高速公路軟土路基處治中CFG樁復合地基的應用

劉文足 羅玉剛

文章以LD高速公路為例，結合K52+400～K53+300路段軟土路基實際情況，選擇CFG樁復合地基為該路段軟土路基處治方案，并以正常使用極限狀態(tài)下的承載力作為驗算條件，以正常使用極限狀態(tài)下的沉降量作為控制條件，對該CFG樁復合地基方案進行設計，選用長螺旋鉆孔灌注成樁技術進行施工，以滿足該路段軟土路基處治要求。

軟土路基;CFG樁;復合地基;處治

0?引言

我國地質(zhì)情況復雜，軟土地基是高速公路建設中常見的不良地質(zhì)情況，需進行相關處治，方能滿足高速公路建設要求。本文以LD高速公路為例，結合K52+400～K53+300路段軟土路基實際情況，選擇CFG復合地基為該路段軟土路基處治方案，并將正常使用極限狀態(tài)下的承載力作為驗算條件，將正常使用極限狀態(tài)下的沉降量作為控制條件，對其CFG復合地基方案進行設計，選用長螺旋鉆孔灌注成樁技術進行施工，以滿足該路段軟土路基處治要求。

1?工程概況

LD高速公路K52+400～K53+300路段路基寬26 m，分幅路基寬度為13 m，設計時速為100 km/h，建設總長為83.65 km，建設周期為24個月，計劃于2019-07-30全線通車。該路段地質(zhì)情況主要為軟土路基，場地地貌為河流沖擊地貌，四面環(huán)田，靠近某湖，場地標高為9.66～12.89 m。各類土層力學參數(shù)具體見表1。

2?軟土路基處治方案的選擇與設計

2.1?軟土路基處治方案的選擇

當前我國對軟土路基的處治主要采用粒料樁法、墊層處治法、真空堆載預壓法、豎向排水板法、加固樁法、剛性樁法、水泥粉煤灰碎石樁法（即CFG樁）及強夯法等。其中豎向排水法及墊層處治法適用于淺層軟土路基，通常適合軟土厚度<3 m的軟土路基，而LD高速公路K52+400～K53+300路段軟土路基厚度較厚，不適合進行淺層處治。真空預壓法適用于工期較緊、場地土資源匱乏且軟土性質(zhì)差的軟土路基處治，而LD高速公路工期充裕，且K52+400～K53+300路段場地土資源豐富，故不宜采用真空預壓法。加固樁法及粒料樁法適用于十字板抗剪強度≥15 kPa的軟土，CFG樁適用于抗剪強度>20 kPa的軟土路基。LD高速公路軟土路段承載力較弱、路堤填筑高度高且壓縮模量大，在綜合考慮成本及其處治效果的基礎上，最終選用CFG復合地基進行該路段軟土路基處治。

CFG樁樁體由碎石及膠體材質(zhì)構成，其本身屬于高粘接強度樁，具有一定的剛度與強度。由于該路段含水量較大，樁體可充當豎向排水體，發(fā)揮排水固結的作用。與高強度樁一樣，CFG樁還可以發(fā)揮土體置換的功效，提高軟土承載力。在CFG樁復合地基中由于土工格柵和褥墊層的存在，CFG樁插入褥墊層中，與土工格柵共同作用，將上部荷載有效地分擔在樁間土中，從而利用了樁間土的承載力。CFG樁和碎石樁比較，其施工簡單、工期短、造價低，充分發(fā)揮了樁端摩阻力效果，將上部荷載有效地傳遞到持力層中，因此CFG樁復合地基有著低沉

降、高承載力等較好的處治效果。

由上述分析可知，在LD高速公路K52+400～K53+300段軟土路基處治中采取CFG樁復合地基是科學、合理的選擇。

2.2?CFG樁復合地基的設計思路

目前我國將CFG樁復合地基應用于軟基處治中主要設計思路有如下3種：

（1）將正常使用極限狀態(tài)下的沉降量作為驗算條件，將正常使用極限狀態(tài)下的承載力作為控制條件。

（2）將正常使用極限狀態(tài)下的承載力作為驗算條件，將正常使用極限狀態(tài)下的沉降量作為控制條件。

（3）將正常使用極限狀態(tài)下的承載力與控制力均作為控制條件。

第一種思路主要是針對軟土路基土質(zhì)性質(zhì)較好，樁身強度高及其置換率高的情況，以承載力為控制條件，沉降量一般情況下能符合所需要求。第二種思路適合軟土路基土質(zhì)較差，如軟黏土、淤泥等土質(zhì)情況，常用于道路軟土路基處治中，由于置換率較低，且路堤填筑較高，經(jīng)常出現(xiàn)承載力滿足要求，而沉降量控制不足情況，因此將沉降量作為控制條件。第三種思路則主要針對軟土路基地質(zhì)極差的情況，將沉降量與承載力均作為控制條件，但是成本最高，且處治時間較長。

LD高速公路K52+400～K53+300段軟土路基屬于較差路段，使用CFG樁復合地基的目的在于控制其沉降量，因此選用第二種設計思路，將正常使用極限狀態(tài)下的承載力作為驗算條件，將正常使用極限狀態(tài)下的沉降量作為控制條件。《公路軟土路基路堤設計與施工技術細則》中明確指出當施工后沉降量不滿足要求時，如表2所示，應對地基進行處治。

LD高速公路K52+400～K53+300段屬于一般路段，而LD公路屬于高速公路，因此由表2可知，容許工后沉降應≤0.3 m。

2.3?CFG樁復合地基的設計流程

在確定設計思路后對K52+400～K53+300段進行CFG樁復合地基進行設計，明確其沉降及承載力條件，實地勘察地質(zhì)情況，取土樣進行室內(nèi)試驗，從而獲得各土層的物理力學參數(shù)，為CFG樁復合地基設計提供數(shù)據(jù)依據(jù)。其設計流程如圖1所示。

2.4?CFG樁復合地基的具體參數(shù)計算

K52+400～K53+300路段邊坡比為1∶1.5，路堤填筑高度為6.7 m，復合地基承載力標準需>200 kPa，容許工后沉降應≤0.3 m。該路段CFG復合地基設計步驟具體如下：

（1）CFG樁長設計

CFG樁長需穿越軟土層（如軟黏土、淤泥土等），將樁端落于承載力較大的持力層。根據(jù)表1中建設場地各土層力學參數(shù)，其中細礫層承載力最強，適合作為樁端持力層。將CFG樁打入細礫持力層1 m，樁頂與地面持平，初步設計樁長為8.5 m。

（2）CFG樁徑設計

K52+400～K53+300路段場地土層含水率最高的為粉質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)土。本工程CFG樁為長螺旋灌注成樁，成樁質(zhì)量高，施工速度快，而且不用考慮新建樁體對周圍樁體的影響。長螺旋灌注樁的直徑一般為325 mm、377 mm、426 mm，初步選用400 mm作為本工程樁徑。

（3）CFG樁布置

CFG樁布置通常為正方形及梅花形布置，樁間距采用樁徑倍數(shù)。本工程初步選用梅花形作為CFG樁布置形狀。

（4）CFG樁樁間距

在本工程中CFG樁復合地基的樁間距采用正常使用極限狀態(tài)下的承載力作為驗算條件，正常使用極限狀態(tài)下的沉降量作為控制條件來進行設計。初步選用3倍、3.5倍、4.5倍來進行計算，其各土層參數(shù)取值于表1。

K52+400～K53+300路段路堤高度為6.7 m，綜合考量路堤自重、路面結構層自重及行車荷載的情況下，基于安全考慮將路基表面所受荷載p0取值為200 kPa。由于該路段工程中CFG樁端持力層為細礫層，承載力不如灰?guī)r層高，因此將CFG樁端承載力折減系數(shù)α取值為0.6。由于該工程中CFG樁長<10 m，因此樁間土承載力取值為β0.75。

當該工程CFG樁樁徑為400 mm時，通過式（1）計算其單樁承載力Ra：

Ra=up∑ni=1qsili+αqpAp=245.67 kPa（1）

當CFG樁樁間距為3倍樁徑時，間距為1.2 m，由于梅花形布置，面積置換率如式（2）：

m=ApA=π×0.22×0.51.2×0.6×3×0.5=0.1（2）

由式（3）可得這種情況下的復合地基承載力為283.35 kPa：

fspk=mRaAp+β（1-m）fsk=283.35 kPa>200 kPa（3）

CFG樁土加固區(qū)壓縮模量擴大系數(shù)ξ，由式（4）計算可得：

ξ=fspkfak=283.35130=2.18（4）

通過CFG樁復合地基計算公式（5），可得沉降量為：

s=ψ[∑n1i=1P0ξEsi（ziai-zi-1a-i-1）+∑n2i=n1+1p0Esi（zia-i-zi-1a-i-1）]=11.88（5）

依據(jù)上文計算公式將CFG樁樁間距設為3.5倍樁徑、4倍樁徑、4.5倍樁徑進行計算，可以發(fā)現(xiàn)持力層沉降量最大，淤泥土層其次。樁間距設定為4.5倍且樁徑為1.8 m時，復合地基承載力出現(xiàn)不足的現(xiàn)象。K52+400～K53+300路段路堤高度為6.7 m，如只考慮路堤自重，地基荷載只有147.4 kPa。本文研究綜合考慮路堤自重、路面結構層自重及行車荷載，對荷載值進行了擴大，但是后兩者沉降量卻滿足要求。圖2為承載力和置換率的關系圖。

圖2顯示，置換率和沉降量呈線性變化，置換率越高，承載力越高。圖3為沉降量和置換率關系圖。

由圖3中顯示，置換率在0.04以上時，沉降和置換率基本呈線性，置換率減小到0.04以后沉降曲線的曲率立即增大，說明樁間距越大，沉降越大。本工程CFG復合地基設計思路是以正常使用極限狀態(tài)下的承載力作為驗算條件，以正常使用極限狀態(tài)下的沉降量作為控制條件來進行設計，故可以根據(jù)允許的最大沉降量選擇相應的置換率，再對樁間距進行計算。

上述計算過程中并未考慮土工格柵與褥墊層的作用影響，而在實際工程中土工格柵可有效控制樁土的側向位移，褥墊層可保障樁土共同承擔荷載，減少樁土應用集中的現(xiàn)象。根據(jù)上述計算分析，選用樁徑為400 mm，樁間距取值為樁徑的4倍，即為1.6 m，符合該工程及相關規(guī)范的沉降量和承載力要求。

（5）樁體強度確定

在《公路軟土路基路堤設計與施工技術細則》中有明確規(guī)定，樁體設計強度需滿足路堤穩(wěn)定及沉降的雙重要求，通常強度取值在5～20 MPa之間。在上述計算中LD高速公路K52+400～K53+300路段CFG樁徑為400 mm，樁長為8.5 m，樁間距為1.6 m，單樁承載力Ra為245.673 6 kN。

通過式（6）計算樁體強度設計值為：

fcu≥3RaAp=5 868 kPa=5.868 MPa（6）

根據(jù)樁體強度設計要求，應選取C10混凝土進行配合比計算。

3?CFG樁的施工工藝

3.1?CFG樁的施工工藝選擇

目前我國工程施工中CFG成樁主要采用長螺旋鉆管內(nèi)泵壓成樁、振動沉管成樁、泥漿護壁鉆孔灌注成樁及長螺旋鉆孔灌注成樁等工藝。

其中振動沉管成樁應用較為廣泛。振動沉管成樁屬于非排土成樁技術，適用于人工填土、黏性土、淤泥質(zhì)土、粉土及松散砂土等地質(zhì)情況，施工工藝較為簡單，造價低，而且可使樁間土擠密壓實，可以降低地基形變、提高軟基承載力與避免土體液化。但振動沉管成樁法成樁不易控制，常出現(xiàn)斷樁及縮徑情況。且振動沉管難以穿越卵石層、砂層等較硬土質(zhì)，需進行事先引孔，使得施工時間大為增加，且噪音較大，易造成噪音污染。當在黏性土層中采用振動沉管成樁技術時，屬于擠壓土樁，容易造成黏性擠壓隆起，如樁間距不足很容易擠斷附近樁體。

長螺旋鉆孔灌注成樁與振動沉管成樁相比噪音較小，也不需要排污與泥漿護壁，沒有擠土斷樁風險，且鉆透力強，能貫穿硬土層，施工快捷，樁間土不會產(chǎn)生虛土，避免了塌孔、縮徑及斷樁等風險，成樁質(zhì)量也高于振動沉管成樁技術。

但是在長螺旋鉆孔灌注成樁施工過程中會出現(xiàn)堵管、竄孔、鉆頭閥門打不開和樁體存氣的情況，而且混凝土混合料塌落度較大，容易造成離析、泌水等情況。在泵送過程中，由于水的流動性大于骨料流動性，易產(chǎn)生砂漿、骨料分離的現(xiàn)象，導致堵管情況的出現(xiàn)。同時混合料的流動性差也會產(chǎn)生堵管的現(xiàn)象。因此在進行長螺旋鉆孔灌注成樁時，混凝土塌落度需嚴格控制在16～20 cm。

通過上述分析，結合LD高速公路K52+400～K53+300路段實際情況，最終選用長螺旋鉆孔灌注成樁連打法，其具體施工工藝見下文。

3.2?具體施工工藝

（1）場地平整與初步壓實

在施工前需將CFG樁施工場地范圍內(nèi)的雜物、草皮等進行平整。待場地清理完成后，采用挖機及推土機進行平整與初步壓實。在進行平整初壓時，要遵循兩邊低中間高的原則，避免場地積水，確保打樁機械能夠水平就位和移動平穩(wěn)。

（2）樁位測放

使用大鋼尺拉線布樁，在CFG樁的布置范圍中20～50 m測放中樁與邊樁，在確認無誤后插入竹簽，撒白灰或綁白線進行標記。

（3）樁機就位

在明確樁位點并標記經(jīng)檢驗合格后才可將樁機就位，將樁機調(diào)整至完全水平狀態(tài)，方可進行固定，確保鉆頭與樁位中心點一致。確定樁身位置后，將鉆桿垂直對準樁位的中心點，這是為了保證垂直允許偏差≤1%。

（4）混合料攪拌

該工程混合料由攪拌站依據(jù)設計的配合比實施配料，再按照普通混凝土攪拌時間攪拌，通過混凝土運輸車運輸至場地。混合料運達現(xiàn)場后，需檢查混凝土塌落度，確保塌落度控制在16～20 cm之間。

（5）鉆進成孔

鉆進成孔之前，先關閉鉆頭閥門，確保鉆頭位置準確，不接觸到地面方可啟動，開始鉆孔作業(yè)。作業(yè)由慢到近，確保鉆孔時不發(fā)生位移偏差。一旦出現(xiàn)偏差情況應立刻停止鉆孔作業(yè)，并立即糾正。在鉆孔時記錄電流突變地點及終孔電流值，作為地質(zhì)復核依據(jù)。

（6）灌注及拔管

鉆孔到設計標高即終止，確保閥門內(nèi)氣體排出后泵送混合料，再勻速提鉆，提鉆速度應控制在2～3 m/min，保持持續(xù)灌注，禁止先提鉆后泵料。在灌注完成及混合料初凝之后，將樁頂蓋住，并及時進行養(yǎng)護。

（7）清渣與移位

當完成一根CFG樁后，要立即清理閥門口與鉆頭上的土塊等殘渣，并平穩(wěn)移動至下一樁位，確保移動平穩(wěn)。

4?結語

本文依托LD高速公路軟土路基K52+400～K53+300段工程，論述不同處治軟土路基方法的合理性并決定采用CFG樁地基作為處治方案，介紹CFG樁復合地基的兩種設計思路，提出LD高速公路軟土地段的處治方案。以正常使用極限沉降量為控制條件，以極限狀態(tài)的復合地基承載力作為驗算條件進行計算，并根據(jù)計算結果得出滿足沉降和承載力條件下合理的樁間距和樁長，同時闡述了長螺旋灌注樁的優(yōu)點及施工工藝。工程實踐結果表明，通過該CFG樁復合地基處治方案取得了良好的處治效果，其沉降量符合工程建設要求。

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