在1 cm以内），并记录桩位偏差和垂直度。在泵站基坑南、北两侧，施打6根地质条件相同，混凝土标号相同，桩长、桩径相等，桩距1. 60mx

1. 60m的CFG试验桩，结构如右图所示。

 施工步骤：当钻机定位调平后螺旋钻杆旋转下沉，达到设计桩尖（底）高程时停钻；利用混凝土输送泵向钻杆空腔内灌入混凝土，边提升钻杆边泵压灌注混凝土；钻杆提升时螺旋将土体带出形成钻孔，混凝土从钻杆底部压入孔内形成桩体。

3.3CFG桩施工及施工质量控制

 在CFG试验桩施工满足设计要求后，进行CFG工程桩施工：测量放线、钻机就位、钻进成孔、拔管成桩、移机等。CFG桩施工质量控制的关键是控制钻杆提升速度和混凝土连续泵送的一致性，从而保证混凝土处于压注状态，避免产生缩颈或断桩。

4 CFG桩褥垫层专项试验及施工

4.1褥垫层承载力试验

 按照《建筑地基处理技术规范》和《建筑基桩检测技术规范》规定，在成桩28d后进行静载荷试验。内容包括天然地基承载力和不同褥垫层厚度及材料的复合地基承载力。单桩复合地基承载力试验的载荷板尺寸为1600mm×1600mm。采用堆载法，堆载前在载荷板范围的CFG桩顶及桩（间）周边土顶面埋设土压力计，数据测读与静载荷试验同步，每级加载前后各测读一次。2010年5月实施褥垫层承载力专项试验，静载试验成果下表。

静载荷试验分析：

 a．初始情况检测试验。取5号桩天然地基静载荷试验，以1600mm×1600mm载荷板工况进行，见上页表工况一、⑦层土承载力标准值与地基勘查推荐值基本吻合。

 b．单桩复合地基承载力试验。将1号桩桩顶和桩周边原状土体整平至同一高程，在其上摊铺⑦层黏土夯实后（厚度200mm）作为褥垫层土料，采用液压千斤顶分次加载，见上页表工况二，复合地基承载力与天然地基相近。将2号桩按1号桩试验步骤进行，当接近工况二承载力标准值时，减小加载级差，加大加载量，以期取得可能最大承载力标准值。见上页表工况三，复合地基承载力比工况二稍大，但沉降量上升。

 c．将6号桩桩顶和桩周边原状土体整平至同一高程，不摊铺任何褥垫层材料做试验。见上页表工况四，复合地基承载力316kPa。将3号桩桩顶高程凿至低于桩周边原状土lOOmm，人工夯实lOOmm厚⑦层黏土作为褥垫层；桩周边保留原状土。见上页表工况五，复合地基承载力315kPa。取4号桩，桩顶部位回填夯实lOOmm厚水泥掺入量为8%的水泥土（土料为沙壤土）、桩周边保留原状土的复合褥垫层，经静载荷试验，复合地基承载力为430kPa，沉降量为17. 14mm（见上页表工况六）。

 褥垫层在CFG桩复合地基中起着至关重要的作用，它保证桩、土共同承担荷载，调整桩、土荷载分担比，减小基础底面的应力集中；褥垫层厚度对桩、土承载力的发挥非常敏感，不同材料构成的褥垫层及同种材料不同厚度和刚度的褥垫层使得桩、土分担的荷载是不同的，对复合地基的效应亦有较大影响；试验成果表明泗阳站工程采用水泥掺入量为8%，厚lOciri水泥土作为CFG桩桩顶褥垫层，其复合地基承载力为430kPa，相应载荷条件的沉降量为17.14 mm，满足设计要求，达到试验目的。

4.2 CFG桩褥垫层施工

 通过褥垫层承载力专项试验后，2010年7月中旬对864根CFG工程桩进行了低应变检测，结果合格。基坑土方按泵站底板设计轮廓线开挖到位．CFC桩桩头人工凿除至低于设计底板轮廓线（即土方开挖面）lOOmm，桩头凿除过程中超深（即低于土面大于lOOmni以上）的CFG桩，一律以C15细石混凝土将桩接高至低于土面1OOmm，在桩头回填拌制均匀的水泥掺入量为8%的水泥土，人工夯实后与天然地基土面齐平，至此CFG桩防渗褥垫层全面施工并完成。为了验证CFG桩与桩周围天然地基承载情况，在泵站底板与地基基础间的桩顶和桩周土中埋设了两组土压力计。从2011年12月的沉降观测数据看，泵站的站身累计沉降量为7mm，其承载力满足设计地基承载力的要求，应用效果良好。

5结语

 南水北调泗阳站工程采用CFG桩法加固泵站地基，并对泵站地基防渗褥垫层材料的应用进行了专项试验研究。施工中改用桩顶放置水泥土、桩与桩之间保留原状土的复合褥垫层替代规范规定的砂石料褥垫层。经有关专家和领导对CFG桩复合地基加固工艺试验成果进行评审，认为在施工过程中加强试验研究，提供的测试数据翔实可靠，方案的实施满足泵站地基的防渗要求，能够发挥复合地基的承载作用，实现了CFG桩复合地基技术在江苏省大型泵站建设中的首次应用并且成功。