长螺旋钻管内泵压CFG桩，是近十年来发展起来的一项复合地基新技术，它具有施工速度快，施工过程中噪音小，工程造价低，并能利用工业废料粉煤灰等优点，在全国大部分地区推广应用，取得了显著的经济和社会效益。 郑州地区2001年引进了这项新技术，主要应用于高层建筑工程的地基处理，取得了较好的效果。然而，当该技术应用到饱和粉土，粉细砂土层时，却产生了桩体工程质量问题，如缩径，断桩，桩体下沉等，特别是施工造成的环境岩土工程问题更为突出，如地面沉降，路面和建筑物开裂，地下管线破坏等，给周围居民和单位的生活，工作带来诸多不便，也给建设单位和生产单位造成巨大的经济损失，严重阻碍了CFG桩复合地基技术在郑州以及周边地区的进一步推广和应用。政府主管部门不得不出面干涉这项技术的推广应用。例如，郑东新区管理委员会曾下文明确要求一般不提倡使用长螺旋钻管内泵压CFG桩复合地基，特别是周围有建筑及重要管线的建筑场地，若采用应经审批。 针对上述问题，一些专家和学者开展了研究工作，提出了自己的看法，但都缺乏理论和试验的支撑。目前，这方面的研究主要存在以下问题：①长螺旋钻管内泵压CFG桩施工造成环境岩土工程问题的机理不清楚；②长螺旋钻管内泵压CFG桩施工造成地面沉降，建筑物开裂的规律不掌握；③针对长螺旋钻管内泵压CFG桩引起环境岩土工程问题的措施不明确。为了提高长螺旋钻管内泵压CFG桩复合地基技术的应用水平，研究和解决上述问题已刻不容缓。 本文对长螺旋钻管内泵压CFG桩引发的环境岩土工程问题进行了深入研究，目的是为了了解长螺旋钻管内泵压CFG桩施工引起工程环境问题的机理及影响因素，在此基础上提出应对措施，对其在饱和粉土中的适应性作出客观的评价。本文的研究工作内容如下： 1.将长螺旋钻管内泵压CFG桩的施工方法和特点与其它桩型进行对比，了解它们在成孔方式、灌注方式、是否排土等方面存在的差异。 2.通过一系列的工程实例，阐述了长螺旋钻管内泵压CFG桩施工引发的地面沉降和土体水平位移等环境岩土工程问题，这些问题一般表现为裂缝。因此，对施工中产生的裂缝进行了观测研究，分析裂缝在时间和空间上的分布规律。 3.长螺旋钻管内泵压CFG桩施工引起环境岩土工程问具有地域性特点。它总是与饱和粉土层等易扰动地层密切相关。这些环境岩土工程问题在郑州以及周边地区表现的最为严重。为了研究郑州地区饱和粉土的工程特性，对饱和粉土进行颗粒分析试验，扫描电镜和X衍射试验，动三轴试验。 4.长螺旋钻管内泵压CFG桩施工中对土体的扰动，必然会使桩周土体的强度发生变化，而孔隙水压力的变化是土体强度变化的前兆。为了了解施工中桩周土中孔隙水压力的变化规律和水平方向上的影响范围，进而研究桩周土体的变形位移规律，笔者通过在施工现场桩周土中埋设孔隙水压力计，进行了孔隙水压力测试试验。 5.建立了长螺旋钻管内泵压CFG桩在竖向荷载，抽吸作用等因素影响下施工过程中的数学物理模型，运用基于有限差分法原理的FLAC软件，模拟分析CFG桩施工过程中桩周土的变形位移情况。 通过研究，本文得出了以下主要结论： 1.郑州工程地质单元分为西南的黄土地质单元和东北河流泛滥沉积地质单元。当该项技术运用在西南的黄土地质单元时，一般不产生环境岩土工程问题，当该项技术运用在东北泛滥平原工程地质单元时，常产生环境岩土工程问题。东北河流泛滥沉积地质单元地表浅层土体为全新世黄河泛滥堆积物，具典型的“二元”结构，成因为黄河河漫滩形成的静水相或缓流水相的沉积物。地层主要为松散饱和粉土层、粉细砂层、粉土夹粉质粘土层，强度低，地下水埋藏浅，具有含水率高、压缩性高等特点。因此，在具有类似于这种地层的场地上施工时，应该特别注意。 2.通过对郑州地区饱和粉土作颗粒分析试验，了解了饱和粉土中颗粒大小均匀，属于级配不良土，容易发生渗透变形。粉土中的粘粒含量约为9％，此时粉土抗液化能力最低。通过X-衍射试验，得出粉土的矿物以石英为主，含有钠长石，微斜长石等矿物。粉土的结构以砂颗粒之间直接接触为主，粘土颗粒大多较杂乱地堆积在砂颗粒周围，部分附着在砂颗粒表面。这种结构的土体一旦遇到振动或流动的动水压力，便会很容易破坏或流动。通过动三轴试验，得出饱和粉土在某个动应力作用下，振动次数足够多并不能引起饱和粉土产生过大的应变。在CFG桩施工过程中，如果能减小CFG桩施工对桩周土的作用力，桩周土体就不会发生过大的应变或位移。 3.通过现场孔隙水压力试验结果的分析，得出如下结论： (1)在钻进过程中，当钻头钻进到孔隙水压力计埋设位置附近时，孔隙水压力逐渐升高，并达到最大。当钻头钻进到孔隙水压力计埋设位置以下时，孔隙水压力逐渐减小。在提钻泵送期间，当钻进到孔底，提钻泵送的瞬间，孔隙水压力陡降；随着钻杆的提升，孔隙水压力逐渐增大；当钻头到达孔隙水压力计埋设位置附近时，孔隙水压力基本恢复到提钻前的水平。 (2)对施工中产生的超孔隙水压力进行了统计，并根据抗剪强度公式计算了扰动土体的抗剪强度，结果表明土体在钻进过程中并没有达到液化标准，从而否定了传统意义上的“剪切液化”的观点。 (3)无论是在钻进还是在提钻泵送过程中，只要在孔壁与钻杆之间有临空面存在，就会产生抽吸作用。钻进排土和提钻泵送过程中发生的抽吸作用其形成方式不同。抽吸作用是引起孔隙水压力降低的主要原因。抽吸作用与施工中发生的窜孔关系密切。 (4)从孔隙水压力测试结果分析表明，长螺旋钻管内泵压CFG桩施工对桩周士水平方向的影响范围，除了与钻进施力和提钻速度等有关外，主要与土的种类和土层的埋深这两个因素有关。 4.运用FLAC软件模拟了CFG桩在饱和粉土的施工过程中土体的变形位移情况，得出窜孔的发生是多方面因素综合作用的结果，包括饱和粉土的工程特性，设计桩长，施工中的抽吸作用，上部弃土等。在采取跳打施工时，应该根据桩长来选择合理的跳打间距。在施工中应该尽量避免快速提钻，监测阀门的开启情况，以降低抽吸作用。及时地清理施工中的弃土，减小弃土对窜孔和地面沉降可能产生的不利影响。 5.在否定了传统的“剪切液化”观点的同时，通过现场试验和FLAC软件模拟结果又否定了“空桩-基坑效应”的观点。在长螺旋钻管内泵压CFG桩施工过程中将混凝土料泵送至地表，也就是说施工时不留有空桩，结果在施工的场地上发现仍然出现了裂缝。FLAC模拟结果也说明空桩引起的土体位移量很小。 6.通过研究和工程实践证明，得出长螺旋钻管内泵压CFG桩施工引起的环境岩土工程机理是“剪切扰动-抽吸渗流”综合作用的结果。剪切扰动使桩周土的结构发生破坏，土体呈流塑状态，具有流动的可能；抽吸作用在孔内或孔周附近产生低压带，距离桩较远的地方相对来说就是高压带，在这种压力差的作用下，为桩周土的流动提供了动力；渗流和流土是地面沉降的原因，随着桩周土和水不断向钻孔流动，桩周流动土层与上覆土层在水平方向形成虚脱或软弱层，使该土层不能承载上覆土体的自重，而产生差异沉降，引起地面裂缝。 长螺旋钻管内泵压CFG桩施工中产生的环境岩土工程问题与以下两个主要因素有关：①施工中有无饱和粉土，粉细砂，饱和软粘土等地层的存在。饱和粉土受扰动后很容易变成流塑状态，这种工程特性为长螺旋钻管内泵压CFG桩施工环境岩土工程问题提供了物质条件。②长螺旋钻管内泵压CFG桩的施工工艺是产生环境岩土工程问题的外因。长螺旋钻管内泵压CFG桩施工过程中，螺旋叶片剪切排土产生两个问题，其一，剪切扰动使桩周饱和土体强度降低，使土呈流塑状，具有流动的可能。其二，螺旋排土为桩周土向孔内流动提供了空间。 7.根据施工引起环境岩土工程问题的机理和影响因素，提出相应的控制措施：①减小施工中对饱和粉土的扰动；②减小施工中的抽吸作用。同时，CFG桩施工的措施应与基坑支护的设计和施工结合起来，使两者达到技术和经济的统一。 减小施工对饱和粉土的扰动可采取跳打施工、选择合理的桩间距、减少重复钻进的几率、采用小直径螺旋钻成孔等措施。减小施工中的抽吸作用可采取选择合理的钻进速度和提升速度、选择合理的提钻方式、选择合理的泵送高度等措施。 另外，在CFG桩施工中，可采取设置降水井、打隔断墙等辅助措施来进一步减小施工中产生的环境岩土工程问题。 本文的主要创新点如下： 1.通过现场埋设孔隙水压力计，测试长螺旋钻管内泵压CF6桩施工过程中孔隙水压力变化规律。首次提出抽吸作用发生在长螺旋钻管内泵压CFG桩施工的全过程，抽吸作用造成真空的部位不仅位于钻孔底部，而且也位于孔壁和叶片形成临空面的所有部位。钻进和泵送提钻过程中，形成抽吸作用的形式不同。 2.通过对扰动土体力学参数的测试，利用FLAC模拟长螺旋钻管内泵压CFG桩施工过程中土体变形位移规律。 3.首次提出了长螺旋钻管内泵压CFG桩施工引起环境岩土工程问题是“剪切扰动—抽吸渗流”综合作用的结果。通过系统分析法，提出了三位一体的机理模式。即：波状剪切扰动使饱和粉土强度降低呈流塑状，为土体移动提供了物质条件；钻进排土和泵送提钻抽吸作用为土体运动提供了动力条件；渗流和流土是土体运动的方式，土体移动的结果造成地面沉降和裂缝，引起环境岩土工程问题。 4.结合本文的研究成果和工程实践对长螺旋钻管内泵压CFG桩技术在饱和粉土中的适应性作出了客观的评价，并指出了其适用条件，解决了郑州地区岩土工程界与地质工程界关于该技术在本地区是否适宜应用的问题。