卵石作為粗骨料用于路基CFG樁的試驗研究

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，沿線符合設計要求的碎石料源嚴重匱乏，且運距甚遠，符合要求的碎石料源在供貨能力上遠遠不能達到數量和工期的要求；而沿線砂卵石富集，呈均勻分布，且數量上完全滿足實際需求。通過將現場卵石作為粗骨料用于路基CFG樁的試驗研究，進行了卵石和碎石的物理力學性能對比、配合比對比、施工工藝對比、樁身完整性對比、單樁承載力對比，得出將卵石作為粗骨料用于路基CFG樁，質量上完全達到設計要求，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。

關鍵詞：卵石；碎石；粗骨料；CFG樁

中圖分類號：U214.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.019

某新建鐵路某標段線路總長83.4 km，路基長度為65 km；設計采用CFG樁地基處理地段長度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。沿線符合設計要求的碎石料源嚴重匱乏，且運距較遠，符合要求的碎石料源在供貨能力上遠遠不能達到數量和工期的要求。而沿線砂卵石富集，呈均勻分布，且數量上完全滿足實際需求。如果質量上能夠滿足設計要求，合理加以利用，可解決粗骨料的供應和工期問題。

1 地質及CFG樁

此段戈壁灘地形平坦，氣候干燥，少雨缺水，地質勘察發現其表層為第四紀土層，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；設計地基處理的CFG樁混凝土為C20，樁長14～20 m，樁徑Φ50，單樁承載力特征值1 160.82 kN。實地卵石富集，能否將卵石作為粗骨料用于路基CFG樁，需進行試驗研究。

2 研究目的及主要內容

調整混合料中各原材料的用量和比例，配制在性能上滿足設計要求和施工需求的卵石混合料，同時對比卵石與碎石各參數，以驗證級配卵石能否在CFG樁身混合料中大面積使用。

對此，主要進行以下幾個方面的研究：①通過卵石、碎石物理力學性能對比試驗，驗證卵石是否滿足相關規定和使用要求；②通過卵石、碎石混合料配合比對比試驗，驗證卵石混合料的性能是否滿足設計和施工要求；③通過現場卵石和碎石混合料CFG樁施工工藝對比試驗，驗證混合料配合比、坍落度、攪拌時間、拔管速度等工藝參數；④對卵石和碎石混合料CFG樁樁體進行完整性檢測，驗證卵石和碎石混合料CFG樁樁體的完整性；⑤對卵石和碎石混合料CFG樁進行單樁承載力試驗，驗證2種不同材料混合料樁體強度和承載力是否滿足設計要求；⑥驗證設備施工能力，并復核工程地質情況。

3 粗骨料對混凝土性能的影響

粗骨料對混凝土的影響主要表現在顆粒內部缺陷對骨料強度的影響、顆粒界面粗糙程度對界面黏結力的影響和顆粒形狀對混凝土流動性的影響方面。在荷載作用下，顆粒缺陷處應力集中，易破壞，使混凝土強度降低。碎石與水泥石結合的黏結強度高，并且滲入顆粒凹面內的水泥石增加了骨料與水泥石界面的抗剪強度。卵石表面摩擦小，易流動，拌和物的流動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，拌和物易出現泌水、離析現象。

用卵石配制的混凝土流動性、和易性好，相同的水泥用量配制同樣流動性的混凝土時，采用碎石比采用卵石需要較多的拌和水，水灰比的增大對混凝土強度會有一定的影響。

碎石粗骨料的優點是與膠凝材料的黏結性好，卵石的特點是配制的混凝土流動性好，與膠凝材料的黏結性要弱于碎石。在使用碎石和卵石配置同樣流動性和強度的混凝土時，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度的穩定性，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。

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

4 試驗用原材料

混合料各項原材料的技術性能指標直接影響混合料拌和物的性能和混凝土的質量。

4.1 水泥

取P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，28 d抗折強度為8.3 MPa，28 d抗壓強度為47.1 MPa，其他技術性能指標符合《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》（GB 175—1999）規定。

4.2 細骨料

取清泉河砂場的河砂，其主要技術指標為：細度模數2.8，含泥量2.8%，泥塊含量0.6，堆積密度1 622 kg/m3，其技術指標符合《鐵路混凝土與砌體工程施工質量驗收標準》（TB 10424—2010）中混凝土強度等級小于C30的規定。

4.3 粗骨料

本試驗所選用卵石和碎石對比見圖1.

碎石和卵石各項物理力學性能指標對比見表1，其性能指標均符合《鐵路混凝土與砌體工程施工質量驗收標準》（TB 10424—2010）規定。

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

4.4 混凝土外加劑

采用某公司聚羧酸減水劑，其性能指標分別為：減水率28.8%，含氣量2.8%，壓力泌水率比77.2%.其技術指標符合（TB 10424—2010）標準的規定。

4.5 摻和料

采用某電廠的Ⅱ級粉煤灰，其性能指標分別為：含水率0.16%，燒失量0.39%，細度18.7%，需水比95%.其技術指標符合（TB 10424—2010）標準規定。

4.6 混凝土拌和用水

采用某飲用水，其技術指標均符合（TB 10104—2010）標準規定。

5 卵石、碎石混凝土配合比試驗及性能

CFG樁混合料配合比從設計和施工角度主要考慮混合料的強度和CFG樁施工時混合料的可泵性。強度主要考慮早期強度和標準養護強度，可泵性可通過壓力泌水率、坍落度、擴展度等指標來反映，通過現場工藝試驗來檢驗。

卵石配合比，設計強度C20，試配強度26.6 MPa。初始坍落度200 mm，停放30 min坍落度185 mm。7 d強度26.9 MPa，14 d強度30.0 MPa。

碎石配合比，設計強度C20，試配強度26.6 MPa。初始坍落度205 mm，停放30 min坍落度190 mm。7 d強度25.3 MPa，14 d強度29.8 MPa。

經試配調整后，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、碎石混合料強度均滿足設計要求；從初始坍落度、30 min后坍落度、壓力泌水率等指標來看，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

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

質量控制要點為：①在配合比選定時，要求混合料強度符合設計要求，施工中嚴格按照設計配合比進行；②混合料攪拌時，每盤料攪拌時間不少于60 s，其入泵坍落度要控制在160～180 mm；③每臺班測混合料坍落度3次，每臺班制作混凝土檢查試件3組（檢測7 d、14 d、28 d抗壓強度）。

CFG樁成孔灌入混合料的過程中，在泵送處未發現碎石和卵石混合料出現泌水、離析現象，無堵管現象發生。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

7.1 樁體混合料強度

根據現場樁身混合料抗壓強度檢測，碎石混合料14 d抗壓強度為26.3 MPa，達到設計強度的131.5%；卵石混合料14 d抗壓強度為25.5 MPa，達到設計強度的127%.2種碎石都滿足CFG樁樁身混凝土強度要求。

7.2 樁身完整性檢測

12根CFG試驗樁達齡期后，采用美國PDI公司生產的樁身完整性檢測儀檢測，根據低應變檢測結果實測波形分析計算，12根均為Ⅰ類合格樁。

7.3 單樁靜載荷試驗

CFG樁齡期達28 d后，分別選取卵石、碎石CFG樁各3根進行單樁承載力靜載試驗，試驗結果：各單樁最大承載力為2 400 kN，各最大沉降為12.58～15.97 mm，滿足設計單樁極限承載力為1 160.82 kN的要求。由此可見，采用卵石CFG樁可滿足設計單樁極限承載力為1 160.82 kN的要求。

8 CFG樁施工

通過卵石和碎石的物理力學性能對比、配合比對比、施工工藝對比、樁身完整性對比、單樁承載力對比可知，將卵石作為粗骨料用于路基CFG樁質量上完全達到設計要求，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樁進入實施階段。

9 路基沉降觀測評定

CFG樁地基處理施工結束并檢測合格后，沿線路方向每隔50 m埋設沉降觀測板，觀測基底沉降；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2.7 m位置埋設臨時沉降觀測板，觀測路基沉降。填筑堆載預壓土填筑過程中，臨時沉降板與基底沉降板同步接長，并根據設計觀測周期不間斷觀測6個月以上，其沉降波動量均在1.0～2.0 mm之間，整個路基沉降變形均趨于穩定。CFG樁基底處理及路基填筑質量均達到預期質量要求

10 效益對比

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

11 結論

試驗得出以下幾點結論：①卵石作為粗骨料施工C20的CFG樁，抗壓強度滿足設計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計要求；④卵石作為粗骨料施工CFG樁可行，值得推廣。

參考文獻

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