地基处理新技术读书报告
1地基处理的概述
工程建设中，经常会遇到各种各样的地质条件不好或软弱地基，这样的地基不能满足结构物的要求，需要经过人工加固处理，处理后的地基称为人工地基。软弱地基是指由软土（淤泥及淤泥质土）、冲填土、杂填土、松散砂土及其他具有高压缩性的土层构成的地基。这些地基的共同特点是模量低、承载力小，未经人工加固处理是不能在上面修筑基础和建筑物的。地基处理的目的就是针对在软弱地基上修筑建造物可能出现的问题，采取各种手段来提高地基土的抗剪强度，增大地基承载力，改善土的压缩特性，从而达到满足工程建设的需要。
1.1我国地基处理技术的发展历程
地基处理在我国有着悠久的历史，新中国成立后，特别是在近20年来得到迅猛发展。回顾60年来我国地基处理技术的发展大致经历了2个阶段[2]。
第一阶段：20世纪50年代至60年代为起步应用阶段，这一时期大量地基处理技术从前苏联引进国门，最为广泛使用的是垫层等浅层处理法。主要为沙石垫层、砂桩挤密、石灰桩、灰土桩、化学灌浆、预浸水法及井点降水等地基处理技术应用于工业名用建筑。
第二阶段：20世纪70年代至今，为应用、发展、创新阶段。大批国外先进技术被引进、开发，并结合我国自身特点，初步形成了具体中国特色的地基处理技术及其支护体系，许多领域达到了国际领先水平。大直径灌注桩、石灰桩、碎石桩、高喷注浆、深层搅拌、真空预压、动力固结、塑料排水板法，大刚度柔性桩复合地基、深基坑工程及其支护体系等先进方法得到迅猛开发与应用。 2地基处理的方法
由于软弱地基特性的复杂性和多样性，到目前为止已经形成了许多种不同的地基处理方法，按照其原理的不同可分为以下几大类：
（1）排水固结法；
（2）挤密压实法；
（3）置换及拌入法；
（4）灌浆法；
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（5）加筋法；
（6）冷热处理法。
在以上几大类地基处理方法当中，每一类方法又都包含各自不同的几种具体处理方法，但它们的原理相同，只是采取的具体施工措施不一样。
2.1 排水固结法
排水固结法的原理是软粘土地基在荷载作用下，土中孔隙水逐渐排出，孔隙比减小，地基发生固结变形，同时，随着超孔隙水压力逐渐消散，土的有效应力逐渐增大，地基土的强度逐步增长。排水固结法常用于解决饱和软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时可增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力和稳定性。采用排水固结法时常采用的施工方法有：（1）堆载预压法（2）砂井法（3）真空预压法（4）降低地下水位法；（5）电渗法。
2.2 挤密压实法
挤密压实法的原理是采用一定的手段，通过振动、挤压使地基土体孔隙比减小，强度提高，达到地基处理的目的。根据采用的手段可分为以下几种方法：
2.2.1表层压实法
采用人工或机械夯实、机械碾压或振动对填土、湿陷性黄土、松散无粘性土等软弱或原来比较疏松表层土进行压实，也可采用分层回填压实加固，分层压实的填料也可适量添加石灰、水泥等，适用于含水量接近于最佳含水量的浅层疏松粘性土、松散砂性土、湿陷性黄土及杂填土。
2.2.2 重锤夯实法
利用重锤自由下落时的冲击能来夯实浅层土地基，使其表面形成一层较为均匀的硬壳层，适用于无粘性土、杂填土、非饱和粘性土及湿陷性黄土。
2.2.3 强夯法
将很重的锤从高处自由落下，反复多次夯击地面，给地基土以冲击力和振动，从而提高地基土的强度并减小其压缩性，适用于无粘性土、杂填土、非饱和粘性土及湿陷性黄土等。
2.2.4 振冲挤压法
通常用以加固砂层，其原理是：一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层 2
发生液化，颗粒重新排列，孔隙比减少；另一方面依靠振冲器的水平振动力，形成垂直孔洞，在其中加入回填料，使砂层挤压密实，适用于砂性土，小于0.005mm粘性含量小于10%的粘性土，若粘粒含量大于30%效果明显降低。
2.2.5 土桩和灰土桩
土桩和灰土桩挤密地基是由桩间挤密土和填夯的桩体组成的人工“复合地基”。土桩主要适用于消除湿陷性黄土地基的湿陷性，灰土桩主要适用于提高人工填土地基的承载力。适用于湿陷性黄土、人工填土、非饱和粘性土。
2.2.6 砂桩
在松散砂土或人工填土中设置砂柱，能对周围土体产生挤密或振密作用，可以显著提高地基强度，改善地基的整体稳定性，并减少地基沉降量，适用于松砂地基或杂填土。
2.2.7 爆破法
在地基钻孔中爆破黄色炸药或其他炸药，利用其急剧产生的气体压力使地基压密，并在爆孔中加入填料压实后形成复合地基。对饱和松砂地基，可利用爆破振动，使松砂层液化__颗粒重新排列而趋于密实，达到地基加固的目的。此法适用于非饱和疏松粘性土、湿陷性黄土、饱和砂土、杂填土。
2.3 置换及拌入法
以砂、碎石等材料置换软弱地基中部分软弱土体，形成复合地基，或在软弱地基中部分土体内掺入水泥、水泥砂浆或石灰等物质，形成加固体，与未加固部分形成复合地基，达到提高地基承载力，减少压缩量的目的。置换及拌入法有下列几种方法：（1）垫层法；（2）开挖置换法；（3）振冲置换法（或称碎石桩法）；（4）高压喷射注浆法（旋喷柱）；（5）深层搅拌法；（6）石灰桩法；
（7）褥垫法。
2.4 灌浆法
灌浆法的实质是用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆液注入各种介质的裂隙或孔隙，以改善地基的物理力学性质。灌浆材料常分为粒状浆材和化学浆材两个系统，粒状浆材包括纯水泥浆、粘土水泥浆、水泥砂浆、石灰浆等；化学浆材包括环氧树脂类、甲基丙烯酸酯类、聚氨酯类、丙烯酸胺类、木质素类和硅酸盐类等。在地基处理中，常用的灌浆方法按其依据的理论可分下述四种： 3
渗入性灌浆法、劈裂灌浆法、压密灌浆法、电动化学灌浆法等。若在灌浆压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩体或土体结构的破坏，使地层中原有的孔隙或裂隙扩张，或形成新的裂缝或孔隙，从而使低透水性地层的可活性和浆液扩散距离增大，称为劈裂灌浆法；若通过钻孔向土层中压入灌浆，在压浆点周围形成泡形空间，使浆液对地基土起到挤压作用，称为压密灌浆法；当在粘性土中插入金属电极并通以直流电后，就在土中引起电渗、电泳和离子交换等作用，促使在通电区域的土中以高价金属离子代换钠离子，使土的含水量显著降低，并可使土内形成渗浆“通道”。若在通电的同时向土中灌注硅酸盐浆液，就能在“通道”上形成硅胶，并与土粒胶结成具有一定力学强度的加固体，称为电动化学灌浆法。根据采取不同的灌浆方法及相应的灌浆材料，灌浆法可应用于砂及砂砾地基、湿陷性黄土地基、粘性土地基。灌浆法的基本原理及其应用已形成一门新的学科分支———岩土工程化学。
2.5 加筋法
通过在土层中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力杆件等达到提高地基承载力，减小沉降，或维持建筑物稳定的地基处理方法称为加筋法。加筋法一般有以下几种：
2.5.1 土工聚合物
利用土工聚合物（或称为土工合成物或土工织物）的高强度、韧性等力学性能，扩散土中应力，增大土体的刚度模量或抗拉强度，改善土体或构成加筋土以及各种复合土工结构。土工聚合物除了上述加固强化作用外，还可以用作反滤、排水和隔离材料。适用于加强软弱地基，或用作反滤、排水和隔离
材料。
2.5.2 锚固技术
将一种新型受拉杆件的一端固定在边坡或地基的岩层或土层中，另一端与结构物（如挡土结构物）连接，利用锚固力以承受由于土压力、水压力或风力所施加于结构物的推力，从而维持结构物的稳定。在天然地层中可用灌浆锚杆，在人工填土中可用锚定板。
2.5.3 加筋土
把抗拉能力很强的拉筋埋置在土层中，通过土颗粒和拉筋之间的摩擦力形 4
成一个整体，称为加筋土。拉筋一般使用具有耐拉力，摩擦系数大且耐腐蚀的网状、丝状、带状的材料，主要是镀锌钢片、铝合金以及合成树脂等材料。加筋土技术在人工填筑的砂性土中可以采用，但不宜用于粘性土。
2.5.4 树根桩法
在地基中沿不同方向，打入直径为75mm——125mm的细桩，可以是竖直桩，也可以是斜桩，形成如树根状的群协以支撑结构物，或用以挡土，乃至可作为稳定土坡的一种措施，适用于软弱粘性土、杂填土等。
2.6 冷热处理法
冷热处理法是通过改变地基土体的温度从而改变土体中水的存在及状态，达到加固地基的目的。冷热处理法包括：冻结法和烧结法两种。
（1）冻结法：通过人工冷却，使地基温度降低到孔隙水的冰点以下，使之冻结，从而具有理想的截水性能和较高的承载能力（或横向支承能力）。适用于饱和的砂土或软粘土地层中的临时性措施。
（2）烧结法：在软弱粘土地基的钻孔中加热，通过焙烧使周围地基土减小含水量提高强度，减少压缩性。适用于软粘土、湿陷性黄土等。
3下面仅以其中关于的CFG为例进行具体介绍。
1基本概念
水泥粉煤灰桩（CFG）、桩间土和褥垫层一起形成复合地基，属于地基范畴。桩基是一种简称，是一种深基础。尽管有时水泥粉煤灰碎石桩体强度等级与桩基中桩的强度等级相同，但由于在水泥粉煤灰碎石桩和基础之间设置了褥垫层，在垂直荷载作用下，桩基中的桩、土受力和水泥粉煤灰碎石桩复合地基中的桩、土受力有着明显的不同。 和桩相比，由于水泥粉煤灰碎石桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基的1/3-1/2，经济效益和社会效益显著。并且水泥粉煤灰碎石桩复合地基技术具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价较为低廉的特点。
水泥粉煤灰碎石桩是针对碎石桩承载特性的一些不足，加以改进而发展起来的。与一般碎石桩相比，碎石桩系散体材料桩，桩本身没有粘结强度，主要靠周围他土的约束形成桩体强度，并和桩间土组成复合地基共同承担上部建筑的垂直荷载。土越软对桩的约束作用就越差；桩传递垂直荷载的能力就越差。 5
C F G桩复合地基是一种新的地基处理技术，它既不同于一般意义的桩基础，与普通的柔性桩复合地基也有很大的不同。 C F G桩复合地基成套技术是由中国建筑科学研究院于2 0 世纪8 0 年代末开始开发的一项新地基加固技术， 9 0 年代后开始在全国各地推广，被视为国家级工法，并列入国家行业标准 《 建筑地基处理技术规范》 。随着C F G桩复合地基在全国范围内推广应用，关于C F G桩复合地基各方面的研究也在迅速发展，总结近2 0 年来的研究成果，大致可归纳如下：
( l ) 在C F G桩体材料特性的试验研究方面， 范石、 汪英珍 通过对C F G复合地基桩体材料的室内配比试验，获得了不同配比情况下 桩体材料强度的变化规律，提出了C F G桩桩体材料配比时应遵循的某些原则和方法。
( 2 ) 关于C F G桩复合地基的设计，赵其华、李建光等提出了 沉降量和承载力双重控制的C F C桩复合地基的设计思想，并且建立了C F G桩复合地基半无限约束最优化理论模型，利用Ma t l a L工具进行求解，经工程实例验证该模型是可行的。
( 3 )关于 C F G桩复合地基工程特性的研究，中国建科院地基所阎明礼教授和张东刚高工作了 大量的试验工作 , 总结了其工程特点。
( 4 ) 在复合地基垫层效用的研究方面， 郑东明、 邓安福等采用有限元数值分析方法， 对C F G桩单桩带台复合地基褥垫层的效用进行了研究分析， 并提出了一些见解。
( 5 ) 关于C F G桩复合地基承载性状的方面， 张晶、李斌等进行了 大量的 试验研究，通过对工程上较软弱土层进行复合地基处理后的静荷载试验结果，分析了C F G桩复合地基的承载力性状，并对单桩、桩土复合、桩间土等不同的复合地基试验结果进行了分析对比， 得出C F G桩的后期强度增长幅度较高， 对整体桩的性状是有利的结论。
( 6 )在C F G桩复合地基变形特性计算方面，目 前主要有解析法和数值解法两种。 解析法大多应用以Mi n d l i n 解为基础的G e d d e s 积分来计算复合地基中桩荷载所产生的附加应力; 桩间土荷载产生的附加应力按B o u s s i n e s q 解计算， 复合地基中 任一点的附加应力为二者的叠加; 按照半无限弹性体内集中力的Mi n d l i n 公式， G e d d e s研究得出了斗 _ 中桩 6
端阻力和桩侧阻力的表达式:这样，在得到了桩间土荷载、桩端阻力、 桩侧阻力的分布规律后，即可计算复合地基的应力场，求得复合地基的变形。数值解法一般采用有限元计算，在构造儿何模型时通常采用两种方法:其一是将单元划分为土体单元和增强体单元，二者采用不同的计算参数，在十体单元和增强体单元之间可以考虑设置界面单元;其二是将加固区土体和增强体考虑为复合土体单元，用复合材料参数作为复合土体单元的计算参数。在这方面作了许多工作的主要有 阎明礼、刑仲星、董必昌等人 。
( 7 )阎明礼、李春灵等对有边载条件下，特别是在埋深较大条件下的复合地基承载力变形特性与无边载条件下的复合地基性状有什么不同，根据试验结果认为:边载对复合地基承载力的提高具有明显的作用;有无边载条件下复合地基荷载分担比也明显不同，与无边载条件相对比，有边载条件下复合地基中桩的荷载分组比较低，而桩间土的荷载分担比较高，桩需要在更高的总荷载水平下才能发挥其承载力。
( 8 ) 在C F G桩复合地基计算的数值模拟方面， 邢仲星、 陈晓平等对C F G桩复合地基力学特性进行了研究及有限元分析，得出结论:C F G桩复合地基的变形主要是由桩间土及桩端土的压缩组成，而桩身范围内的压缩变形组成了搅拌桩
( 9 ) 吴春林、阎明 礼等通过室内 模型试验方法，对无筋C F G桩承受水平荷载的性状进行了试验分析，并对是否会产生断桩作了评价。室内试验表明在垂直荷载作用条件下， 由于褥垫层的作用， 基础承受水平荷裁时， 垫层厚度d H > l G e m时，C F G桩桩体不会发生水平断裂破坏。
2 加固机理
C F G桩加固软弱地基， 桩和桩间土一起通过褥垫 层形成 C F G桩复合地基。其加固软弱地基主要有三种 作用。
2 .1 桩体作用
C F G桩不同于碎石桩， 是具有一定粘结强度的混合料。在荷载作用下C F G桩的压缩性明显比其周边软土小， 因此基础传给复合地基的附加压力随地基的变形 渐集中到桩体上， 出现应力集中现象， 复合地基的 C F G桩起到了桩体作用。
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2 .2 挤密作用
CFG桩施工， 由于振动和挤密作用使桩间土得到 挤密。经加密后的地基土的含水量、 孔隙比、 压缩系数均会有所减小,重度、压缩模量均会有所增加。说明经加固后 的桩间土已挤密。
2 .3 褥垫层作用
由级配砂石、 粗砂、 碎石等散体材料组成的褥垫， 在 复合地基中保证桩土共同承担荷载，褥垫层的设置为 C F G桩复合地基在受荷后提供了桩上、 下刺人的条件。减少基础底面的应力，集中在桩顶对应的基础底面测得
的应力与桩间土对应的基础底面测得的应力之比随褥垫层的厚度而变化。褥垫层可以调整桩土荷载分担比，荷载一定时， 褥垫越厚， 土承担的荷载越多， 荷载水平越高，桩承担的荷载占总桩荷载的百分比越大。
3 施工技术
3.1 CFG桩的形式及布置
CFG桩设计直径一般为0.5m，呈正方形或三角形布置，桩长、桩间距按各工点具体情况设计。桩顶铺 0.6m 碎石垫层，垫层内铺设双向高强土工格栅。桩长原则上必须穿透软土至硬底。
3.2 施工流程
为了进行设备选型， 项目经理部选取了地质情况具有代表性的地段对振动沉管和长螺旋钻机两种设备都进行了 CFG 桩试钻。结合现场情况，振动沉管施工至原地面2-3m时无法继续下沉（振动沉管地质适应情况较差），而长螺旋钻机可以施工至全风化层面≮1m。所以决定选用长螺旋钻机设备进行CFG桩施工。
经过试桩总结出工艺流程如下：
原地面处理 ——测量放样——机具定位—— 钻进成孔—— 灌注砼—— 机具移位—— 桩头处理、场地余土清理——质量检测—— 褥垫层施工。
3.3 材质及配合比要求
桩体原材料采用碎石、粉煤灰、水泥、砂配合而成，材料按C15砼配比。水泥应为 PO32.5 级及以上的普通硅酸盐水泥，砼 28 天龄期标准试块抗压强度不小于 C15砼标准。混合料搅拌按配合比进行配料，采用拌和站集中拌和。每盘料搅拌时间按照普通混凝土的搅拌时间进行控制，控制在60～90s，塌落度控制在 8
160mm～180mm。
3.4 施工操作与工序控制
1.原地面处理
一般地段，清表 30cm 以后平整场地，适当留出 CFG 桩的混合料超灌量位置（一般为30-50cm）。当地基表层有淤泥或软弱层时，清瘀后回填普通土，地面低洼地段，回填土并碾压平整后即可进行CFG桩施工。处理后的地面标高同上。碾压平整后在复合地基加固范围内的回填土，压实度K≥0.9，地基系数K30≥80MPa/m。场地应做好排水坡，四周留设排水沟，保证场地不积水。
2.测量放样
场平工作完成后按照设计的CFG桩平面布孔图放样， 在桩位处撒白灰并在地面钉设不易更改的标记（现场一般采用竹签），方便在施工中迅速确定桩位。
3.机具定位
钻机就位对准桩位中心后，采用在钻架上挂垂球的方法，在钻架上刻上明显的对照位置线，每根桩施工前须进行对中及垂直度检查，确保CFG桩的垂直度偏差不大于1％。
4.钻进成孔
钻孔开始时，首先关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触及地面时，启动马达钻进。先慢后快，同时检查钻孔的偏差并及时纠正。在成孔过程中，发现钻杆摇晃或钻进困难时，放慢进尺，防止桩孔偏斜、位移及钻杆、钻具损坏。根据钻机塔身上的进尺标记，成孔到达持力层（设计为悬浮桩地段除外）时，停止钻进。为加强 CFG 桩施工地质核查，可利用长螺旋钻机沿线路方向至少每 25 米核对一个断面，每个断面做三个长螺旋钻孔，描绘地质图，核对每个地层，同时要密切注意是否有软弱夹层。如果CFG桩施工地段同时设计有岩溶注浆，还可以充分利用岩溶注浆先导孔钻勘资料进行地质核查。 若勘探出的持力层标高和设计图上相差超过1米或有其他异常情况时，必须和设计进行沟通，由设计出具处理方案。在钻进时，记录每米电流变化并记录电流突变位置的电流值，作为地质复核情况的参考。
5.灌注砼
钻孔至设计标高确保进入硬层 1m 后，停止钻进，开始混合料灌注，每根 9
桩的投料量应不少于设计灌注量。钻杆芯管充满混合料后开始拔管，施工桩顶高程宜高出设计高程50cm，灌注成桩完成后，桩顶盖土封顶予以保护。在灌注混合料时，对于混合料的控制采用记录泵压次数的办法，对于同一种型号的输送泵每次输送量基本上是一个固定值，根据泵压次数来计量混合料的投料量。灌注时采用静止提拔钻杆，在特殊情况下采用边转边提进行灌注，如圆砾层等情况下，拔管速度控制在2～3m/min。
6.机具移位
上一根桩施工完毕，对钻杆端部进行保护，钻机移位，进行下一根桩的施工。
7.桩头处理、场地余土清理
砼达到70%强度后人工对CFG桩超灌部分进行凿除，并清运现场余土，确保达到场地平整要求。
8.质量检测
满足一个检验批地 CFG 桩施工完毕应立即采用低应变和静载对桩身完整性和复合地基承载力进行检测。
9.褥垫层施工
CFG桩检验完毕，并满足设计要求后，进行褥垫层施工。一般CFG桩桩顶面铺设0.5m 厚碎石垫层，碎石粒径宜为 8～20mm，最大粒径不宜大于 30mm，垫层中铺设一层强度不小于110kN/m双向土工格栅，土工格栅上下各铺设0.05m厚中粗砂保护层。垫层材料虚铺后用静力压实。土工格栅铺设时应铺平拉紧。搭接宽度，横向搭接50cm，纵向搭接50cm。
4 质量控制与检测
1. 混合料灌注时钻杆提拔速率和输送泵的泵送量要密切配合，钻杆静止提拔，并保证连续提拔，施工中严禁出现超速提拔及先提管后泵料。灌注过程中芯管插入混合料的最小深度宜按25cm控制。
2. 确保桩长达到设计要求。设计要求 CFG 桩必须穿透软弱土层至硬底，对于第四系地层一般应嵌入砂类土或硬塑黏性土≮2m，对于下伏基岩段应嵌入全风化层≮1m。
3. 混合料的各种材料技术指标必须满足规范要求，其抗压强度必须满足设 10
计要求。
4. 做好地质情况的复核工作。对有代表性的地点在施钻过程中适时提钻以确认地层分布情况是否和地质资料一致，特别是钻进达到设计深度时要确认桩尖土是否已经达到持力层足够深度。必要时，可在相邻两地质横断面中间进行补钻，以进一步复核地质情况。若出现异常情况，则必须及时通知监理和设计单位到现场确认，并提出处理意见。
5.按照《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》的规定，成桩28d后应及时进行低应变试验检测CFG桩桩身完整性，按成桩总数的10%抽样检验，且每检验批不少于5根；承载力采用复合地基平板载荷试验，其承载力、变形模量应符合设计要求，按总桩数2‰抽样检验，且每检验批不少于3根。为保证施工质量，建议首批CFG桩的前100根必须全部进行自检，以总结、检验和改进工艺质量控制。 每台CFG桩施工机组的第一批桩自检数量不少于CFG桩总桩数的20%且不少于40根。我部通过对已完工地段的CFG桩检测发现，CFG桩使用的波速与桥桩检测时使用的波速有一定的区别，设计C15的强度，CFG桩一般在3500m/s左右，比同等强度的桥梁桩基要高一些。检测过程中还发现一部分CFG桩顶部浅层断裂，经过分析主要是在截庄过程中不注意人为造成，这应引起重视。
5结语
CFG 桩与桩间土以及与基础地面间的褥垫层共同组成复合地基， 具有承载力高沉降小、变形稳定快、施工方便、易于控制施工质量、工程造价低的特点。根据上述施工技术指导施工的我项目部CFG 桩通过了相关的质量检测，地基加固效果优良。
参考文献：
地基处理手册（第三版），龚晓南，中国建筑工业出版社
地基处理技术，闫明礼，中国环境科学出版社
软土地基加固的理论、设计与施工。李彰明 中国电力出版社
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