基于CFG樁處理的硬殼軟土路基變形特性研究

黃 靜

(宜賓市投資集團有限責任公司，四川宜賓 644000)

1 工程概況

該工程路線穿越段為耕地，為一緩坡地帶，局部見基巖出露，有較強烈的侵蝕、溶蝕作用；相對高差最大約72.3m。軸線所跨地段地形相對最大高差13m。本地段內分布著淤泥質黏土等軟土，軟土具有含水量高﹑孔隙比大和低透水性等特點，最深處達14m，工程性質較差，是典型的硬殼軟土地基。此軟土地基經過穩定性計算和沉降計算均不能滿足規范要求，其承載力低，變形大，必須進行軟基處理后才能進行路基的填筑。

根據地質勘查探明的路段軟基性狀，結合現場實際、工期以及施工單位設備能力，決定采用CFG樁復合地基。因此，弄清CFG樁加固硬殼軟土路基的變形特性，成為正確使用CFG樁的必備條件。

2 CFG樁復合地基的作用原理

CFG樁主要是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑、砂加水拌合，通過專門機械施工而成的低標號混凝土樁。其主要骨料是碎石，石屑以及砂等；粉煤灰主要起細骨料和低標號水泥的作用，提高CFG樁樁體的承載力；水泥則主要起粘結作用。CFG樁體強度大小應在C10～C25之間，高低直接受水泥的摻量多少影響。褥墊層是由級配碎石和砂等集料構成的。CFG樁與樁間土以及褥墊層共同作用組成了CFG樁復合地基。

經設計計算分析，本段CFG樁樁長為樁尖埋入軟基下承載力較好的碎石土層內50cm，樁頂至整平后的原地面；樁徑為40cm；樁間距為140cm，按照正三角形形式布置；樁身采用抗壓強度不小于15MPa水泥粉煤灰碎石混合料；為綜合利用樁間土以及硬殼層的承載力，避免樁頂刺入回填路基體，造成樁體單獨承擔上部荷載，樁頂設置厚度為40cm、公稱最大粒經不超過20mm的滿鋪級配碎石褥墊層。

3 CFG樁復合地基處理檢測

CFG樁復合地基施工結束后21～28d，便可通過檢測來評判CFG樁的質量以及處治效果。下面依次介紹CFG樁樁身強度檢測、樁身完整性檢測、CFG樁承載力檢測，通過檢測數據獲得樁和土以及地基的強度特征，來總結CFG樁復合地基對于軟土地基的加固情況。

3.1 CFG樁樁身強度檢測

3.1.1 樁身混凝土試塊的制作和養護

混凝土的強度檢驗評定按照國家標準《混凝土強度檢驗評定標準》(GB/T50107-2010)的規定進行。混凝土強度評定的試塊分為標養試塊和同養試塊，標養試塊是指在標養室養護的試塊，規范規定標養試塊是在溫度20±3℃，濕度差異小于10%，標準養護28d；同養試塊是指在澆注現場隨機抽取混凝土制作的試塊，同養試塊是在施工現場隨機抽取并在現場依現場養護條件日平均溫度累積至600℃的試塊。同時，還規定了等效的養護周期不宜小于14d也不宜大于60d。

3.1.2 混凝土強度檢驗評定方法

本試驗段混凝土強度以標準養護、齡期為28d的試塊抗壓試驗結果為準。每組試件為三塊150mm×150mm×150mm的標準試塊。其強度評定方法有以下兩種。

(1)對于小批量零星混凝土的生產方式，其數量有限，不具備按統計方法評定混凝土強度的條件，可用非統計方法評定混凝土強度。用此法評定混凝土強度時，試件組數n≤9組成一個檢驗批，其強度應同時滿足下列公式的要求。

mfcu≥1.5fcu,k

(1)

fcu,min≥0.95fcu,k

(2)

式中：mfcu為同一批次混凝土抗壓強度的平均值；

fcu,k為混凝土抗壓強度標準值；

fcu,min為同一驗收批次混凝土抗壓強度的最小值。

(2)當同強度混凝土試件不少于10組，可按照統計法進行混凝土強度的評定，其強度應同時滿足下列公式的要求:

mfcu-λ1sfcu≥0.9fcu,k

(3)

fcu,min≥λ2fcu,k

(4)

式中：Sfcu為同一批次混凝土抗壓強度的標準差，當Sfcu計算值小于0.06fcu,k時，取Sfcu=0.06fcu,k；

λ1，λ2為判定系數，按表1取值。

表1 混凝土抗壓強度合格性判定系數

本工程于2012年10月依托工程試驗段進行CFG樁施工，分別于2日、9日和13日在CFG樁現場施工期間取樣，制成(150×150×150)mm模塊分別置于室溫20℃相對濕度63%、室溫20℃相對濕度62%和室溫19℃相對濕度58%的環境下進行實驗室養護28d，并通過試驗測得CFG樁樁身試塊平均抗壓強度為21.5MPa，符合設計指標。詳細試驗數據見下表2、表3以及表4。

表2 室溫20℃相對濕度63%抗壓強度統計

表3 室溫20℃相對濕度62%抗壓強度統計

表4 室溫19℃相對濕度58%抗壓強度統計

3.2 CFG樁樁身完整性檢測

根據CFG樁質量檢測標準，本次檢測儀器采用美國PDI公司生產的PIT檢測儀，檢測方法為低應變無破損反射波法檢測樁身完整性以及樁長。

其檢測原理為：

在被測樁頭施加一個瞬時激振力，使樁身產生壓縮應力波，應力波通過并沿樁身向下作質點運動，同時把樁看作一個一維彈性桿件，應力波在樁身中的運動規律滿足一維波動方程，即：

(5)

(6)

式中：u為樁身軸線位移；E為彈性模量；c為應力波傳播速度；ρ為樁身密實度。

當樁身存在明顯波阻抗界面(如樁底、斷樁)或樁身截面積變化(如縮徑或擴徑)部位，將產生反射波。經接收放大、濾波和數據處理，可識別來自樁身不同部位的反射信息。檢測分析反射波的傳播時間、幅值、相位和波形特征，得出樁身缺陷的位置、大小、性質等信息，最終對樁基的完整性給予評價。

通過對依托工程試驗段CFG樁基進行的樁身完整性檢測，根據對實測數據的整理、分析認為：本次所檢測的400根樁基中，Ⅰ類樁241根，占總樁數的60.25%，Ⅱ類樁159根，占總樁數的39.75%。

根據《公路工程基樁動測技術規程》(JTG/TF81-01-2004)規定，樁身完整性類別應按表5劃分。

表5 樁身完整性類別劃分

3.3 CFG樁復合地基承載力檢測

在CFG樁施工完21～28d后，即使CFG樁周圍土體充分固結后，再進行CFG樁復合地基承載力的檢測，檢測方法為靜載試驗法。

下面選擇典型斷面上的一個CFG樁樁基進行單樁復合地基載荷試驗，其CFG樁單樁復合地基載荷試驗數據如表6所示，根據由實驗數據生成的曲線圖1、圖2、圖3進行詳細說明檢測復合地基承載力試驗的過程。

表6 CFG樁單樁復合地基載荷試驗記錄

圖1 P-S曲線

圖2 S-lgP曲線

圖3 S-lgt曲線

統計實驗數據，通過單樁復合地基載荷試驗Q～S關系曲線可得，在加載至496KN時，地基總沉降量為44.22～66.71mm，且未超出承壓板直徑的6%(1 260×6%=75.6mm)，Q-S曲線未出現明顯陡降，從時間沉降曲線看，各級荷載所對應的時程曲線均較平坦，未見明顯下彎。以上情況表明，該試驗點地基受壓尚未進入極限狀態，承載能力有少許余量。根據JGJ79-2002規范中復合地基荷載試驗要點，該試驗點地基的極限承載力應取末級荷載(496/1.24=0.4MPa)，承載力特征值應取極限承載力的一半(0.4/2=0.2MPa)與S/b=0.015對應荷載值二者中小值。詳細CFG樁檢測表結果見表7。

表7 CFG樁檢測結果

通過表2可知，10個試驗點的地基承載力特征值極差未超過平均值(0.20MPa)的30%，所以可取平均值作為該工程單樁復合地基的承載力特征值依據實驗數據，該工程單樁復合地基承載力特征值為0.20MPa，達到設計要求，滿足設計規范。

3.4 樁土應力比檢測

樁土應力比是反映復合地基工作性狀的一個重要參數，對地基穩定性驗算和地基承載力計算均十分重要，它反映了復合地基中應力的集中情況。樁土應力比的確定無外乎試驗法、數值分析和解析法三種。試驗法是通過在試樁現場試樁樁頂、土層表面預埋土壓力盒，借助靜載荷試驗直接測試樁頂與樁間土應力，根據定義求出樁土應力比值，此方法結果最接近實際情況。

本試驗段在做單樁復合地基靜載試驗的同時，也檢測了在不同荷載作用下時的樁土應力比。分別選取兩個斷面CFG樁樁頂以及樁間土埋設土壓力計進行樁土應力觀測，各級荷載下的樁土應力比平均值見圖4所示。

圖4 樁土應力比

通過圖4可以看出在剛開始加載階段，樁土應力比隨著荷載的增大而增大；當荷載達到一定值時，樁土應力比穩定在某一個區域，大約在18～23，通過試驗驗證可以看樁土應力比檢測值基本上符合設計要求值15。說明CFG樁施工基本上達到設計要求，CFG樁上有應力集中現象，提高了地基的承載力。

4 結束語

通過工程現場檢測以及工后變形觀測可以看出，經過CFG樁復合地基處理后的硬殼軟土路基承載力有了大幅度的提高，達到了設計要求，滿足設計規范。根據樁土應力比檢測，可見CFG樁復合地基對于這個軟基工程的處理效果是明顯的，CFG樁起到了應力集中的作用。同時根據標準貫入試驗和重型動力觸探試驗可知樁周邊土的密實程度以及均勻性都達到了設計要求。通過試驗段工后變形觀測數據與土工離心模型試驗結果相結合考慮分析，可得CFG樁能很好的處理硬殼軟土地基路基，其工后變形主要集中在路基固結期內(大概100d)，離心模型試驗結果(大概90d)與實體工程實測結果偏差不大，能很好的反應實體工程的真實情況。