卵石作為粗骨料用于路基CFG樁的試驗(yàn)研究

趙永浩

摘 要：某新建高速鐵路的戈壁灘路基CFG樁，粗骨料用量巨大，沿線符合設(shè)計(jì)要求的碎石料源嚴(yán)重匱乏，且運(yùn)距甚遠(yuǎn)，符合要求的碎石料源在供貨能力上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到數(shù)量和工期的要求；而沿線砂卵石富集，呈均勻分布，且數(shù)量上完全滿足實(shí)際需求。通過將現(xiàn)場(chǎng)卵石作為粗骨料用于路基CFG樁的試驗(yàn)研究，進(jìn)行了卵石和碎石的物理力學(xué)性能對(duì)比、配合比對(duì)比、施工工藝對(duì)比、樁身完整性對(duì)比、單樁承載力對(duì)比，得出將卵石作為粗骨料用于路基CFG樁，質(zhì)量上完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，將卵石作為粗骨料用于路基CFG樁是成功的，且可就地取卵石，降低了CFG樁成本，值得推廣。

關(guān)鍵詞：卵石；碎石；粗骨料；CFG樁

中圖分類號(hào)：U214.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.019

某新建鐵路某標(biāo)段線路總長(zhǎng)83.4 km，路基長(zhǎng)度為65 km；設(shè)計(jì)采用CFG樁地基處理地段長(zhǎng)度34 km，CFG樁總延米為737萬延米；CFG樁樁身混合料方量1.421×106 m3，其中，使用粗集料約1.1×106 m3，粗集料用量巨大。沿線符合設(shè)計(jì)要求的碎石料源嚴(yán)重匱乏，且運(yùn)距較遠(yuǎn)，符合要求的碎石料源在供貨能力上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到數(shù)量和工期的要求。而沿線砂卵石富集，呈均勻分布，且數(shù)量上完全滿足實(shí)際需求。如果質(zhì)量上能夠滿足設(shè)計(jì)要求，合理加以利用，可解決粗骨料的供應(yīng)和工期問題。

1 地質(zhì)及CFG樁

此段戈壁灘地形平坦，氣候干燥，少雨缺水，地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)其表層為第四紀(jì)土層，由上而下為圓礫土（0～20 m，fk＝130～300 kPa）、砂巖（20 m以下）。其地下水位在50 m以下；設(shè)計(jì)地基處理的CFG樁混凝土為C20，樁長(zhǎng)14～20 m，樁徑Φ50，單樁承載力特征值1 160.82 kN。實(shí)地卵石富集，能否將卵石作為粗骨料用于路基CFG樁，需進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 研究目的及主要內(nèi)容

調(diào)整混合料中各原材料的用量和比例，配制在性能上滿足設(shè)計(jì)要求和施工需求的卵石混合料，同時(shí)對(duì)比卵石與碎石各參數(shù)，以驗(yàn)證級(jí)配卵石能否在CFG樁身混合料中大面積使用。

對(duì)此，主要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究：①通過卵石、碎石物理力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證卵石是否滿足相關(guān)規(guī)定和使用要求；②通過卵石、碎石混合料配合比對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證卵石混合料的性能是否滿足設(shè)計(jì)和施工要求；③通過現(xiàn)場(chǎng)卵石和碎石混合料CFG樁施工工藝對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證混合料配合比、坍落度、攪拌時(shí)間、拔管速度等工藝參數(shù)；④對(duì)卵石和碎石混合料CFG樁樁體進(jìn)行完整性檢測(cè)，驗(yàn)證卵石和碎石混合料CFG樁樁體的完整性；⑤對(duì)卵石和碎石混合料CFG樁進(jìn)行單樁承載力試驗(yàn)，驗(yàn)證2種不同材料混合料樁體強(qiáng)度和承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求；⑥驗(yàn)證設(shè)備施工能力，并復(fù)核工程地質(zhì)情況。

3 粗骨料對(duì)混凝土性能的影響

粗骨料對(duì)混凝土的影響主要表現(xiàn)在顆粒內(nèi)部缺陷對(duì)骨料強(qiáng)度的影響、顆粒界面粗糙程度對(duì)界面黏結(jié)力的影響和顆粒形狀對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響方面。在荷載作用下，顆粒缺陷處應(yīng)力集中，易破壞，使混凝土強(qiáng)度降低。碎石與水泥石結(jié)合的黏結(jié)強(qiáng)度高，并且滲入顆粒凹面內(nèi)的水泥石增加了骨料與水泥石界面的抗剪強(qiáng)度。卵石表面摩擦小，易流動(dòng)，拌和物的流動(dòng)性要好于帶有棱角的碎石，由于粗骨料圓滑的表面與水泥砂漿的黏聚性不好，拌和物易出現(xiàn)泌水、離析現(xiàn)象。

用卵石配制的混凝土流動(dòng)性、和易性好，相同的水泥用量配制同樣流動(dòng)性的混凝土?xí)r，采用碎石比采用卵石需要較多的拌和水，水灰比的增大對(duì)混凝土強(qiáng)度會(huì)有一定的影響。

碎石粗骨料的優(yōu)點(diǎn)是與膠凝材料的黏結(jié)性好，卵石的特點(diǎn)是配制的混凝土流動(dòng)性好，與膠凝材料的黏結(jié)性要弱于碎石。在使用碎石和卵石配置同樣流動(dòng)性和強(qiáng)度的混凝土?xí)r，卵石的用水量一般要小于碎石的用水量。為保證卵石混凝土強(qiáng)度的穩(wěn)定性，一般膠凝材料的用量可稍多于碎石混凝土。這些手段都可以確保使用卵石配制出的混凝土與使用碎石配制的混凝土性能相當(dāng)。

由此在配制卵石混合料時(shí)，可通過選擇合適壓碎指標(biāo)的天然卵石，調(diào)整其顆粒級(jí)配和混凝土的水膠比，從而配制出滿足CFG樁強(qiáng)度和施工性能要求的卵石混合集料。

4 試驗(yàn)用原材料

混合料各項(xiàng)原材料的技術(shù)性能指標(biāo)直接影響混合料拌和物的性能和混凝土的質(zhì)量。

4.1 水泥

取P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，28 d抗折強(qiáng)度為8.3 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為47.1 MPa，其他技術(shù)性能指標(biāo)符合《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》（GB 175—1999）規(guī)定。

4.2 細(xì)骨料

取清泉河砂場(chǎng)的河砂，其主要技術(shù)指標(biāo)為：細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量2.8%，泥塊含量0.6，堆積密度1 622 kg/m3，其技術(shù)指標(biāo)符合《鐵路混凝土與砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10424—2010）中混凝土強(qiáng)度等級(jí)小于C30的規(guī)定。

4.3 粗骨料

本試驗(yàn)所選用卵石和碎石對(duì)比見圖1.

碎石和卵石各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比見表1，其性能指標(biāo)均符合《鐵路混凝土與砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10424—2010）規(guī)定。

由表1可見，級(jí)配卵石在壓碎指標(biāo)和堅(jiān)固性上都優(yōu)于級(jí)配碎石。這對(duì)于卵石混凝土強(qiáng)度和抗侵蝕能力的提高都起到積極的作用。影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素顆粒級(jí)配、針片狀顆粒含量等均滿足規(guī)范要求。妨礙水泥漿與骨料表面形成黏結(jié)作用、降低界面黏結(jié)強(qiáng)度、在骨料的黏結(jié)界面形成大面積的軟弱區(qū)域的含泥量和泥塊含量方面，碎石、卵石基本相當(dāng)，滿足規(guī)范要求。

4.4 混凝土外加劑

采用某公司聚羧酸減水劑，其性能指標(biāo)分別為：減水率28.8%，含氣量2.8%，壓力泌水率比77.2%.其技術(shù)指標(biāo)符合（TB 10424—2010）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4.5 摻和料

采用某電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其性能指標(biāo)分別為：含水率0.16%，燒失量0.39%，細(xì)度18.7%，需水比95%.其技術(shù)指標(biāo)符合（TB 10424—2010）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4.6 混凝土拌和用水

采用某飲用水，其技術(shù)指標(biāo)均符合（TB 10104—2010）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

5 卵石、碎石混凝土配合比試驗(yàn)及性能

CFG樁混合料配合比從設(shè)計(jì)和施工角度主要考慮混合料的強(qiáng)度和CFG樁施工時(shí)混合料的可泵性。強(qiáng)度主要考慮早期強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，可泵性可通過壓力泌水率、坍落度、擴(kuò)展度等指標(biāo)來反映，通過現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)來檢驗(yàn)。

卵石配合比，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20，試配強(qiáng)度26.6 MPa。初始坍落度200 mm，停放30 min坍落度185 mm。7 d強(qiáng)度26.9 MPa，14 d強(qiáng)度30.0 MPa。

碎石配合比，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20，試配強(qiáng)度26.6 MPa。初始坍落度205 mm，停放30 min坍落度190 mm。7 d強(qiáng)度25.3 MPa，14 d強(qiáng)度29.8 MPa。

經(jīng)試配調(diào)整后，卵石、碎石2種配比材料用量分別見表2、表3.

從配合比來看，卵石、碎石混合料強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求；從初始坍落度、30 min后坍落度、壓力泌水率等指標(biāo)來看，卵石混合料與碎石混合料的拌和物性能良好，無大的差別，滿足使用要求。

6 卵石、碎石CFG樁施工工藝性能試驗(yàn)

確定施工配合比之后，分別在DK814+705里程和DK864+765里程進(jìn)行了卵石、碎石CFG樁分別各3根，共12根樁工藝性試驗(yàn)，CFG樁施工設(shè)備采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)。

質(zhì)量控制要點(diǎn)為：①在配合比選定時(shí)，要求混合料強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，施工中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行；②混合料攪拌時(shí)，每盤料攪拌時(shí)間不少于60 s，其入泵坍落度要控制在160～180 mm；③每臺(tái)班測(cè)混合料坍落度3次，每臺(tái)班制作混凝土檢查試件3組（檢測(cè)7 d、14 d、28 d抗壓強(qiáng)度）。

CFG樁成孔灌入混合料的過程中，在泵送處未發(fā)現(xiàn)碎石和卵石混合料出現(xiàn)泌水、離析現(xiàn)象，無堵管現(xiàn)象發(fā)生。卵石混合料坍落度、碎石混合料坍落度均滿足要求。因此卵石和碎石混合料的配合比滿足施工要求。

7 CFG樁的檢驗(yàn)

7.1 樁體混合料強(qiáng)度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)樁身混合料抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，碎石混合料14 d抗壓強(qiáng)度為26.3 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的131.5%；卵石混合料14 d抗壓強(qiáng)度為25.5 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的127%.2種碎石都滿足CFG樁樁身混凝土強(qiáng)度要求。

7.2 樁身完整性檢測(cè)

12根CFG試驗(yàn)樁達(dá)齡期后，采用美國(guó)PDI公司生產(chǎn)的樁身完整性檢測(cè)儀檢測(cè)，根據(jù)低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果實(shí)測(cè)波形分析計(jì)算，12根均為Ⅰ類合格樁。

7.3 單樁靜載荷試驗(yàn)

CFG樁齡期達(dá)28 d后，分別選取卵石、碎石CFG樁各3根進(jìn)行單樁承載力靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果：各單樁最大承載力為2 400 kN，各最大沉降為12.58～15.97 mm，滿足設(shè)計(jì)單樁極限承載力為1 160.82 kN的要求。由此可見，采用卵石CFG樁可滿足設(shè)計(jì)單樁極限承載力為1 160.82 kN的要求。

8 CFG樁施工

通過卵石和碎石的物理力學(xué)性能對(duì)比、配合比對(duì)比、施工工藝對(duì)比、樁身完整性對(duì)比、單樁承載力對(duì)比可知，將卵石作為粗骨料用于路基CFG樁質(zhì)量上完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，卵石作為粗骨料用于路基CFG樁可行。由此，該新建鐵路路基的地基處理，用卵石作為粗骨料施工CFG樁進(jìn)入實(shí)施階段。

9 路基沉降觀測(cè)評(píng)定

CFG樁地基處理施工結(jié)束并檢測(cè)合格后，沿線路方向每隔50 m埋設(shè)沉降觀測(cè)板，觀測(cè)基底沉降；路基填筑完成后，沿線路方向每隔50 m在基床底層左右線外側(cè)2.7 m位置埋設(shè)臨時(shí)沉降觀測(cè)板，觀測(cè)路基沉降。填筑堆載預(yù)壓土填筑過程中，臨時(shí)沉降板與基底沉降板同步接長(zhǎng)，并根據(jù)設(shè)計(jì)觀測(cè)周期不間斷觀測(cè)6個(gè)月以上，其沉降波動(dòng)量均在1.0～2.0 mm之間，整個(gè)路基沉降變形均趨于穩(wěn)定。CFG樁基底處理及路基填筑質(zhì)量均達(dá)到預(yù)期質(zhì)量要求

10 效益對(duì)比

該標(biāo)段CFG樁混合料共計(jì)1.42×106 m3，粗集料用量約1.1×106 m3。碎石每立方米到站價(jià)均高于卵石到站價(jià)。采用卵石可節(jié)約施工成本。

11 結(jié)論

試驗(yàn)得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：①卵石作為粗骨料施工C20的CFG樁，抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求和施工泵送要求；②卵石作為粗骨料施工C20的CFG樁，其樁身質(zhì)量較好；③卵石作為粗骨料施工C20的CFG樁，其單樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求；④卵石作為粗骨料施工CFG樁可行，值得推廣。

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