素混凝土钻孔桩在松软地基处理中的应用

４２　铁道勘察　２０１２年第３期　

文章编号：１６７２—７４７９（２０１２）０４—００４２—０３　

素混凝土钻孔桩在松软地基处理中的应用　

王金艳　

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津３００２５１）　

Ｐｌａｉｎ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｂｏｒｅｄ　Ｐｉｌｅｓ　ｉｎ　Ｓｏｆｔ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　

ＷＡＮＧ　Ｊｉｎ—ｙａｎ　

摘要铁路客运专线对地基承载力和变形的要求较高，在松软地基中需要进行刚性桩地基处理。　

ＣＦＧ桩等机具在既有桥、电力线下等难以实施，素混凝土钻孔桩复合地基可提供复合地基承载力，控制　

地基变形，也能适应低矮空间场地的施工要求。论述素混凝土钻孔桩的设计及施工技术。　

关键词　素混凝土钻孔桩复合地基　

中图分类号：ＴＵ４３３　文献标识码：Ｂ　

１　概述　

素混凝土桩是在碎石桩中加入适量的中砂、水泥　

和水将其搅拌，形成一种黏结度较高的刚性桩体。素　

混凝土桩与ＣＦＧ桩在受力和变形特性方面非常相似：　

具有一定的强度，为刚性桩，工作性状于散体材料桩有　

很大不同，不需要周围土体的约束作用就可以将竖向　

荷载传递到深部土层或者持力层上。素混凝土刚性桩　

复合地基提高承载力幅度大（一般能使地基承载力提　

高５０％～１００％），变形模量高。根据不同的配比，素　

混凝土桩桩身混凝土强度可任意调节，通过改变桩长、　

桩径、桩距、桩身强度、垫层厚度等设计参数，满足地基　

处理加固要求。素混凝土钻孔桩相对于ＣＦＧ桩施工　

工艺钻孔成桩方式要多，更能适应场地的选择。　

２　设计理论　

２．１　复合地基承载力设计计算　

（１）计算公式　

复合地基承载力　

＝ｍ筹＋　（１一ｍ）　

收稿日期：２０１２—０６—０４　作者简介：王金艳（１９８０一），女，２００３年毕业于西南交通大学土木工程　学院，工程师。　式中ｍ——桩土面积置换率；　

Ａ　——桩的面积／ｍ　；　

桩间土强度提高系数，本次设计可取　

值１；　

口——桩间土强度发挥系数，宜按地区经验取　

值，如无经验时可取０．７５—０．９５，本线在　

设计中取值０．８５；　

Ｒ　——单桩竖向承载力特征值（ｋＮ）可按下式　

计算　

Ｒ。＝Ｍ　∑ｑ　ｆｌ＋ｑ，Ａ　

式中“。——桩周长／ｍ；　

凡——桩长范围内所划分的土层数；　

Ｌ　——第ｉ层土的厚度／ｍ；　

ｇ　ｑ。——桩周第ｉ层土的侧摩阻力、桩端阻力特　

征值／ｋＰａ。　

２．２复合地基变形计算　

在荷载作用下，复合地基的总沉降量ｓ包含两部　

分（褥垫层的变形很小，可以忽略不计）：加固区压缩　

量ｓ　＋下卧层压缩量ｓ　。下卧层的压缩量Ｓ　用分层总　

和法计算，具体计算根据《建筑地基基础设计规范》的　

有关规定进行计算；加固区压缩量Ｓ　存在以下几种计　

算方法。　

（１）计算方法的选取　素混凝土钻孔桩在松软地基处理中的应用：王金艳　４３　

应力修正法：根据复合地基桩间土分担的荷载，按　

照桩间土压缩模量，采用分层总和法计算桩间土的压　

缩量，将计算得到的桩间土的压缩量视为加固区土层　

的压缩量，该法称为计算复合地基加固区压缩量的应　

力修正法。公式中采用的桩土应力比与桩土相对刚　

度、荷载大小及施压方式、置换率、褥垫层及下卧层物　

理力学性质等因素有关。　

桩身压缩量法：假定桩体不发生上下刺人而通过　

桩身的压缩量来计算加固区的变形，一般适用于柔性　

桩或下卧层刚度比较大的情况，显然素混凝土桩复合　

地基处理深厚软土地基采用这种方法不合适。　

复合模量法：ＣＦＧ桩复合地基在行业规范（《建筑　

地基处理技术规范》（ＪＧＪ　７９））中规定的设计方法。　

该方法在理论上还存在较大的缺陷，最大的问题是在　

桩土协同变形前提下加固区沉降如何发生。该方法采　

用了较多的经验系数，严格意义上说，只是一个经验公　

式，可能在总沉降的计算上具有一定的可靠度，很难做　

到将各地层沉降去分别分析研究。从这个意义上讲，　

其沉降发生机理研究还是一件值得做和需要做的　

事情。　

（２）素混凝土桩理论计算　

首先确定前提条件：压缩层厚度根据附加应力／自　

重应力不大于０．１；路堤成形后静置沉落期按６～　

１２个月考虑；路堤本体压密沉降不计人工后沉降；复　

合土层的压缩模量。　

复合模量法考虑桩土协同承载，计算时复合土层　

分层与天然地基相同，复合土层的模量等于该层天然　

地基模量的　倍，　值可按下式确定　

＝ｆ　ａｐｋ　（１）　

式中厂ａ　——天然地基承载力特征值／ｋＰａ；　

。　——复合地基承载力特征值／ｋＰａ。　

复合地基主固结沉降计算可按下式进行　

ｓ　＝　ｌ∑　（　）＋　

∑　（ＺｉＯＬｉ—Ｚ＇ｉ＿１　）ｌ　（２—７）　

式中ｎ　——加固区范围内土层分层数；　

凡：——沉降计算深度范围内土层总的分层数；　

ｐ０——线路中心处的附加应力，ｋＰａ；　

Ｅ　——地面下第　层土的压缩模量，ＭＰａ；　

ｚ　、ｚ　——地面至第ｉ层土、第ｉ一１层土底面的距　

离／ｍ；　

、Ｏ／　——地面计算点至第ｉ层土、第ｉ－１层土底面　范围内平均附加应力系数，用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ　

法计算。　

——沉降计算修正系数，可按表１取值。　

表１修正系数的取值　

垦　：　兰：　！：　：　：　１．１　１．０　０．７　０．４　０．２　

表中Ｅ　为变形计算深度范围内压缩模量的当量　

值，应按下式计算　

∑４　一　１　Ｊ■一　式中　——第ｉ层土附加应力沿土层厚度积分值；　

——第ｉ层土压缩模量值／ＭＰａ，桩长范围内　

按复合土层的压缩模量取值。　

３工程实践　

３．１　工程概况　

本工程位于站场内，线路以填方通过，地形较平坦　

开阔。路堤中心填高７．２　Ｉｎ，边坡最大高度７．５　ｎｌ。　

地层：粉质黏土，黄褐色，软塑，局部硬塑，含大量　

铁质氧化物，土质均匀，其中０—０．３　Ｉｎ为耕植土，　

３．８—４．７　ＩＴＩ为褐灰色，厚约５．８，承载力１４０　ｋＰａ；中　

砂，褐灰色，稍密，５．８—６．１　ｍ为潮湿，６．１～８．１　ｍ为　

饱和，土质不均匀，黏粒含量较高，含少量云母碎片，厚　

约１．４５　１３１，承载力１９０　ｋＰａ；细砂，褐黄色，稍密，饱和，　

主要成份为长石、石英，含少量云母碎片，厚约４．９　Ｉｎ，　

承载力１４０　ｋＰａ；粗砂，灰黄色，中密，饱和，主要成份为　

长石、石英，含１０％一１５％的圆砾，其中１６．８—１７　ｍ为　

粉质黏土夹层，厚约５．３　ｍ，承载力１４０　ｋＰａ；中砂，浅灰　

色，中密，饱和，主要成份为长石、石英，承载力　

３００　ｋＰａ。　原设计地基加固采用ＣＦＧ桩，桩长２８—２８．４　Ｉｎ。　

线路在某处与２２０　ｋＶ高压电线相交，与线路大里程方　

向交角为８０。２　４６”，交叉范围内距原地面最小距离为　

１ｌ　ｍ，高压线设计改移方式为抬高。因高压线改移施　

工工期尚不确定，ＣＦＧ桩施工设备较高，无法在现状　

下施工，需改变加固措施，进行变更设计。　

３．２地基处理要求和方案比选　

根据本段地质勘察资料和线路轨道设计标准，为　

满足稳定和沉降等要求，需进行地基处理。无碴轨道　

工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量１５　

ｍｍ；沉降比较均匀、长度大于２０　Ｉｎ的路基，允许的最　

大工后沉降量为３０　ｍｍ。路基的稳定安全系数考虑列　铁道勘察　２０１２年第３期　

车荷载作用时不小于１．２５。　

地基处理的方法很多，为选出最优的地基处理设　计方案，从经济、技术、施工、处理后的复合地基承载力　

等方面进行简单的对比（如表２所示）。　

表２地基处理方案比选　

综上所述，素混凝土桩能够节约大量钢材，加固后　

的地基承载力大幅度提高，施工机械能满足要求，初步　

决定采用素混凝土桩进行地基加固处理。　

３．３　素混凝土桩地基加固设计　

（１）设计参数　

素混凝土桩径采用５００　ｍｍ，首选砂层为桩端持力　

层，桩长２８　ｍ。采用矩形布置，间距１．５　ｍ。桩身混凝　

土采用Ｃ２０强度等级（如表３所示）。　

表３路基系数　

（２）结论　

根据公式，选取地质参数地质剖面中柱状图计算，　

计算单桩承载力最小值６００　ｋＮ，但考虑到地层有一定　

的起伏及其不良地质影响，实际取用单桩承载力特征　

值为６００　ｋＮ。　

计算地基变形需要预估算路基在施工期间和预压　

铺轨期间的地基变形值，以便预留有关部分的净空，选　

择连接方法和施工顺序。一般路基在施工期间完成的　

沉降量，对于砂土可认为其最终沉降量已完成８０％以　

上，对于其他低压缩性土可认为已完成最终沉降量的　

５０％～８０％，对于中压缩性土可认为已完成２０％～　

５０％，对于高压缩性土可认为已完成５％～２０％。本　

工程经计算得出总沉降为３２　ｍｍ，按照铺轨运营之前　

完成６０％，满足规范要求。　

３．４影响沉降计算精度的因素　

鉴于无砟轨道路基沉降控制标准已经到了毫米级　

的精度，对于沉降计算精度提出了更高的要求，但是土　质地基毕竟不是精密仪器，土力学理论发展到今天，变　

形计算误差尚无法保证控制在厘米范围。下列因素直　

接导致了地基变形计算很难提升精度：　

①钻孔取样难以避免的扰动，试件存放，化验过程　

中仪器、操作人员水平的差异将直接导致误差发生。　

②从设计计算方法可以看出，有很多经验系数，其　

取值范围往往相差很大，其峰值与谷值的差别远远超　

出了计算精度要求。　

￣ＣＦＧ桩及预制管桩虽然在我国目前采用的设　

计方法中并不相同，但是对于路基荷载而言，其作用方　

式并无很大区别。两种方法在形式及设计思路上存在　

较大差异。本工程素混凝土桩采用的计算理论同　

ＣＦＧ桩，因复合地基理论本身具有一定假定条件，对　

于路基荷载而言，其作用方式与其假定也较大差异，是　

否合理有待进一步试验、研究确定。　

④压缩层厚度的确定也存在较大差异，不同的确　

定标准直接导致的沉降差异已经远远超过了无砟轨道　

变形控制标准。法国以路堤底宽的３倍来确定压缩层　

厚度；德国采用按附加应力等于０．１倍自重应力确定。　

，⑤桩体复合地基上基础刚度大小、是否铺设垫层、　

垫层厚度等都对复合地基受力性状有较大影响，在桩　

体复合地基承载力和沉降计算中都要考虑这些因素　

影响。　

复合地基技术正在发展，不少新的复合地基形式　

得到应用，应该说复合地基的计算理论还很不成熟，需　

要加以研究、发展、提高。　

４　结束语　

从路基填筑、堆载和试运营期的沉降观测结果来　

看，按照现今的地基加固技术能够满足无砟轨道工后