CFG樁復(fù)合地基加固技術(shù)在莘縣特大橋的應(yīng)用

尹光凱

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100089）

0 引言

隨著巖土工程加固技術(shù)的快速迭代，單一地基處治技術(shù)逐漸被復(fù)合處治技術(shù)所替代。CFG 樁（Cement Flyash Gravel Pile）是水泥、砂、卵碎石等一系列原材料在夯擊作用下形成的樁體，再通過與褥墊層和樁間土共同組成了CFG樁復(fù)合地基，CFG樁屬于剛性樁和柔性樁之間的樁型[1-2]。與其他樁基礎(chǔ)不同的是，CFG復(fù)合地基的樁與樁之間能夠?qū)崿F(xiàn)共同作用，由此形成受力整體，對來自上部的荷載進(jìn)行有效承擔(dān)[3]。針對天然地基不均勻、穩(wěn)定性較差的情況，CFG 樁復(fù)合地基處理技術(shù)具有加固效果好、安全性和靈活性較優(yōu)等優(yōu)點，在鐵路工程、多層建筑中逐步得到推廣。

但在現(xiàn)代鐵路工程，特別是特大橋工程中，CFG 樁雖然有一定的應(yīng)用，但對CFG樁復(fù)合地基加固措施的分析較少，影響其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，本文以莘縣特大橋CFG樁為例，提出了針對性的復(fù)合地基加固措施，以期提高橋梁加固施工的工程質(zhì)量。

1 工程概況

本次選擇的標(biāo)段為莘縣特大橋，線路位于華北平原西南緣，主線起點位于聊城莘縣，終點位于山東和河南省的交界處，正線全長27.7km。該線路從聊城市莘縣尹營村開始，途經(jīng)十八里鋪鎮(zhèn)和張寨鎮(zhèn)，止于河南與山東的省界。該條線路地貌類型主要是沖洪積平原和黃河沖擊平原，地勢開闊，地形平坦，地表主要為耕地，局部是林地和城鎮(zhèn)。城市、居民點和村鎮(zhèn)分布密集，田地和種植區(qū)廣袤分布，并有縱橫交錯的灌溉河渠。

在地質(zhì)情況方面，其隸屬于華北地層系，且具有較廣的分布范圍。地層主要是第四系全新統(tǒng)沖積層粉土、黏土及粉砂等，局部含有少量的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，并伴有不少鈣質(zhì)結(jié)核，通過測量，該層厚度在20~50mm之間。第四系上同樣含不規(guī)則鈣質(zhì)結(jié)核，局部富集厚度為30~40cm。下伏基巖主要是泥灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖等，局部上覆填筑土、素填土以及人工堆積而成的雜填土，厚度具有較大的變化幅度。

地質(zhì)構(gòu)造方面，位于華北地震區(qū)，地震活動較為強(qiáng)烈。自中生代以來，該處地殼運動保持以下降為主的趨勢，新生界地層覆蓋較厚，因此掩蓋大部分構(gòu)造形跡。標(biāo)段內(nèi)以太子河、草佛寺溝、范莘干渠等7條河流為主，第四系孔隙潛水是主要的地下水類型，賦存于粉土和砂類土中，埋深1.5～23.2m，水質(zhì)較好。標(biāo)段線路為暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，春季干旱少雨，夏季炎熱，雨量充沛。秋季旱澇不均，冬季雨雪稀少。

2 CFG樁復(fù)合地基加固施工要點

2.1 施工前準(zhǔn)備

施工前需清理和平整場地，同時確定具體的開挖設(shè)計標(biāo)高，即樁頂標(biāo)高加上0.5m。然后通過光輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓。鉆機(jī)就位需要穩(wěn)固、平整，切忌出現(xiàn)移動和傾斜。平整場地后通過紅線兩側(cè)排水溝進(jìn)行排水，并由石灰畫網(wǎng)格線實現(xiàn)準(zhǔn)確定位[4]。為了實現(xiàn)鉆孔深度的精準(zhǔn)控制，鉆架上必須配備控制深度的標(biāo)尺。同時鉆機(jī)就位后樁位中心與鉆桿需保持垂直對準(zhǔn)狀態(tài)，樁位縱橫方向的偏差限定在5cm 之內(nèi)，確保CFG 樁垂直度偏差在1%以下。

2.2 混合料配制

基底通過CFG 樁進(jìn)行加固，樁徑為0.5m，間距為2.2m。碎石墊層鋪設(shè)于樁頂，厚0.5m，并在墊層中有一層雙向徑編滌綸土工格柵。樁帽為C35混凝土，混合料強(qiáng)度在C20 以上。CFG 樁樁體混合料是由碎石、水泥、砂、屑、粉煤灰加水?dāng)嚢瓒伞Ｆ渲?，水泥采?2.5級以上普通硅酸鹽水泥；石屑率控制在0.25～0.33之間；采用含泥量為5%以下的干凈中粗砂；粉煤灰細(xì)度保持在45%以下。在質(zhì)量控制中，碎石粒徑控制在20mm內(nèi)，進(jìn)場原材料按照批次試驗，砂含泥量始終在5%以下。

在進(jìn)行混合料攪拌時，攪拌時間必須在60s以上，坍落度控制在160~200mm范圍內(nèi)。

2.3 鉆孔成樁

長螺旋鉆孔成樁技術(shù)采用非擠土方法鉆孔，可明顯減少對樁土的擾動，鉆孔優(yōu)勢較強(qiáng)，因此莘縣特大橋CFG樁采用長螺旋鉆孔和管內(nèi)泵壓混合料成樁。

按照已設(shè)計的樁徑、樁深鉆進(jìn)成孔。CFG樁樁點設(shè)置如圖1所示。

圖1 CFG樁樁點設(shè)置

鉆頭到達(dá)既定標(biāo)高，以動力頭底面所在位置相應(yīng)的鉆機(jī)塔身作為樁長控制的依據(jù)，鉆機(jī)施打按照線路中心線逐步擴(kuò)散至兩側(cè)進(jìn)行[5]。所有樁的投料量需要多于設(shè)計的灌注量，拔管必須在混合料充滿鉆芯管后進(jìn)行，速率應(yīng)在1.2~1.5m/min范圍內(nèi)。在此過程中，拔管以混合料充滿鉆桿芯管為判斷標(biāo)準(zhǔn)，樁頂浮漿維持在50cm 上下，完成灌注成樁才能進(jìn)行樁頭處理，并且需要養(yǎng)護(hù)樁頂覆蓋。同時在成樁過程中需要保證鉆頭一直在混合料中，并避免停機(jī)待料情況出現(xiàn)。上一根樁完成后，通過鉆機(jī)移位施工下一根樁，此過程需要復(fù)核施工樁位，最大程度上保證樁位的準(zhǔn)確性。

移動鉆機(jī)時防止擾動已灌注好的樁，避免造成淺層斷樁和未凝固的樁體斷裂或變形。CFG樁施工完成7d后，利用小型挖掘機(jī)將高于樁帽頂20cm樁間土挖除，采用人工清理至樁帽頂上5cm位置，將棄土清理至施工區(qū)域外，采用小型振動壓路機(jī)碾壓夯實樁間原狀土，盡量保證原狀土高程與樁帽頂設(shè)計高程相一致。CFG 樁樁頂設(shè)樁帽為圓形，主要制作材料為C35 鋼筋混凝土，直徑為1.2m，嵌入樁頂0.1m，厚0.4m。

通過鉆機(jī)本身的垂直度調(diào)控器進(jìn)行垂直度的調(diào)節(jié)，在下沉前，鉆桿垂直度必須保證復(fù)合調(diào)整，偏差控制在1%以內(nèi)。由于混合料坍落度達(dá)到一定程度時，產(chǎn)生的樁頂浮漿會過多，影響了樁體強(qiáng)度，所以將混凝土攪拌時間保持在120s。嚴(yán)格把控拔管速率，以避免樁頂浮漿過多或縮頸斷樁。

3 試樁內(nèi)容與方法

CFG 樁的受力特性始終在素混凝土樁和碎石樁之間，為了驗證所設(shè)計的CFG樁在最大承載力方面的良好表現(xiàn)，在施工前通過試樁，對豎向承載力下所呈現(xiàn)的破壞性進(jìn)行檢測。

3.1 試驗加載終止條件

3.1.1 單樁加載終止條件

采取慢速荷載法對單樁豎向靜載進(jìn)行檢測，此過程的加載終止條件有3種。

（1）在施加一定級別的荷載下，樁頂沉降量比上一級荷載沉降量高出5倍，樁頂總沉降量大于40mm；

（2）某級荷載施加下，樁頂沉降量高于上一級荷載沉降量的2倍，同時經(jīng)過24h后，樁頂沉降并不滿足相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；

（3）已經(jīng)達(dá)到設(shè)計的最大加載值。

3.1.2 復(fù)合地基終止加載條件

復(fù)合地基的終止加載條件有4種情況：

（1）沉降量出現(xiàn)急劇增加，壓板周圍有明顯裂縫，或者有土被擠出[6]；（2）累計沉降量已經(jīng)為90mm；（3）累計沉降量超過荷載板寬度的10%；（4）某級荷載施加下，沉降量高出前一級兩倍，歷時24h并未穩(wěn)定。

滿足其中一個條件，即可終止加載。根據(jù)實際情況，設(shè)計的加載裝置示意圖如圖2所示。

圖2 加載裝置示意圖

3.2 試樁過程及承載力計算

3.2.1 試樁過程

試樁時，將預(yù)估最大荷載的1/10作為加載級差，并經(jīng)逐級等量加載。對于第一級，選擇2倍加載量實施加載，并且在所有級的荷載維持中，確保數(shù)值穩(wěn)定。每次加載完成后，按照第5min、15min、30min和60min進(jìn)行試樁沉降量的測試，并且每隔30min測讀一次，直到所得沉降速率能夠滿足相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，才實施下一級加載，這是對于測讀時間的規(guī)定。在卸載階段，所有級別的荷載維持時間均為1h，同樣按照第5min、15min、30min 和60min的時間節(jié)點進(jìn)行測讀，到達(dá)0時，測定處于穩(wěn)定狀態(tài)的殘余沉降量，通常在180min 左右。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為在1h內(nèi)所呈現(xiàn)的沉降量小于0mm，并且此種情況需要連續(xù)出現(xiàn)2次。

3.2.2 單樁承載力試驗

對于CFG單樁承載力，其計算公式如式（1）所示。

式中：Rk——單樁承載力所要求的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

UP——樁的周長，m；

i——土的層數(shù)；

qsik——極限側(cè)阻力所定標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

消除大學(xué)新生學(xué)習(xí)上迷茫感需要學(xué)校、教師以及學(xué)生三方力量，形成合力。在此過程中主體是學(xué)生個體自身，但同樣需要學(xué)校和教師可以做一些全局性和指導(dǎo)性的工作，為大學(xué)新生更好地適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)保駕護(hù)航。

hi——第i層土的厚度；

AP——單樁截面面積，m2；

qpk——樁端土要求的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

k——安全系數(shù)，范圍在1.5~1.6之間中。

3.2.3 復(fù)合地基承載力計算

CFG樁復(fù)合地基所具有的承載力按下式計算：

式中：fsp,k——復(fù)合地基承載力所得標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

m——面積置換率；

α——樁間土強(qiáng)度提高系數(shù)；

β——樁間土強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)；

fs,k——天然地基承載力求得的標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

4 CFG樁復(fù)合地基加固質(zhì)量檢驗結(jié)果分析

4.1 承載力檢測

檢驗CFG樁處理后的單樁以及復(fù)合地基承載力，通過檢測機(jī)構(gòu)抽檢總樁數(shù)的2‰，并將抽檢路段劃分為A、B、C、D、E五個區(qū)域，所得CFG單樁和CFG復(fù)合地基的承載力和回彈率統(tǒng)計?？倶稊?shù)2‰的抽檢結(jié)果表明，CFG復(fù)合地基的回彈率最高超過了30%，且承載力都在800kN以上，承載力較高，滿足工程質(zhì)量要求。

4.2 工程質(zhì)量檢驗

對于該工程的質(zhì)量檢驗，首先通過單樁靜載荷試驗和復(fù)合地基靜載試驗進(jìn)行。從該工程的CFG 樁中隨機(jī)選取6 個樁，CFG 單樁樁號分別命名為O、P、Q，CFG 復(fù)合地基中的樁號則命名為X、Y、Z，然后由CFG樁的靜載試驗得到復(fù)合地基P-S 曲線和單樁F-S 曲線變化情況見圖3。

圖3 復(fù)合地基P-S曲線和單樁F-S曲線

通過曲線分析可知：根據(jù)CFG 復(fù)合地基從740kPa到148kPa 荷載下，與橫軸總體上保持平行，僅僅在148kPa 到0kPa 階段存在較大回彈。在具有代表性的118#、147#和169#三根樁號荷載試驗中，所得結(jié)果如圖4所示。從圖4中可知，CFG復(fù)合地基最大沉降量分別為15mm、12mm 和11mm，均在20mm 以內(nèi)，且未發(fā)生Q-S曲線陡降，驗證了該方法的有效性，同時也說明該加固工程能夠滿足質(zhì)量檢驗要求。

圖4 三根樁號荷載試驗下的Q-S曲線

5 結(jié)束語

CFG 樁以施工簡便，耗時較短的特點，在建筑工程中應(yīng)用優(yōu)勢顯著。本文以莘縣特大橋的某一標(biāo)段工程為例，首先分析了該段工程的施工特點，然后提出了CFG樁復(fù)合地基加固施工要點，最后通過承載力測定和靜荷載試驗對工程質(zhì)量進(jìn)行了檢驗。結(jié)果表明，在總樁數(shù)2‰的抽樣檢驗中，CFG樁處理后的復(fù)合地基承載力均在800kN 以上，質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求，為橋梁地基加固工程施工及質(zhì)量管理提供了參考。

需要提出的是，該方法對于CFG樁承載力的計算并沒有進(jìn)行相應(yīng)地優(yōu)化，可能影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此有待在此方面進(jìn)一步探討。