深厚軟土層CFG樁板復合地基加固效果評估

陳 麟

(中鐵五局集團有限公司,貴陽 550002)

1 概況

哈大鐵路客運專線新營口站位于營口大石橋市東南部老邊區柳樹鎮附近,緊鄰渤海灣及遼河入海口,系典型的濱海相沉積地層。站場內地層廣泛分布有黏土(人工種植土)、粉質黏土、粉土、淤泥質粉質黏土等,松軟土及軟土富含有機質及腐殖質,見貝殼碎片,流塑、局部軟塑。僅在站場南端西海特大橋橋臺的鉆探中揭示有全風化的元古代遼河群(Ptlh)及太古界鞍山群(Aran)片麻巖,其層頂厚度55 m。新營口站設計里程為DK217+241.6～DK219+500,其中DK217+241.6～DK219+005.68段為路堤,長度約1.76 km。路堤平均填土高度約7 m,地面高程1.810～7.025 m,地形平坦,地表主要為稻田、蔬菜大棚、魚塘等。場地內淤泥質粉質黏土及飽和粉土互層,重度γ0=18.1～20.0 kN/m3,含水量w=24.9%～40.4%,黏聚力Cq=11.8～67.5 kPa,內摩擦角φq=4.5～29.2°,各土層特征值fk=80～200 kPa,如圖1所示。

復合地基加固采用“樁(CFG樁、水泥攪拌樁)+0.1 m厚碎石墊層+0.5 m厚鋼筋混凝土板(板兩側為0.5 m厚褥墊層)”的結構形式。CFG樁樁徑0.5 m,樁長30 m(站臺范圍樁長25 m),間距1.5 m,呈梅花形布置；CFG樁中間插打水泥攪拌樁(以下簡稱MIP樁,與CFG樁錯排布置),樁徑0.5 m,樁長12 m,試驗段測試元件布置見圖2。

圖1 新營口站平面及試驗段地質剖面示意

圖2 部分測試元件布置示意(單位：m)

2 復合地基施工及試驗段實測

2.1 復合地基施工簡要

2007年10月開始進行CFG樁的施工,完成第1根樁混凝土澆筑后,發現混凝土充盈系數達到1.53,之后按“隔一打一”方式進行第2根樁施工,當鉆進約20 m深時,第1根已經灌注的樁頭突然發生下沉,下沉量約2.4 m。經分析認為地層中、上部流塑狀態的軟土層是造成擴、竄孔的主要因素,隨后又按“隔二打一”方式施工,充盈系數仍然維持在1.36～1.44水平上,而樁頭下沉為0.5～1.2 m,有一定回落趨勢。最后按“隔三打一”并調整混凝土坍落度、撥管速度等工藝參數進行施工,平均混凝土充盈系數為1.4,樁頭下沉在0～0.3 m,基本解決了樁頭下沉問題,見圖3(a)～3(c)所示。由于采取“隔三打一”措施,同一排CFG樁(沿路基橫斷面)需要13個回合才能施工完畢,加上清理余土、鉆機轉移(并避讓已成樁)等因素后,實際CFG樁施工效率降低約2/3,至2009年3月才完成復合地基的施工,扣除兩個冬休期6個月,有效施工時間約12個月。如按正常“隔一打一”方式則約需5個月的有效施工時間即可完成。

圖3 各施工階段圖片

從現場CFG樁施工所鉆出的軟土來看,基本呈青灰色軟塑～流塑狀,個別地段軟土、松軟土與飽和粉土互層,極個別情況下的軟土與流塑狀泥沼接近。

2.2 試驗段測試布置

經過對車站地質縱斷面及現場實際調查,考慮試驗斷面的代表性及無砟軌道施工時便于持續觀測等因素后,選取DK217+680、DK217+700兩處作為試驗斷面。所埋設的測試元件以觀測CFG樁、MIP樁、樁間土、鋼筋混凝土板、土工格柵、孔隙水壓力、路基的垂直、水平位移等受力、變形情況為主,所用測試元件主要為受力和變形兩大類,其中土壓力盒、孔隙水壓計、鋼筋應變計為受力類測試元件,柔性傳感器、單點沉降計、液位計、剖面沉降管、測斜管、磁環沉降管、沉降板及應變計為變形類測試元件,其布置如圖2所示。

圖4 樁及樁間土應力

2.3 測試結果

2.3.1 樁、土應力

表1為試驗段路基實際施工時序,由圖4可知,在路基本體施工期間,隨著填土荷載的增加,CFG樁樁頂應力在0.25～1.75 MPa變化,路基中心處的樁頂應力為填土荷載自重壓力的13.9倍,且離路基中心越遠CFG樁樁頂應力越小。MIP樁樁頂應力則在39～210 kPa變化,從路基橫斷面來看,應力變化較小,如圖4(a)、(b)所示；在填土→預壓→卸載→無砟軌道施工過程中,路肩以內的CFG樁和MIP樁樁頂應力變化反映了荷載加載歷史的變化。從圖4(d)可知,地表處CFG樁樁-土應力比在15～281變化,而CFG樁與MIP樁樁頂應力比則在1.5～11.2變化,至2010年7月30日其比值分別維持在161.7、9.3；而MIP樁與樁間土的應力比則變化較小,平均為17.7。這充分說明,復合地基中的CFG樁是主要的承載構件,其樁土應力比隨荷載的變化而呈正相關變化,MIP樁則主要對樁間土體起局部加固作用,加固區的樁間土承受的荷載非常小,從實測來看,樁頂下0～4 m范圍實測的樁間土壓在整個加載歷史中均在4.5～11.0 kPa變化,至2010年7月30日地表處樁間土附加應力維持在9.4 kPa左右。

表1 試驗段路基施工時序

2.3.2 孔隙水壓

測試結果表明,加固區內孔隙水壓與土體深度呈近似線性關系。各深度位置的孔隙水壓力隨著填土荷載的增加而增加,在堆載預壓期間則有消散趨勢,在整個施工期間孔隙水壓則會隨環境降水強弱而有所波動。而超孔隙水壓基本為負值,最小值為-50 kPa。

2.3.3 變形及沉降

(1)地基沉降

圖5 各類沉降時程

圖5(a)、(b)為CFG樁樁頂及地表樁間土剖面沉降管的實測沉降時程曲線,從圖中可知,樁頂最大沉降值為41.7 mm,發生最大沉降的測試日期為2010年7月24日；在鋼筋混凝土板范圍內沉降值波動很小,沉降曲線較板以外均勻；而樁間土的最大沉降值為44.6 mm,發生最大沉降的測試日期為2010年7月24日。圖5(c)則系根據剖面沉降管路基中心處地表沉降記錄整理出來的沉降曲線,可知復合地基沉降已經趨于收斂。

(2)分層沉降

根據單點沉降計的測試,圖5(d)系地表以下0～30 m、0～40 m的分層壓縮情況。至2010年7月30日,0～30 m復合地基加固范圍壓縮量6.5 mm,而地表以下0～40 m范圍土體壓縮量32.6 mm。可知復合地基的沉降主要來自下臥層,而下臥層的沉降約占總沉降的80%。

(3)鄰近施工觀測斷面

圖6則為鄰近施工斷面的沉降板觀測情況,觀測期內最大沉降值在40.2～44.4 mm。

根據評估單位審批的新營口站路基沉降評估報告顯示,48個沉降板觀測斷面在堆載預壓6個月后的累計沉降量在24.8～45.4 mm,其中最小值發生在DK217+310斷面,最大值發生在DK217+950斷面。

3 數值模擬分析

根據地勘報告提供的各土層參數并結合現場復合地基載荷試驗結果以及加載強度(填土、預壓、運梁荷載、無砟軌道施工等)、加荷速率情況,采用目前土工結構較流行的FLAC3D和Plaxis軟件建模分析,以便在數值分析中用有限差分和有限元相互對照比較[2]。

圖7(a)、(b)分別是兩個軟件的網格模型。由于對稱關系,以路基中心為對稱軸,取對稱斷面進行分析。模型的橫向寬度取半個路基寬度的3倍,深度按土體豎向附加應力小于0.1倍的自重應力來確定。模型底部采用固定邊界,側表面限制其水平向位移,將CFG樁和MIP樁結構單元與土體單元進行耦合,地基土體視為摩爾-庫倫理想彈塑性材料,路基填料、CFG樁、混凝土板等視為線彈性材料。為更好地模擬各單元之間的耦合情況,在有限元分析(Plaxis)中引入接觸單元(Interface Element),用以模擬鋼筋混凝土板、土工格柵、CFG樁、MIP樁等結構單元與土體之間的接觸狀況。

圖7(c)為路基中心處CFG樁樁身附加應力分布情況(FLAC3D),其值在1.30～1.49 MPa變化,呈上下端大而中部略小的分布形態；圖7(d)則是FLAC3D和Plaxis分別給出的樁間土附加應力的分布情況,由圖可見,加固區內樁間土附加應力很小,在樁上部約28 m范圍的附加應力值在1.54～12.17 kPa,平均約3.5 kPa。樁下部28～30 m段則突變至110～140 kPa,然后再隨深度遞減,正是由于樁板復合地基在深厚軟土層中的這種荷載傳遞特性,說明其沉降主要來自下臥層,表2中Plaxis分析結果表明下臥層的沉降占總沉降的78.5%,與實測基本一致；圖7(e)則為數值分析給出的施工階段固結沉降曲線,從圖中可知,堆載預壓結束時的理論沉降量為59 mm,理論最終沉降量約為69 mm,可以滿足工后沉降小于15 mm的要求。

圖7 數值分析結果

4 現場實測與數值模擬比較

根據表2給出的現場實測與數值模擬結果,比較分析如下：

(1)CFG樁、MIP樁的樁頂應力實測值與理論分析結果在1.46～1.52 MPa,符合性較好。

表2 現場實測與數值分析部分結果對比

注：1.“鄰近施工斷面觀測值”系DK217+950斷面2010-6-25觀測值,擬合后預測最終沉降為48.1 mm；

2.“試驗段測試值”欄內復合地基總沉降值系0～40 m范圍地層壓縮值,而剖面管測試的地表總沉降值為44.6 mm,測試時間為2010-07-30,見圖6(c)。

(2)實測樁頂0～4 m范圍的樁間土附加應力分布與數值模擬基本一致。

(3)在分層沉降中：①數值分析復合地基加固區壓縮量較單點沉降計實測值大8.33 mm。②數值分析表明,至2010年7月24日的沉降值為60.4 mm,最終沉降為68.8 mm。2010年7月24現場剖面管測試值為44.5 mm,而根據DK217+710斷面實測系列擬合后最終沉降預測值為47.6 mm。理論分析與現場實測二者分別相差15.9、21.2 mm。③盡管實測與理論分析有一定差距,但理論分析所揭示的規律則與實測是一致的,如荷載傳遞規律、下臥層的沉降是總沉降的主要部分等。

(4)有關研究顯示[4～5],營口地區淤泥質粉質黏土隨應力水平增加表現出非線性流變特性,如圖8所示。當復合地基加固區土的附加應力(有效應力)很小時,如本案例加固區僅在1.54～12.17 kPa之間,此時軟土的非線性黏塑性黏滯系數變化很小且隨時間增加近于水平直線。而土的附加應力在CFG樁底端則達到110～140 kPa。由圖8可知,當土的有效應力為118 kPa時,塑性黏滯系數則呈明顯的非線性變化。由此可見,正是由于樁板復合地基的這種以樁為主要傳力構件的特性,使得加固區內盡管有軟土存在,但因其有效應力很小,所以樁間土的固結變形亦很小,加固區的壓縮變形則以復合地基壓縮變形為主,但由于CFG樁的存在,加固區的壓縮變形量有限,這也從理論上證明了樁板復合地基的沉降主要來自下臥層這一結論。

圖8 營口地區軟土黏塑性黏滯系數

盡管常用的本構關系(如摩爾-庫倫模型等)尚不能全面描述軟土的流變特性,但仍然可以對實測參數進行擬合,并與特定現場條件建立對應關系。所以,盡管理論分析與現場實測在量值上始終有所差異,但理論分析所揭示的規律性則是可信的。

(5)秦沈客運專線是我國最早修建的準高速鐵路,為探索、研究軟土地基加固的可靠性采用了當時主流的軟土加固手段。以A-14標段為例[3],從DK271+040到DK280+600,路基長約9.6 km,軟土地基加固形式有換填砂墊層、袋裝砂井、粉噴樁、碎石樁、塑料排水板等。從62個觀測斷面實測沉降值來看,除個別將淺層軟土挖除換填地段外,路堤施工2年后的沉降為120～380 mm,平均沉降量為200 mm。雖然其中也有粉噴樁、碎石樁等樁基加固形式,但主要還是以排水固結方式為主,況且粉噴樁、碎石樁等單一加固手段的荷載傳遞效率遠不能和現在廣泛采用的CFG復合地基相比,所以這一段路基在觀測期內沉降量平均達到了200 mm,預測年均沉降速率達到了5.6～16.4 mm(指2002年6月后5年內的年均沉降速率)。由此可見,CFG復合地基技術具有較短施工周期、最終沉降和工后沉降很小的優勢，是其他軟土加固技術所無法比擬的。

與哈大客運專線先后開工建設的還有武廣客運專線、京滬高速等也采用了CFG復合地基加固軟土路基的案例。如武廣客運專線清源境內某軟土路基采用CFG樁(樁長20 m)+褥墊層的形式,由于樁基置于較可靠的(上古生界泥盆系上統天子嶺組)灰巖層上[7],雖然達到了軟土地基加固效果,但其樁-土應力比很小,樁的潛力尚未得到充分發揮。京滬高速某試驗段的工程地質與新營口站類似,可作為持力層的粉砂層的層頂厚度達到33.6 m,經試驗研究后[8],提出樁板結構具有較明顯優勢,并指出如采用樁網結構則宜增加樁帽的建議。

5 結語

結合新營口站工程地質、水文、復合地基加固方式、階段施工特點等條件以及理論分析的情況,經上述比較分析后可以得出如下結論。

(1)深厚軟土層樁板復合地基的承載特性

加固區土體附加應力無論是從實測(樁頂以下0～4 m)還是數值模擬的情況來看,平均只有數 kPa,分析表明在樁底端處土體附加應力增大至110～140 kPa后呈遞減趨勢,說明樁板復合地基有效地改變了加固區土體的結構,起到了類似剛性基礎的作用,將上部荷載有效地傳遞至深層土體。

(2)深厚軟土層樁板復合地基的變形特性

從本案例的實測與分析來看,加固區的壓縮變形量主要由CFG樁板復合地基的設計參數決定,CFG樁在樁間土的側向約束下,其壓縮變形量有限。下臥層土體盡管仍然具有較大的可壓縮性,但其壓縮量則由其有效應力水平決定,隨著深度的增加,土體自重應力越來越大,由上部荷載影響而產生的附加應力畢竟有限,因此最終沉降和工后沉降能夠較好地得到控制,而下臥層的附加應力分布狀況及其土體流變特性則決定了復合地基的最終沉降量。

(3)新營口站CFG樁板復合地基特點

①鋼筋混凝土板主要起到將上部荷載較均勻地分配到CFG樁及MIP樁上,并對板范圍內不均勻沉降有明顯的改善作用。

②雖然MIP樁相對CFG樁較柔,但其對CFG樁間土的加固作用不可小視。特別當軟土厚度大、與松軟土互層時,在CFG樁間插入MIP短樁是值得采用的一種方法。

③根據路堤等恒載及活載分布情況,沿路基橫向分區域設置長短CFG樁是明智的作法。

④根據調整后預壓土高度的沉降觀測擬合分析表明,當預壓6個月后即可滿足無砟軌道鋪設評估技術條件要求。

從CFG復合地基加固技術發展來看,從單一樁到樁-網結構到樁-帽結構再到樁板(筏)結構,發展到插入MIP短樁、根據地基上部荷載特點進行長短CFG樁布置,應該說,新營口站復合地基正是這種多元復合地基的一種嘗試。

(4)加固效果

從現場48個施工觀測斷面的沉降評估結果來看,新營口站路基觀測期內的沉降在27.6～48.1 mm,預測工后沉降為1.4～4.4 mm,相鄰斷面工后沉降差3.1～3.8 mm,路橋過渡段差異沉降、折角均遠小于規范值,滿足無砟軌道鋪設評估技術條件要求。

(5)建議

①復合地基如采用樁帽結構,如哈大客運專線新蓋州站即為樁帽結構，因樁帽需投入大量一次性模板,其實際施工效率和成本并不比樁板結構低。因此,對于工程量較大的深厚軟土層CFG復合地基,以采用樁板結構為宜。

②深厚軟土層CFG復合地基工程量較大,僅新營口站CFG樁就達到110萬m,約合40 000余根,不僅充盈系數達到1.4、且鋸平樁頭工作量就達到約4萬個,加上“隔三打一”的低效率,應及時在概、預算定額中反映這些因素。

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[2]中鐵五局集團有限公司，西南交通大學.深厚軟土層CFG樁板復合地基加固綜合技術研究報告[R].貴陽：中鐵五局集團有限公司，2010.

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