CFG樁在橋頭軟基處理中的應(yīng)用

李傳華

(湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410199)

CFG樁在橋頭軟基處理中的應(yīng)用

李傳華

(湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410199)

針對某橋頭高填軟基問題，采用CFG樁復(fù)合地基處理方式進(jìn)行試驗研究，結(jié)果表明，CFG樁復(fù)合地基能夠在較短時間內(nèi)提升軟基的承載力，工程價值較高。其中，褥墊層的厚度影響樁體的荷載分布，超靜孔隙水壓力在表層波動較大，但樁間土層均呈現(xiàn)逐漸消散趨勢；填土荷載根據(jù)樁 — 土剛度分配，單樁靜載表明復(fù)合地基宜采用樁體的有效工作荷載800 kN，發(fā)揮樁 — 土 — 褥墊層的聯(lián)合作用。

橋頭; 軟基處理； CFG樁； 樁土應(yīng)力比； 超靜孔隙水壓力； 沉降

在橋臺高填土軟基中，為了縮短施工周期，在短時間內(nèi)有效提高軟基的承載力，CFG樁復(fù)合地基工期短，在短時間內(nèi)對地基的承載力提高有較大幫助，是常見的處置方法之一，碎石樁 — 樁間土 — 褥墊層的組合也受到業(yè)內(nèi)許多專家的探討研究。褥墊層作為傳遞上部荷載的過渡層，決定了下層樁土的荷載分布范圍[1]；區(qū)別于普通碎石樁，CFG樁具備一定的粘結(jié)性，解決了碎石樁體強(qiáng)度不足的問題，在不同土質(zhì)物理性質(zhì)差異下能夠穩(wěn)定發(fā)揮樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，提高全樁長的工作效率[2]。

受褥墊層厚度影響，CFG樁對軟基處理的影響差異較大，本文結(jié)合某山區(qū)新建公路橋頭路段進(jìn)行試驗研究，確定碎石墊層厚度后對軟基的穩(wěn)定性進(jìn)行施工監(jiān)測分析，為CFG樁關(guān)于軟基處理的實例應(yīng)用提供有益探索。

1 工程概況

1.1 工程背景

某新建公路橋頭連接段K13+020～K13+050路基寬50 m、長30 m，表層填土和淤質(zhì)黏土層厚度最深可達(dá)17 m，下層巖體為粉質(zhì)砂巖，原計劃采用超載預(yù)壓方法加快軟基排水固結(jié)，受沿線河水流域的影響地基土層厚度分布差異較大，綜合考慮工程工期、施工預(yù)算和安全性，確定采用CFG樁方案處理該路段軟基問題。表1為高填軟基段的土質(zhì)物理性質(zhì)。

表1 測驗路段土層物理性質(zhì)狀況土層天然含水量/%液性指數(shù)天然密度/(g·cm-3)相對密度壓縮系數(shù)/MPa-1固結(jié)系數(shù)/(cm2·s-1)雜填土298079201266027145×10-3黏土876183152263151736×10-4

1.2 試驗設(shè)計方案

試驗段全長30 m、填高9 m，由于地基壓縮系數(shù)較高，承載力不足，方案擬定φ400 mm樁徑的CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基，褥墊層選用碎石材料。為提高軟基承載力，聯(lián)合超載預(yù)壓法，采用正方形樁體布置，平均樁長21.5 m，樁間距1 200 mm，使用連打法施工；超靜孔隙水壓力傳感器在距樁心400 mm處向下埋設(shè)。圖1為樁體施工布置和孔隙水壓力傳感器埋置平面位置分布圖。CFG樁材料參數(shù)

圖1 CFG樁施工布置圖(單位： mm)

見表2?？紤]到褥墊層對樁土應(yīng)力分布影響較大[3]，計劃通過平板載荷實驗確定褥墊層厚度，充分發(fā)揮樁體 — 樁間土 — 褥墊層的工作效率。

表2 CFG樁材料配比水泥/(kg·cm-3)碎石/(kg·cm-3)砂子/(kg·cm-3)粉煤灰/(kg·cm-3)樁體強(qiáng)度/MPa1524966351131359C15

2 CFG樁復(fù)合地基實驗結(jié)果與分析

2.1 褥墊層厚度分析

褥墊層厚度將影響樁土應(yīng)力分布，填土高度較高時，外荷載通過褥墊層傳入地基，當(dāng)樁頂應(yīng)力較大時會部分嵌入墊層中，調(diào)節(jié)CFG樁的荷載承擔(dān)分布，同時樁間土的承載力和樁間阻力也會發(fā)生相應(yīng)改變。試驗橋頭路基段填土高度較高，軟基效應(yīng)顯著，為有效改善橋頭地基的承載力，提高工后道路服務(wù)質(zhì)量，先進(jìn)行了平板載荷試驗計算樁土應(yīng)力：n=pp/ps(pp、ps分別為計算樁頂和樁間土荷載值)，確定工作區(qū)范圍褥墊層的合理設(shè)定值，得到結(jié)果如圖2。

圖2 褥墊層厚度 — 樁土應(yīng)力比關(guān)系曲線

褥墊層厚度對CFG樁復(fù)合地基的工作性能有較大影響，由圖2可知，樁土應(yīng)力比隨褥墊層厚度增大變化走勢大致相同，在0.4 m層厚前后陸續(xù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，樁土應(yīng)力比變化平緩，墊層厚度對樁土應(yīng)力分布影響較小。當(dāng)墊層厚度設(shè)置較小時，不利于均化外荷載，樁體容易因應(yīng)力過大擠入基底，發(fā)生沖切效應(yīng)，而設(shè)置厚度層超過適宜值范圍，將影響樁體和樁間土的荷載分布，CFG樁無法充分發(fā)揮作用。結(jié)果表明，本試驗軟基采用CFG樁復(fù)合地基方法宜設(shè)置0.35 m層厚的碎石墊層，超過合適值，褥墊層厚度變化對樁體和樁間土的分布荷載調(diào)節(jié)能力減小，復(fù)合地基的承載力將受到削弱。

2.2 軟基超靜孔隙水壓力測試結(jié)果與分析

軟土路基的孔隙水壓力反映了土間的含水變化關(guān)系，對地基的承載力有重要影響。根據(jù)施工順序和進(jìn)程，結(jié)合土層分布狀況，在試驗段每個斷面埋設(shè)3個孔隙水壓力計，在圖1平面位置下分別埋深為3、9、15 m，確保壓力計在土層性質(zhì)變化較大處能夠較精確測出施工前后的孔隙水壓力變化值；樁體施工前期，由于土體擾動較大，施工對孔壓數(shù)據(jù)的收集影響較大，30 min/次，當(dāng)儀器指數(shù)讀數(shù)較為穩(wěn)定時，可3次/d。得到動荷載作用下樁間土孔隙水壓力變化關(guān)系如圖3。

圖3 樁間土孔隙水壓力變化關(guān)系曲線

施工期內(nèi)，隨填土荷載的增加，樁間土的孔隙水壓力呈現(xiàn)明顯波動，由圖3可知，在施工前期，填土外荷載變化對土層的擾動影響較大，樁間土的超靜孔隙水壓力不斷呈現(xiàn)上下波動的變化趨勢，而且，隨孔隙水壓力計埋設(shè)深度增大，在施工階段超靜孔隙水壓力波動越小，荷載響應(yīng)性較延緩，而表層受施工外界因素影響比較大，故波動范圍較大。

當(dāng)160 d以后，各層超靜孔隙水壓力平緩下降，與填土荷載預(yù)壓階段相適應(yīng)，當(dāng)達(dá)到填高的施工階段后，地基所受預(yù)壓荷載增幅較小，樁間超孔隙水壓力也呈現(xiàn)緩慢消散的過程，比較完成外荷載預(yù)壓階段后的3、9、15 m土層超靜孔隙水壓力，深層軟基受荷載擾動較淺層小，孔隙水壓也變化更為平緩，雖然前期受施工過程樁體布置、儀器埋設(shè)等人為因素影響孔隙水壓消散緩慢，但同一斷面孔隙水壓力最終均表現(xiàn)為逐漸消散的狀態(tài)。

2.3 樁土應(yīng)力結(jié)果分析

CFG樁復(fù)合地基在軟基處理中主要發(fā)揮置換作用，提高地基均勻受力，褥墊層擴(kuò)散填土的集中外荷載，并將應(yīng)力按樁土剛度比例分配傳遞。借助靜載荷載試驗收集CFG樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力大小，圖4為加載過程樁頂和樁間土應(yīng)力變化關(guān)系曲線。

圖4 荷載與應(yīng)力變化關(guān)系曲線

由圖4可知，隨施加荷載增大，樁頂和樁間土應(yīng)力值均近線性增加，但樁頂應(yīng)力的線性變化速率明顯更大，表明在外荷載作用下，褥墊層按剛度分配荷載，CFG樁自身剛度較樁間土大，也需分擔(dān)較大的填土壓力，若承受荷載過大樁頂將發(fā)生沖切效應(yīng)而擠入路基底層，調(diào)節(jié)荷載分布；與此同時，樁體應(yīng)力的提高，對樁側(cè)土擠密效應(yīng)也有所增強(qiáng)，樁體自身剛度相對也有所增強(qiáng)，樁間土受側(cè)向荷載影響承載力也因此有所提高，樁體與周間土的樁側(cè)摩阻力增大，故CFG樁復(fù)合地基的樁 — 土組合相互影響，能夠在一定范圍內(nèi)有效提高地基的承載力。

在試驗過程中，為嚴(yán)格控制水泥碎石樁的施工質(zhì)量，不影響觀測研究結(jié)果，結(jié)合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4](JGJ 94 — 2008)對軟基試驗段抽樣選取的97根樁體進(jìn)行單樁完整度測評和豎向抗壓靜載強(qiáng)度試驗，得到測驗結(jié)果如表3、表4。

試驗段樁體檢驗有89根滿足I類完整度評價類型，約占91.7%，剩余的8根評價類別為有輕微缺陷，施工段CFG樁體的完整性檢驗報告滿足試驗要求。

單樁豎向靜載試驗終止要求試驗總沉降量>40 mm，且能夠明確看出樁體承載力的陡降階段變化。根據(jù)慢速維特荷載要求，對試驗樁逐級添加100 kN的外荷載，當(dāng)樁體豎向沉降位移不超過0.1 mm/h，則進(jìn)行下一級的加載。由表4可知，單樁靜載的有效工作荷載約為800 kN，此時樁體處于準(zhǔn)破壞的極限邊緣，故沉降量在外荷載繼續(xù)施加后有瞬變，當(dāng)荷載達(dá)到900 kN時樁體的沉降量提高了86%，荷載1 000 kN時又上升了50%，聯(lián)合觀察圖5的Q-S變化特征，可知樁體的極限承載力為1 000 kN。在施工期分層填土荷載>800 kN時，樁體就可能發(fā)生沖切效應(yīng)擠入基底，而當(dāng)荷載超過極限承載力時，樁間土將一并發(fā)生剪切破壞等形式的擴(kuò)大路基沉降的問題。

表3 試驗段樁體完整度測驗結(jié)果樁體完好/%樁體有輕微缺陷/%樁體有明顯缺陷有嚴(yán)重缺陷或斷樁9188200

表4 單樁豎向抗壓靜載測驗結(jié)果級別荷載/kN沉降量/mm歷時/min本級累計本級累計11001414505022000923701203300073451654400194960225550012619031566001273854007700269970470880014113655359900972141576101000214245621 注：測驗日期為2014-07-26，樁徑400mm，樁長190m。

圖5 單樁豎向靜載試驗Q-S曲線

2.4 軟土路基沉降觀測結(jié)果與分析

觀測軟基的沉降位移能夠較直觀的顯示CFG樁復(fù)合地基對路基承載力的改善狀況，圖6為路基沉降隨堆載預(yù)壓施工過程的變化曲線。

圖6 軟基沉降量隨施工期進(jìn)展變化曲線

圖6表明，隨路基填土分層填筑高度的上升，堆載預(yù)壓荷載對地基的沉降變形最大沉降量約12 cm，CFG樁復(fù)合地基對軟基沉降量的控制有明顯幫助；細(xì)觀填土高度分期變化曲線，在施工前期，軟基沉降速率較恒載預(yù)壓后期大，0～100 d施工周期內(nèi)速率約0.3 mm/d，在進(jìn)行中期填土荷載作用下(100～220 d)沉降速率可達(dá)0.7 mm/d；當(dāng)恒載預(yù)壓階段大致結(jié)束后，軟基的沉降速率基本呈現(xiàn)收斂的趨勢(250 d～竣工)，速率約0.1 mm/d，路基豎向變形較為穩(wěn)定；而在220～250 d前后沉降速率有一個峰值出現(xiàn)，這是受預(yù)制梁運輸過橋頭段，荷載持續(xù)瞬增的影響，由觀測結(jié)果可知，加入CFG樁對橋頭高填軟基的沉降變形有較好改觀，能夠承受填土荷載的持續(xù)快速填筑，滿足施工質(zhì)量要求。

3 結(jié)語

橋頭高填軟基問題影響橋梁施工工期，以

CFG樁復(fù)合地基處理方法在保證地基承載力的同時，工期短、造價低，本文結(jié)合實例對這種復(fù)合地基進(jìn)行了試驗監(jiān)測，得到結(jié)果如下：

1) 褥墊層對CFG樁體 — 樁間土承受的荷載分布有決定作用，針對該工程，35 cm的碎石墊層厚度能夠較大程度地發(fā)揮復(fù)合地基的承載力；褥墊層有利于外荷載的擴(kuò)散，影響CFG樁復(fù)合地基能夠?qū)浕翆影l(fā)揮置換和均化受力作用。

2) 樁體施工對表層的超靜孔隙水壓力影響較大，但全工期段在CFG樁復(fù)合地基樁間土仍處于持續(xù)消散狀態(tài)。

3) 路基分層鋪填，樁體和樁間土承受荷載大小受自身剛度的影響，樁頂應(yīng)力增長速率較大，而樁 — 土之間隨荷載增加擠密效應(yīng)愈發(fā)起作用，二者承載力受樁側(cè)阻力等影響有提升。

4) 地基在路基堆載預(yù)壓階段大致完成后，沉降速率呈收斂趨勢。

[1] 鄭剛，劉雙菊，伍止超.不同厚度褥墊層剛性樁復(fù)合地基工作特性研究[J].巖土力學(xué)，2006(8)：1357-1360.

[2] 王志強(qiáng)，蘭建麗.水泥粉煤灰碎石樁處理地基的應(yīng)用[J].山西交通科技，2005(S2)：94-95，104.

[3] 徐毅，洪寶寧，符新軍，等.CFG樁復(fù)合地基加固高速公路軟基的現(xiàn)場試驗研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2006(3)：305-309.

[4] JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

1008-844X(2016)04-0058-04

U 416.1+6

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