福平鐵路軟土路基CFG樁加固實驗研究

劉俊俊　黃新智　任　昆　全健健

(1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州　730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點試驗室，甘肅蘭州　730070)

Experimental Study of Using CFG Columns Improving Soft Subgrade of Fuping High-Speed Railway

LIU Junjun1，2　HUANG Xinzhi1，2　REN Kun1，2　QUAN Jianjian1，2

福平鐵路軟土路基CFG樁加固實驗研究

劉俊俊1，2黃新智1，2任昆1，2全健健1，2

(1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點試驗室，甘肅蘭州730070)

Experimental Study of Using CFG Columns Improving Soft Subgrade of Fuping High-Speed Railway

LIU Junjun1，2HUANG Xinzhi1，2REN Kun1，2QUAN Jianjian1，2

摘要基于福平鐵路軟土路基的工程背景，通過現場CFG樁低應變檢測和單樁載荷試驗，分析福平鐵路軟土路基CFG成樁質量和加固效果，現場樁體最大沉降量為18.23 mm，最大回彈量為8.12 mm，回彈率為44.5%，該結果符合規范和相關標準。通過ANSYS有限元軟件對實際工程進行簡化模擬，加載后最大沉降量為23.17 mm，該結果與實際值(18.23 mm)能較好吻合。

關鍵詞福平鐵路軟土路基CFG樁地基加固

近年來，隨著我國濱湖和沿海地區基礎建設的進一步深入，越來越多的交通工程將修建在軟土路基上，軟土的壓縮性高、透水性差、含水量大、強度低等問題日益突出。針對軟土問題，國內外學者進行了大量的研究工作。其中趙明華[1]等對軟土路基固結沉降機理及其預測方法進行了深入的討論，揭示了軟土路基沉降發展規律及其特點。在軌道結構方面，地基處理和沉降控制逐漸成為軟土地區交通工程建設的關鍵技術問題[2-4]。在眾多的軟土路基處理方法中，CFG樁由于其特殊的加固機制[5]和其技術成熟、施工速度快、質量易控和經濟效益明顯等優點[6]，逐漸受到人們的青睞。

1工程及試驗段地質概況

1.1　工程概況

新建福(福州)平(平潭)鐵路屬雙線鐵路，自動控制，電力牽引，途中跨越海峽，共設6個站(福州站-福州南站-長樂站-長樂東站-松下站-平潭站)，總長88.433 km，速度目標值為200 km/h，以國鐵I級標準由中鐵第四勘察設計院進行設計，試驗所在的福平鐵路FPZQ-4標段由中國鐵建大橋工程局集團有限公司進行施工，建成后將福州與平潭綜合實驗區以鐵路連接起來，為兩地的發展注入新的動力，通車后福州到平潭僅需0.5 h即可到達。

1.2　試驗段地質概況

以福平鐵路平潭島上FPZQ-4標DK82+075～DK82+275段為實驗對象。巖土工程勘察報告表明，該場地地層結構自上而下共劃分為：

(1)地表細砂，淡黃色，稍濕，稍密，Ⅰ級飽和松土，σ0為90 kPa，厚度4～4.8 m。

(2)泥炭質土，軟-流塑態，Ⅰ級飽和土，σ0=50 kPa，厚約0.8 m。

(3)黏土，可塑態，Ⅱ級，σ0為120 kPa，厚約2.2 m。

(4)中砂，淡黃色，中密-密實，Ⅰ級飽和土，σ0為150 kPa，厚約2.8 m。

(5)粉質黏土，軟塑態，Ⅱ級，σ0為100 kPa，厚約5.1 m。

(6)花崗巖，全風化，Ⅲ級，σ0為250 kPa。

2現場CFG樁低應變檢測

2.1　檢測設備及過程

采用低應變反射波法進行檢測，檢測CFG樁的成樁質量和樁身完整性，分析樁身缺陷情況。使用的儀器設備應滿足《基樁動測儀》JG/T3055的相關規定。根據樁徑的不同，在樁中心兩側對稱布置2個檢測點；每個檢測點記錄3個有效信號。

采用的低應變反射波檢測儀器為美國PDI公司研制的PIT-V動測儀。檢測設備及檢測過程見圖1，用力錘以一定的力度和頻率敲擊受檢樁，樁中的應力波向下傳遞，當樁體截面發生變化或變化存在明顯的波阻抗界面時，該處會產生反射波，通過樁頂傳感器將反射波信號傳回檢測儀器，再經過信號處理和數據分析，來判定成樁質量和樁身的完整性。

2.2　檢測結果分析

在DK82+075～DK82+275段共對166根CFG樁進行了低應變檢測。檢測結果表明，由于在樁頭開挖過程中大型機械的影響，使得該段CFG存在少量的Ⅱ類和Ⅲ類樁，且缺陷位置多處于樁頂下1～2 m處，屬淺部缺陷。總之，該段CFG樁樁體質量合格，符合相關規范標準，且該段軟土層對CFG樁的成樁質量基本無不良影響，CFG樁低應變檢測典型曲線如圖2所示。

3CFG樁單樁載荷試驗

3.1　加載方式

現場單樁載荷試驗采用慢速維持荷載法，分10級加載和5級卸載，用自動油泵千斤頂逐級施加荷載，每級加載量為60 kN，卸載量為120 kN。由箱梁搭成堆載平臺，堆載混凝土塊和箱梁自重共同提供反力，施加的最大荷載重量為700 kN。

3.2　荷載及沉降測量

通過壓力傳感器將荷載的壓力信號轉化為電信號，傳遞到測試儀進行量測記錄；通過均勻布置于鋼板上方的的4個位移傳感器來采集樁體沉降數據，不同位移傳感器采集的數據通過不同的通道傳遞回測試儀，測試儀自動記錄樁體沉降并進行數據處理。

在DK82+075～DK82+275試驗段中選擇DK82+175、DK82+200、DK82+250斷面處進行單樁荷載檢測，共計3根樁，試驗采用原位樁。結果表明，3根單樁承載力均滿足設計要求的300 kN。其中DK82+175處單樁荷載結果為：最大沉降量為18.23 mm，最大回彈量為8.12 mm，回彈率44.5%，Q-S曲線如圖3所示。

4數值模擬

利用ANSYS有限元軟件進行數值模擬，為了方便接觸單元的設置和網格的劃分，將三維問題簡化為二維平面問題，將土層簡化為上下兩層土，具體參數設置為：樁長13 m，樁徑0.5 m，容重20 kN/m3，泊松比為0.2；表層土厚8 m，彈性模量為15 MPa，容重15 kN/m3，泊松比為0.38，c=149.1 kPa，內摩擦角為23.8°；底層土厚6 m，彈性模量為30 MPa，容重17.5 kN/m3，泊松比為0.37，c=160.7 kPa，內摩擦角為33°，摩擦系數0.35。

考慮到對稱性，取1/2樁側土體進行分析，土體邊界距樁3.5 m(6d，d為樁徑)，樁土模型側面施加水平約束，底部為固定約束，上部為自由端，建立有限元模型(如圖4所示)。

加載后的樁體最大沉降量為23.17 mm，應力圖如圖5所示。

5結論

(1)利用設計尺寸的CFG樁加固處理福平鐵路軟弱路基，能較好地滿足路基承載力和變形要求，成樁質量穩定，加固效果明顯。

(2)通過ANSYS有限元軟件模擬的沉降結果(23.17 mm)以及現場單樁載荷試驗的沉降結果(18.23 mm)對比，兩者能較好吻合，同時也從不同角度說明了CFG樁在軟弱路基加固處理中能夠有效地控制變形沉降。

參考文獻

[1]趙明華，楊明輝，劉煜，等.軟土路基固結沉降機理及其預測方法研究[J].鐵道科學與工程學報，2005，2(4):16-20

[2]詹學啟，郭建湖.武廣鐵路客運專線烏龍泉至韶關段無砟軌道路基過渡段設計[J].鐵道建筑，2010(1):106-110

[3]孫紅林，李丹.京滬高速鐵路路基工程主要技術標準研究[J].鐵道建筑，2009(7):5-10

[4]趙靜.高速客運專線天然黃土地基工后沉降數值模擬[J].科學技術與工程，2012(5):3362-3366

[5]任鵬，鄧榮貴，于志強.CFG樁復合地基試驗研究[J].巖土力學，2008，29(1):81-87

[6]林暉.CFG樁復合地基土分擔荷載比研究[J].土工基礎，2004，18(14):50-53

中圖分類號：U213.1+5

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)05-0044-03

作者簡介：第一劉俊俊(1990—)，男，碩士研究生。

收稿日期：2015-04-27