高速公路CFG 樁復(fù)合地基振動成型法試驗(yàn)研究

曾偉，曹鋒

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004)

高速公路建設(shè)日益增多，面臨穿越含有不良地質(zhì)條件區(qū)域的情況也增加。由于高速公路穿越軟土地基時，在交通荷載的作用下，會出現(xiàn)嚴(yán)重的地基變形，軟土地基承載力無法滿足工程安全要求[1]。因此，為了縮短工期，保證工程質(zhì)量，在施工建設(shè)階段，需要對高速公路的軟土地基進(jìn)行處理[2?3]。CFG(cement fly-ash gravel，簡稱為CFG)樁是由碎石、砂、水泥并摻入粉煤灰拌和而成的水泥粉煤灰碎石樁，具有強(qiáng)度高、原料便宜、經(jīng)濟(jì)效益明顯等特點(diǎn)。CFG 樁可充分利用樁身承載力和樁土間的摩擦力，將路面的交通荷載傳遞到深層地基中[4?6]。施作CFG 樁有利于排出軟土中的氣體和水分，有效改善軟土地基的結(jié)構(gòu)，提高其承載力[7?10]。目前，最常用的CFG 樁復(fù)合地基采用振動沉管法，該方法工序簡單，便于施工。雖然CFG 樁復(fù)合地基已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于每個項目所處的工程地質(zhì)條件不同，原材料的物理化學(xué)性質(zhì)也有差異。因此，CFG 樁復(fù)合地基的施工過程中，需要對施工參數(shù)進(jìn)行分析，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)合地基最優(yōu)的承載力[11?13]。本研究以某實(shí)際工程為依托，擬通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，確定該CFG 樁復(fù)合地基振動成型法施工的最優(yōu)參數(shù)，以期為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

某高速公路沿線軟土分布廣泛、埋深淺、厚度大，而且不均勻，最大深度達(dá)到21 m，力學(xué)性能較差。地基的巖土為亞黏土，深度為14.5～21.0 m，塑性指數(shù)為14，天然重度為15.9 kN/m3, 孔隙比為1.25，塑性指標(biāo)為16.2，壓縮模量為1.73 MPa, 黏聚力為6 MPa。由于現(xiàn)場施工條件、環(huán)境等各因素的影響，設(shè)計樁長為18 m，布樁的間距為1.8 m，平均設(shè)計高度為4.1 m，樁直徑為160 mm，“一”字形布置。CFG 樁復(fù)合地基技術(shù)具有高黏結(jié)強(qiáng)度、變形小及工程應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，處理橋頭軟基引起的跳車問題效果明顯，具有較好的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效果。因此，本研究將對CFG 樁復(fù)合地基處理橋頭深厚軟基層后的沉降變形進(jìn)行系統(tǒng)分析。CFG 樁復(fù)合地基主要包括CFG 樁、樁間土、褥墊層3 部分。車輛載荷和上部地基自身重量，由褥墊層傳遞給CFG 樁和樁間土，如圖1 所示。在軟土地基中，如果不進(jìn)行地基處理，因路基材料剛度差異不同和路基土流失失效，會使路面產(chǎn)生明顯的不均勻沉降。如果發(fā)生在路橋過渡段，會誘發(fā)行車中出現(xiàn)跳車的現(xiàn)象[14]。室內(nèi)試驗(yàn)過程中，采用室內(nèi)振動壓實(shí)機(jī)對土樣進(jìn)行單次振動壓實(shí)實(shí)驗(yàn)。其中，儀器的靜壓力為1 900 N，激振力為6 800～6 900 N，振動頻率為28～30 Hz，儀器如圖2 所示。

圖1 CFG 樁復(fù)合地基原理示意Fig.1 Schematic diagram of CFG pile composite foundation

圖2 室內(nèi)振動壓實(shí)機(jī)Fig.2 Indoor vibratory compactor

2 CFG 樁復(fù)合地基施工確定參數(shù)

路基質(zhì)量的好壞直接影響到整個公路的品質(zhì)。為了提高路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，施工線路穿越不良地質(zhì)時，必須對路基進(jìn)行充分處理，提高其承載力。CFG 樁復(fù)合地基技術(shù)能夠有效改善地基的承載力，在CFG 樁復(fù)合地基振動成型施工工藝中，干密度和含水率是非常關(guān)鍵的2 個參數(shù)。本研究主要對這2 個參數(shù)的影響因素進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)。主要試驗(yàn)?zāi)康挠校?/p>

1) 分析室內(nèi)試驗(yàn)干密度與現(xiàn)場試驗(yàn)干密度之間的關(guān)系，以干密度為指標(biāo)，確定現(xiàn)場施工的最優(yōu)碾壓遍數(shù)。

2) 采用設(shè)備開展室內(nèi)試驗(yàn)，研究不同含水率和干密度之間的關(guān)系。

2.1 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)含有現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，其中，在K113+050～K112+860 段和K112+800～K112+655開展試驗(yàn)，為了排除試驗(yàn)儀器帶來的偶然性，同時對試驗(yàn)儀器進(jìn)行評價，采用20 t 以上的振動壓路機(jī)，充分發(fā)揮壓實(shí)設(shè)備的效率，提高基層壓實(shí)度。室內(nèi)試驗(yàn)在2 個標(biāo)段開展對比實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)場試驗(yàn)內(nèi)容為：K113+050～K112+860 段，為了研究壓實(shí)遍數(shù)對含水率和干密度的影響，該標(biāo)段可以分為4 段，具體為：樁號K113+050～K113+010 段，振動5 遍；樁號K113+010～K112+980 段，振動4 遍；樁號K112+980～K112+940 段，振動6遍；樁號K112+940～K112+860 段，振動7 遍。開始靜壓和結(jié)束時的雙鋼輪和膠輪壓路機(jī)的2 遍光面不計入壓實(shí)遍數(shù)。碾壓時，壓路機(jī)重疊1/2。K112+800～K112+665 段，為了研究壓實(shí)遍數(shù)對含水率和干密度的影響，按不同壓實(shí)遍數(shù)分成6 段，碾壓方法與K1130+050～K112+860 段一致。其中：樁號K112+800 ～K112+765 段，振動 1 遍；樁號K112+765 ～K112+730 段，振動 2 遍；樁號K112+730 ～K112+710 段，振動 3 遍；樁號K112+710 ～K112+690 段，振動 4 遍；樁號K112+690 ～K112+670 段，振動 5 遍；樁號K112+670～K112+655 段，振動6 遍。現(xiàn)場壓實(shí)結(jié)束后，測定不同試驗(yàn)段在不同壓實(shí)遍數(shù)下的混合料密度。再對混合料進(jìn)行水洗篩分，檢測其級配是否滿足設(shè)計。最后，通過現(xiàn)場取樣，采用振動成型機(jī)測定樣品的最大干密度。

室內(nèi)試驗(yàn)內(nèi)容：在這2 個試驗(yàn)段范圍內(nèi)取樣，通過設(shè)計配合比，確定集料組成比例；采用相同的混合料，開展室內(nèi)振動成型試驗(yàn)，測定試樣干密度和含水率。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 篩分試驗(yàn)結(jié)果

樁號K112+800～K112+655 段，現(xiàn)場試驗(yàn)的篩分試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1 可知，現(xiàn)場混合料的配比符合設(shè)計級配，如圖3～4 所示，但在0.075 mm范圍的級配數(shù)略大于設(shè)計級配。

表1 現(xiàn)場試驗(yàn)的篩分試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Screening results of field test

2.2.2 干密度的影響因素分析

圖3 K113+050～K112+860 段級配曲線Fig.3 Segment gradation curves at the position of K113+050～K112+860

圖4 K112+800～K112+655 段級配曲線Fig.4 Segment gradation curves at the position of K112+800～K112+655

圖5 干密度現(xiàn)場取樣測試照片F(xiàn)ig.5 Field sampling of dry density

圖6 振動時間與干密度的關(guān)系Fig.6 Relationship between vibration time and dry density

K113+050～K112+860 段和K112+800～K112+655 段分別命名為試驗(yàn)一和試驗(yàn)二。2 段現(xiàn)場試驗(yàn)現(xiàn)場采樣品如圖5 所示。開展現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)振動壓實(shí)試驗(yàn)，單次振動時間與干密度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6 中可以看出，試驗(yàn)一和試驗(yàn)二研究結(jié)果的變化趨勢略有不同。試驗(yàn)一的試樣隨著壓實(shí)時間的增加，干密度呈先增加后降低趨勢。經(jīng)過200 s后，室內(nèi)振動試驗(yàn)得到最大干密度約為 2.343 g/cm3。試驗(yàn)二的試樣隨著壓實(shí)時間的增加，干密度也隨之增加。振動時間為200 s 時，室內(nèi)振動試驗(yàn)得到最大干密度，約為2.343 g/cm3，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果為2.381 g/cm3。振動壓實(shí)試驗(yàn)表明：在2 次試驗(yàn)中，當(dāng)單次振動時間超過160 s 時，樣品的干密度達(dá)到一個較大的值。因此，建議在實(shí)際施工中將單次振動時間設(shè)置為160～200 s。

干密度室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果基本一致，均隨著振動時間的增加呈現(xiàn)先增大后降低趨勢。其中，現(xiàn)場試驗(yàn)整體結(jié)果略大于室內(nèi)試驗(yàn)。

碾壓次數(shù)與干密度現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可以看出，試驗(yàn)一的試樣隨著壓實(shí)時間的增加，干密度先增加后降低，在碾壓第5 次、第6 次出現(xiàn)干密度的峰值。其中，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果為2.38 g/cm3，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為2.41 g/cm3。試驗(yàn)二的試樣也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，隨著碾壓遍數(shù)的增加，干密度先增加后降低，在碾壓第5 次出現(xiàn)干密度的最大峰值，現(xiàn)場試驗(yàn)約為2.397 g/cm3，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為2.382 g/cm3。

圖7 碾壓遍數(shù)與干密度的關(guān)系Fig.7 Relationship between the number of milling times and dry density

振動壓實(shí)試驗(yàn)表明：當(dāng)碾壓遍數(shù)為5～6 次時，路基的干密度達(dá)到最大值，因此，在實(shí)際的施工中，建議現(xiàn)場的碾壓邊數(shù)為5～6 次。

2.2.3 含水率的影響因素分析

2 段試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場采樣后，并開展現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)振動壓實(shí)試驗(yàn)，振動時間與含水率試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可以看出，在試驗(yàn)一中，含水率隨著壓實(shí)時間的增加，先增加后不變，在160 s后達(dá)到穩(wěn)定。在試驗(yàn)二中，含水率隨著振動160 s后，含水率保持穩(wěn)定。

圖8 振動時間與含水率的關(guān)系Fig.8 Relationship between vibration time and moisture content

圖9 碾壓遍數(shù)與含水率的關(guān)系Fig.9 Relationship between the number of rolling times and moisture content

碾壓遍數(shù)與含水率現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。從圖9 可以看出，試驗(yàn)一，隨著碾壓遍數(shù)的增加，室內(nèi)含水率不變，現(xiàn)場試驗(yàn)含水率逐漸增加趨于平緩。試驗(yàn)二，隨著壓實(shí)時間的增加，含水率在碾壓第4 次時，開始略有下降?？傮w而言，在經(jīng)歷160 s振動時間和碾壓5 次后，含水率不變，維持在5%。因此，更加進(jìn)一步驗(yàn)證了振動時間維持在160 s 和碾壓次數(shù)為5 時，可獲得最佳含水率和最大干密度。

3 結(jié)論

以某工程為依托，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，對CFG 樁振動成型法的相關(guān)施工參數(shù)進(jìn)行了研究，得到的結(jié)論為：

1) 一定級配設(shè)計下，室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)的干密度隨著振動時間增加的變化趨勢一致。當(dāng)單次振動為160～200 s 時，干密度達(dá)到一個較大的值；當(dāng)碾壓5～6 次之后，路基的干密度達(dá)到最大值。因此，建議現(xiàn)場碾壓遍數(shù)為5～6 次，振動時間為160～200 s。

2) 室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)均表明經(jīng)歷160 s 振動和碾壓5 次后，含水率不變，維持在5%。因此，更進(jìn)一步驗(yàn)證了振動時間維持在160 s 和碾壓次數(shù)為5 時，可獲得最佳含水率和最大干密度。該CFG樁復(fù)合地基振動成型法施工工藝的研究結(jié)果，可為類似工程施工提供借鑒。