CFG樁復合地基在公路工程地基處理中的應用
——以南充嘉陵大道B段為例

孫冰洋， 楊順生

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

南充化學工業園文峰片區一期基礎設施建設項目二標段(嘉陵大道B段)位于南充市嘉陵區文峰鎮，道路全長5 776.530 m，設計路面寬32.00 m，道路為城市次干道，該道路路面設計使用年限20年。里程K0+940～K1+220段道路東側高填方路基以粉土及細砂為主，該層壓縮性高，承載力低，屬于軟土地基，未經處理不能作為天然地基土。

現根據里程K0+940～K1+220段道路東側高填方路基勘察情況，該范圍內基底持力層范圍內以粉土及中砂為主，承載力不能滿足上部荷載的設計要求。根據道路填方高度，將本次處理范圍劃分為3個區域，其中區域1為直接路基土，區域面積約3 589 m2，填方高度最大14 m，根據設計要求，該區域處理后復合地基承載力特征值fspk≥260 kPa，復合土層的壓縮模Es≥10.0 MPa；區域2為道路護堤土，區域面積約4 873 m2，填方高度最大14 m，根據設計要求，該區域處理后復合地基承載力特征值fspk≥175 kPa，復合土層的壓縮模量Es≥8.0 MPa；區域3為道路護堤土，區域面積約3 228 m2，填方高度最大達到25.5 m，根據設計要求，該區域處理后復合地基承載力特征值fspk≥280 kPa，復合土層的壓縮模量Es≥12.0 MPa。根據業主、設計及相關專家意見：需對基底附近軟弱土層進行復合地基加固處理，增加軟弱地基土層承載力的同時削除不均勻沉降。本設計經有關單位審批后，可作為設計依據，嚴格實施。

根據勘察報告及設計要求，本工程需對基底下軟弱地基土進行地基處理。根據設計單位承載力要求，同時滿足地基沉降相關要求，區域1處理后復合地基承載力特征值fspk≥260 kPa，復合土層的壓縮模量Es≥10.0 MPa；區域2處理后復合地基承載力特征值fspk≥175 kPa，復合土層的壓縮模量Es≥8.0 MPa；區域3處理后復合地基承載力特征值fspk≥280 kPa，復合土層的壓縮模量Es≥12.0 MPa。由于場地地下水位埋深較淺(約2.5 m)，而軟土地基埋深較大(最大約13.5 m)，故不能采用插塑板結合堆載預壓進行處理；由于場地內軟土地基以粉土為主，其狀態為稍密，粘聚力C值為16，故采取粉噴樁、高壓旋噴樁等處理措施難以保證達到影響范圍，效果不好。根據設計文件要求，結合相關規范及我院成功經驗，綜合考慮本工程地基處理方式擬采用CFG樁復合地基方案對基底面以下軟弱土層進行加固處理，采用長臂螺旋結合沉管處理施工工藝。

1　CFG樁復合地基處理

1.1　設計取值及計算公式

1.1.1處理深度

設計樁頂標高為265.00 m。CFG樁處理深度應穿過粉土及中砂，以稍密卵石或強風化砂巖為樁端持力層，樁端進入稍密卵石或強風化砂巖不小于1.0 m，持力層厚度不小于3.0 m。根據剖面形態，樁長按各各區域劃分如下：1區域的樁長最短為6.8 m，最深為14.4 m，平均樁長10.5 m，由于該段樁長變化較大，按平均樁長10.5 m計算；2區域的樁長最短為10.5 m，最深為14.7 m，平均樁長13.1 m，按最短樁長10.5 m計算；3區域的樁長最短為10.8 m，最深為14.9 m，平均樁長14.2 m，按最短樁長10.8 m計算。

1.1.2樁徑

根據所采用的成樁設備和結合已有施工經驗，CFG樁樁徑確定為400 mm，樁身材料采用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、石屑等硬質材料，其含泥量小于5 %，填料粒徑不大于50 mm。

1.1.3樁間距的確定

根據設計要求，分為3個區域進行計算。區域1處理后復合地基承載力特征值fspk≥260 kPa，復合土層的壓縮模量Es≥10.0 MPa；區域2處理后復合地基承載力特征值fspk≥175 kPa，復合土層的壓縮模量Es≥8.0 MPa；區域3處理后復合地基承載力特征值fspk≥280 kPa，復合土層的壓縮模量Es≥12.0 MPa。

通過對本工程項目技術經濟比較，本方案采用三角形布樁，樁徑400 mm。以強風化泥質砂巖層或稍密卵石作為樁端持力層，樁端進入持力層不小于1.0倍樁徑。

根據下列公式進行計算：

(1)

(2)

(3)

de=1.05s(等邊三角形布樁)或de=1.13s(正方形布樁)

(4)

(5)

式中：fspk為復合地基承載力特征值(kPa)，設計要求340 kPa；fsk為處理后樁間土承載力特征值(kPa)；取處理后承載力，粉土、中砂分別取80 kPa(樁間土壓縮模量綜合考慮取4.0 MPa)、100 kPa；fak為基礎底面下天然地基承載力特征值(kPa)；Ap為樁的截面積(m2)；Ra為單樁豎向承載力特征值(kN)；β為樁間土承載力折減系數，取0.90；λ為單樁承載力發揮系數，取0.70；αp為樁端端阻力發揮系數，取1.00；m為樁土面積置換率；de為1根樁承擔的處理地基面積的等效圓影響直徑；s為樁間距；d為樁直徑(m)，取0.40 m；μp為樁的周長；fcu為樁體試塊(邊長為150 mm立方體)標準養護28 d的立方體抗壓強度平均值，本工程取值為20 MPa；qp為計算Ra時的最小樁端土承載力特征值，按人工挖孔樁取強風化泥質砂巖層為750 kPa；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值；Ipi為樁長范圍內第i層土的厚度；

1.2　針對不同區域的設計

1.2.1區域1

(1)單樁承載力計算。

根據式(3)：

故取Ra=700.00 kN。

(2)樁間距S計算

由式(1)得：

按三角形布樁，由式(2)和式(4)得：

(3)復合地基承載力驗算。

取樁間距：s=1.6 m，分別代入式(1)～式(4)驗算復合地基各參數。

fspk=313.1 kPa>260 kPam=0.05668>0.04460

故當s=1.6 m時，復合地基承載力滿足設計要求。

(4)復合地基的壓縮模量。

當：fspk=313.1 kPa時，根據式(5)得：

(5)樁體材料強度計算。

CFG樁按三角形布樁，樁間距取1.6m，處理區面積約3 589 m2，共1 707根，樁號1～1 707。

1.2.2區域2

(1)單樁承載力計算。

根據式(3)。

故取Ra=700.00 kN。

(2)樁間距S計算。

由式(1)得：

按三角形布樁，由式(2)和式(4)得：

(3)復合地基承載力驗算。

取樁間距：s=2.2 m，分別代入式(1)～式(4)驗算復合地基各參數。

fspk=190.14 kPa>175 kPam=0.02998>0.02526

故當s=2.2 m時，復合地基承載力滿足設計要求。

(4)復合地基的壓縮模量。

當：fspk=195.75 kPa時，根據式(5)得：

(5)樁體材料強度計算。

CFG樁按三角形布樁，樁間距取2.2 m，處理區面積約4 873 m2，共1 189根，樁號1 708～2 896。

1.2.3區域3

(1)單樁承載力計算。

根據式(3)。

故取Ra=710.00 kN。

(2)樁間距S計算。

由式(1)得：

按三角形布樁，由式(2)和式(4)得：

(3)復合地基承載力驗算。

取樁間距：s=1.6 m，分別代入式(1)～式(4)驗算復合地基各參數。

fspk=316.69 kPa>280 kPam=0.05668>0.04845

故當s=1.6 m時，復合地基承載力滿足設計要求。

(4)復合地基的壓縮模量。

當：fspk=316.69 kPa時，根據式(5)得：

(5)樁體材料強度計算。

CFG樁按三角形布樁，樁間距取1.6 m，處理區面積約3 589 m2，共1 516根，樁號2 896～4 412。

1.3　設計結論

綜上，該工程采用CFG樁復合地基處理，1區域CFG樁按三角形布樁，樁徑取400 mm，平均樁長為10.5 m，樁間距取1.6 m，處理區面積約3 589 m2，共1 707根，樁號1～1 707；2區域CFG樁按三角形布樁，樁徑取400 mm，平均樁長為13.1 m，樁間距取2.2 m，處理區面積約4 873 m2，共1 189根，樁號1 708～2 896；3區域CFG樁按三角形布樁，樁徑取400 mm，平均樁長為14.2 m，樁間距取1.6 m，處理區面積約3 589 m2，共1 516根，樁號2 896～4 412。具體樁長見各里程段橫斷面圖，施工過程中如發現和地勘報告土層描述相差較大時及時上報設計單位，變更設計。

2　地基變形計算

根據JGJ 79-2012《建筑地基處理技術規范》的7.7.2中的第8條規定，地基變形計算按GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》計算。根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》第5.3.5、5.3.6及5.3.6公式，地基變形計算深度Zn應符合下式的規定，

ΔSi′為計算深度范圍內，第i層土的計算變形值(mm)；ΔSn′為計算深度向上取厚度Δz的土層計算變形值(mm)。

根據《建筑地基基礎設計規范》，計算地基變形時，地基內的應力分布，可采用各項同性均值線性變形體理論，其最終的變形量可按照下式進行計算：

1區域變形量：S=60.75 mm<300 mm

2區域變形量：S1=110.54 mm<300 mm，S2=107.04 mm<300 mm

3區域變形量：S=66.04 mm<300 mm

根據JTG D30-2015《公路路基設計規范》表7.6.4-2規定，一級公路一般路段的容許工后沉降量小于300 mm。因此滿足規范的相關要求。

3　邊坡穩定性分析

考慮到K1+200斷面地形坡度較大，坡角約34°(剖面12-12′～18-18′)，為評價填土邊坡可能沿現有地形線或基巖面滑動的可能性，選取代表性剖面1-1′(道路里程樁號K1+200.00東側)計算分析。

選用折線滑動法計算模式： 假設填土沿整平后地形線滑動，計算公式如下：

工況：①自重；②自重+暴雨

計算參數見表1。

表1　材料參數

若按設計分別采取1∶2.0、1∶2.0、1∶1.75和1∶1.5四級放坡后，①自重：經計算，穩定系數為1.97，邊坡穩定。②自重+暴雨：經計算，穩定系數為1.64，邊坡穩定。

4　檢測要求

(1)試樁：在樁正式施工前須進行試樁，試樁檢測結果完成，并經我院認可后才能進行工程樁的施工。

(2)樁身強度檢驗，應對樁體進行取芯試塊強度試驗，樁體試塊標準養護28d的立方體抗壓強不小于20.0 MPa，數量不低于總樁數的2 %且不小于6點。

(3)樁身完整性檢驗，可采用低應變法進行，檢測數量不低于總樁數的10 %，并作為靜載選點的依據之一。

(4)承載力檢測試驗宜在施工結束28 d后進行，其樁身強度應滿足試驗荷載條件；復合地基靜載荷試驗和單樁靜載荷試驗的數量不應少于總樁數的0.5 %，且每個單體工程的復合地基靜載荷試驗的試驗數量不應少于3點。

5　CFG樁施工工藝

本工程CFG樁擬采用長螺旋鉆機施工工藝，其優點是施工造價低、設備行動靈活、施工方便、噪音低、無環境污染，可大規模同時作業，施工工期短、效率高。

樁施工工藝流程為定位放線→樁位測量布置→機械鉆孔(鉆孔前先沉管)→檢查樁徑及垂直度→鉆孔至設計孔深→澆灌樁身混凝土。

6　結論

(1)以復合地基設計計算結果數據看，本道路工程復合地基的承載力得到大幅度的提高，地基變形得以降低和控制。

(2)由于CFG樁系高粘結強度的水泥粉煤灰碎石樁，其剛性樁性狀明顯，不配鋼筋，并可充分發揮樁間土的承載力，工程造價僅為樁基的 1/3～1/2，經濟效益和社會效益顯著。

(3)本文根據道路的填方高度不同，對道路的直接路堤和道路護堤土采取分別設計，較大地節約了工程造價。