CFG樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)在高速鐵路軟基處理中的應(yīng)用

謝大偉，黃志軍，王 旭，余云燕

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070)

0 引言

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱(即cement fly－ash gravel pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。CFG樁自問世以來，在房屋建筑基礎(chǔ)地基加固工程中得到較為廣泛的應(yīng)用，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，但其在鐵路路基沉降控制中的應(yīng)用才剛剛起步。與工業(yè)與民用建筑等其它土木工程行業(yè)所采用的CFG樁復(fù)合地基作用相比，高速鐵路CFG樁復(fù)合地基主要用于對(duì)路基沉降和路基不均勻沉降的控制，這主要是為了滿足高速列車對(duì)鐵路線路沉降及平順性的嚴(yán)格要求。

1 CFG樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其加固機(jī)理

1.1 CFG樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)

樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)于1975年由日本工藤升首次提出，并用于北海道石狩河堤岸改造的軟土地基加固工程中。目前，樁(CFG樁等剛性樁)、帽(混凝土或鋼筋混凝土樁帽)、網(wǎng)(土工格柵、鋼絲網(wǎng)等)組合的“樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基”(亦稱“樁網(wǎng)復(fù)合地基”)如圖1所示，已成為一種路堤地基加固的經(jīng)典組合方式，在鐵路、公路、水工堤壩等工程中都有應(yīng)用。

CFG樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)通過褥墊層與基礎(chǔ)連接，無論樁端落在軟弱土層還是堅(jiān)硬土層，均可保證樁間土始終參與工作。由于樁體的強(qiáng)度和模量比樁間土大，在荷載作用下，樁頂應(yīng)力比樁間土表面應(yīng)力大。樁可將承受的荷載向較深的土層中傳遞，并相應(yīng)減少了樁間土承擔(dān)的荷載。這樣，由于樁的作用使復(fù)合地基承載力提高，變形減小，再加上CFG樁不配筋，樁體利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，大大降低了工程造價(jià)。

圖1 CFG樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基示意圖

1.2 CFG樁加固處理機(jī)理

(1)樁體作用:CFG樁體材料是有一定強(qiáng)度的混合料，具有剛性樁的某些特性，全長樁體與周圍土體有粘結(jié)性并有較強(qiáng)的摩擦阻力，樁底落在堅(jiān)硬土層上時(shí)起到了端承樁的作用。在荷載作用下CFG樁的壓縮性比地基土小得多，因此復(fù)合地基的附加應(yīng)力隨地基的變形逐漸集中到樁體上，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)排水固結(jié)作用:CFG樁體本身是良好的排水通道，有利于地基中孔隙水沿樁體向上排出，有利于土體加快固結(jié)，并降低液化的可能性，增強(qiáng)土體抗液化能力。

(3)墊層作用:墊層是CFG樁復(fù)合地基的主要組成部分，可優(yōu)化CFG樁復(fù)合地基的受力狀態(tài)。墊層為CFG樁的向上刺入提供了空間，可保證在各種荷載作用下樁間土都參與工作，與樁體共同受力。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程背景

新建福廈鐵路客運(yùn)專線DK129+650～+770路基工程，軟基處理采用CFG樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)加固，設(shè)計(jì)樁長5.0～11.5 m、樁徑0.5 m、樁距1.3 m、呈梅花形布置，采用振動(dòng)沉管灌注樁工法施工。樁頂設(shè)置0.5 m厚級(jí)配碎石墊層，其間鋪設(shè)兩層土工格柵。樁身水泥采用32.5R普通硅酸鹽水泥，摻加抗侵蝕防腐劑，水泥摻入量不大于200 kg/m3，水泥與粉煤灰之比為1.0～1.2，石屑率為0.3左右，要求樁身強(qiáng)度不小于5 MPa。該段軟土地基位于淺丘與濱海海積平原交互地帶，地面標(biāo)高5～8 m，相對(duì)高差2～5 m，自然橫坡相對(duì)平坦，平原地表多為水田。線路以填方通過，最大中心填高11.0 m。上覆第四系全新統(tǒng)長樂組海積層及坡殘積層粉質(zhì)粘土、淤泥、粉砂;下伏侏羅系南園組第二段凝灰?guī)r、凝灰熔巖。地基地層參數(shù)如表1所示。地表水主要為溝水、河水、塘水;地下水發(fā)育，主要為孔隙水及基巖裂隙水。水對(duì)混凝土具有中等硫酸型酸性侵蝕及中等溶出型侵蝕。

表1 地基地層參數(shù)表

2.2 CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基施工工藝過程

該段路基工程軟基處理是采用振動(dòng)沉管灌注成樁，屬擠土成樁工藝，對(duì)樁間土具有擠(振)密效應(yīng)。其成樁工藝流程:

施工準(zhǔn)備→樁尖的預(yù)制與埋設(shè)→樁機(jī)進(jìn)場(chǎng)→樁機(jī)就位→準(zhǔn)確對(duì)孔→沉管成孔→混合料攪拌及投料→提升沉管→泵送孔底混合料→邊泵送邊提升沉管→成樁→封頂→檢測(cè)→清理樁間土及預(yù)留樁頭→鋪設(shè)褥墊層。

2.3 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

施工過程中需進(jìn)行以下幾方面的質(zhì)量控制及管理:

(1)CFG樁施工前先疏干地表水、清除雜物、整平場(chǎng)地，并進(jìn)行成樁試驗(yàn)，以掌握該場(chǎng)地的成樁經(jīng)驗(yàn)及施工技術(shù)參數(shù)。

(2)施工前應(yīng)按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79－2002)》進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的配合比，坍落度控制在30～50mm?；炷翑嚢钁?yīng)均勻。室內(nèi)塊體試樣28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于5 MPa。

(3)成樁的拔管速度按試樁參數(shù)確定，一般為1.20～1.50 m/min，如遇淤泥或淤泥質(zhì)土，速度應(yīng)放慢，控制在0.6～0.8m/min，拔管過程中不允許反插。

(4)樁長偏差不大于50mm，樁有效直徑不得小于設(shè)計(jì)值，樁體垂直度偏差不大于l%。

(5)成孔后應(yīng)立即向管內(nèi)一次投放混合料，之后留振5～10s，直到混合料與進(jìn)料口齊平，每根樁的投料量不得小于設(shè)計(jì)灌注量，施工樁頂應(yīng)高出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高不少于0.5m。對(duì)樁頂以下2.5m內(nèi)采用插入振動(dòng)棒搗固，以增加樁頂混凝土密實(shí)度。沉管拔出地面，確認(rèn)成樁符合設(shè)計(jì)要求后，樁頂采用濕黏土封頂。成樁后樁頂浮漿厚度不得超過20cm。如果上料不足，須在拔管過程中空中投料。

(6)采用振動(dòng)沉管機(jī)施工，順序?yàn)楦魳陡粜刑?，避免在成孔過程中將相鄰已灌注完的樁體擠斷。

(7)振動(dòng)沉管機(jī)的沉管表面設(shè)有明顯的進(jìn)尺標(biāo)記，根據(jù)設(shè)計(jì)樁長、沉管入土深度確定機(jī)架高度和沉管長度。沉管過程中每沉1 m應(yīng)記錄電流表一次，并對(duì)土層變化處予以說明。

(8)CFG樁施工完畢28 d后對(duì)CFG樁和CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行檢測(cè)，復(fù)合地基承載力不應(yīng)小于250 kPa，同時(shí)采用低應(yīng)變測(cè)試方法對(duì)樁身質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，樁間土質(zhì)量檢驗(yàn)可用標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探和鉆孔取樣等試驗(yàn)對(duì)樁間土進(jìn)行處理前后的對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)砂性土地基可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入或動(dòng)力觸探等方法檢測(cè)擠密程度。靜載荷試驗(yàn)數(shù)量取CFG樁總數(shù)的0.5% ～l%，但不少于3點(diǎn)，低應(yīng)變檢測(cè)數(shù)量一般取CFG樁總數(shù)的10%。

(9)褥墊層施工中碎石墊層碾壓時(shí)，嚴(yán)禁采用強(qiáng)振方式碾壓，砂墊層碾壓時(shí)碾壓機(jī)械不得在其上掉頭行走。

(10)鋪設(shè)土工格柵時(shí)要拉緊，使其產(chǎn)生拉力，施工機(jī)械不得直接在鋪好的土工格柵上行走。

2.4 檢測(cè)結(jié)果及效果評(píng)價(jià)

(1)基樁低應(yīng)變檢測(cè)。本工程隨機(jī)抽檢了已施工完成樁總數(shù)的10%進(jìn)行CFG樁完整性檢測(cè)，共計(jì)525根，均采用低應(yīng)變反射波發(fā)檢測(cè)。結(jié)果為Ⅰ類樁484根，占抽檢樁總數(shù)的92.19%;Ⅱ類樁41根，占抽檢樁總數(shù)的7.81%，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷樁和斷樁，均屬于完整性或基本完整性樁，樁身質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)。單樁復(fù)合地基承載力要求不小于250kPa。使用堆載平臺(tái)法(正方形剛性承壓板面積1 m2)提供試驗(yàn)反力，逐級(jí)加載直至加載結(jié)束，然后分級(jí)卸載到零。最大試驗(yàn)荷載不小于設(shè)計(jì)要求的2倍即500 kN，按8級(jí)逐級(jí)加荷。每加一級(jí)載荷前后分別讀記承壓板沉降量一次，當(dāng)1小時(shí)內(nèi)沉降增量小于0.1mm時(shí)可加下一級(jí)荷載。卸載級(jí)數(shù)為加載級(jí)數(shù)的一半，等量進(jìn)行，每卸一級(jí)，間隔半小時(shí)，讀記回彈量。待全部卸載后三小時(shí)，再讀記回彈量。試驗(yàn)結(jié)果表明，在加載至584 kN時(shí)，地基總沉降量為5.10mm，沉降量不大，地基受壓尚未進(jìn)入極限狀態(tài)，承載能力還有一定富余，如圖2所示。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79－2002)》規(guī)定，可取最大試驗(yàn)荷載的一半即292 kN確定為復(fù)合地基的承載力特征值，292kN ＞250kN，因此，所試驗(yàn)的CFG樁單樁復(fù)合地基承載力完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 Q－S曲線

(3)樁間土靜力觸探試驗(yàn)。靜力觸探試驗(yàn)是在成樁28 d后測(cè)試的，從試驗(yàn)結(jié)果看，沿深度錐入阻力僅在砂土層處有略微增長，其余深度處幾乎無變化。因此，加固后樁間土承載力沒有增加，可以認(rèn)為CFG樁對(duì)軟土基本無擠密作用。這種現(xiàn)象與飽和軟土自身的性質(zhì)有關(guān)，與較低的面積置換率也有一定的關(guān)系。

3 結(jié)束語

高速鐵路路基沉降控制是保證路基施工質(zhì)量的重要措施。作為一類地基加固處理的方法，CFG樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)由于具有承載力提高幅度大、施工后沉降較小，是一種適用廣泛、安全可靠、經(jīng)濟(jì)的樁基新技術(shù)。工程實(shí)踐表明，通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和管理，CFG樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)在高速鐵路的軟基加固中可以取得較好的效果。另外，由于CFG樁施工速度快、工期短、質(zhì)量容易控制，且CFG樁不配筋，并能利用工業(yè)廢料變廢為寶，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。所以CFG樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以在高速鐵路上有效地處理軟土路基。

［1］閻明禮，張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實(shí)踐［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［2］HAN J，GABR M A.Numerical analysis of geosynthetic－reinforced and pile－supported earth platforms over soft soil［J］.Journal of Geotechnical and Geo－ environmental Engineering，ASCE，2002，128(1):44－53.

［3］郭忠賢，王斐，劉駿.CFG樁復(fù)合地基在深厚軟土地基中的應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)，2000，31(3):168－169.

［4］JGJ79－2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］JGJ106－2003，建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］申耀偉.某鐵路CFG樁復(fù)合地基試樁靜荷載試驗(yàn)與分析［J］.山西建筑，2008，34(16):284－285.