高速路基CFG樁材料配合比及力學(xué)性能研究

葉舒健

騰達建設(shè)集團股份有限公司 上海 300122

隨著我國城市人口的日益劇增，居民住宅樓以及其他基礎(chǔ)設(shè)施的需求越來越大，這時候的城市用地更加緊張。為了解決這一現(xiàn)象，提高城市居民的生活質(zhì)量，高層、超高層建筑物就應(yīng)運而生。此時軟土地基的處理顯得尤為重要，隨著復(fù)合地基處理方法的日益成熟，在高層、超高層建筑地基上的應(yīng)用也越來越多。CFG樁復(fù)合地基，也就是水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基可以解決上述問題，CFG樁復(fù)合地基具有強度高、剛度大、造價低、施工周期短等特點，既能提高地基承載力，又能很好地控制地基變形，目前在工程中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，現(xiàn)已成為廣大巖土工作者的研究熱點。

CFG樁材料配合比直接影響CFG樁復(fù)合地基的強度是否能滿足現(xiàn)場工程需求。因此許多學(xué)者對此展開了研究。馮靖[1]結(jié)合某鐵路客運專線CFG樁復(fù)合地基處理，對構(gòu)成CFG樁的樁身材料進行了一系列物理力學(xué)特性試驗研究。試驗研究結(jié)果確定了合理的CFG樁樁身材料配合比，得出的配合比可以滿足工程不同的強度要求和施工工藝要求，可供相關(guān)工程參考。在實際應(yīng)用中，應(yīng)盡早利用立方體試件7d齡期的抗壓強度，或棱柱體試件7d齡期的軸心抗壓強度，估算28d強度，以縮短建設(shè)周期，降低工程成本。試驗結(jié)果表明，粗骨料粒徑對于混凝土試件彈性變形模量的影響不大，只要滿足施工工藝要求，不必考慮粗骨料粒徑對于樁身強度的影響。

周晨[2]介紹了南京市城東污水處理廠工程CFG樁基配合比選擇、試驗的過程，并且通過對一組檢測數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，確定了CFG樁體混合料的鮑羅米公式中的回歸系數(shù)。

劉再成[3]CFG樁目前具有處理地基技術(shù)具有適應(yīng)性廣、承載力高、經(jīng)濟合理等特點。但其理論研究與實際施工過程中仍存在差異，尤其是混合量配合比設(shè)計、參數(shù)確定、復(fù)合地基承載力的計算方法等還有許多不完善的地方。結(jié)合某在建工程，通過理論設(shè)計、現(xiàn)場試驗檢驗兩方面進行了對比分析，提出了設(shè)計時相關(guān)參數(shù)的合理采用。

吳成余[4]為了研究CFG樁在四川廣安至南充地區(qū)公路工程的適用性,研究了CFG樁的混凝土配合比，保持集料用量不變確定了水泥與粉煤灰的用量，在保證性能的基礎(chǔ)上研究了煤矸石的最佳用量。結(jié)果表明：CFG樁混凝土抗壓強度、抗折強度隨水泥用量的增加而增加，抗壓強度增幅較為穩(wěn)定，而抗折強度增幅隨水泥用量的增加而降低，應(yīng)通用折壓比確定水泥用量。CFG樁混凝土抗壓強度、抗折強隨著煤矸石用量的增加而減小，煤矸石替換集料用量不應(yīng)超過495 kg/m3，提出了滿足設(shè)計要求與經(jīng)濟性的配合比和施工控制要點。

本文依托北京新機場至德州高速公路京冀界至津石高速段主體工程，針對工程情況進行了分析根據(jù)工程需求進行了CFG樁材料配合比試驗研究，得到了滿足工程要求又經(jīng)濟合理的材料配比，為類似工程CFG樁材料配合比的選取提供參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)及概況

1.1 工程概況

北京新機場至德州高速公路京冀界至津石高速段主體工程主線起自廊坊市固安縣紀家莊村東京冀界，與北京段（新機場南北航站樓聯(lián)絡(luò)線）順接，向南經(jīng)西營、知子營、大辛閣、養(yǎng)馬莊、康仙莊，在蘇橋鎮(zhèn)跨越大清河及趙王新河，后轉(zhuǎn)向西南經(jīng)大圍河鄉(xiāng)、文安縣城西、大留鎮(zhèn)東進滄州市境內(nèi)，向南經(jīng)梁召鎮(zhèn)，終于任丘市梁召鎮(zhèn)與津石高速交叉處，路線全長87.256km。京德高速ZT11標(biāo)主線采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度120km/h，路基寬度34.5m。汽車荷載等級：公路-Ⅰ級。路基、橋涵全長4.2km，包含主線路基、梁辛莊大橋、大河路2號及梁召樞紐互通；其中梁召互通立交長度為1900m、匝道8條，被交津石高速；互通區(qū)內(nèi)設(shè)主線橋1303m/1座，匝道橋1795.533m/6座（A、B、C、D、E、F匝道橋）如圖1所示。

圖1 GK0+619.0~GK0+681.0位置示意圖

1.2 工程地質(zhì)條件

北京新機場至德州高速公路京冀界至津石高速段主體工程施工ZT11合同段箱涵址區(qū)工程地質(zhì)條件簡單，土體分布較穩(wěn)定，場地穩(wěn)定性較好。

1.2.1 土層物理性質(zhì)

典型土層分布為：

①粉土：地表出露，層厚3.10m，層底標(biāo)高3.18m，黃褐色，中密，稍濕～濕，土質(zhì)均勻，切面稍粗粗，干強度一般。該層的承載力基本容許值[fa]=130kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qx=30kPa；

②粉質(zhì)黏土：埋深4.30m，層厚2.30m，層底標(biāo)高-0.32m，黃褐灰黃色，可塑，土質(zhì)均勻，切面光滑，干強度及韌性中等，見銹染，局部夾黏土及粉土薄層。該層的承載力基本容許值[Ga]=140kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qk-35kPa；

③粉土：埋深7.85m，最大揭露層厚1.15m，福黃。黃褐色，中密～密實，稍濕～濕，土質(zhì)不均，切面粗糙，干強度及韌性低，含粉砂，偶見姜石。該層的承載力基本容許值[fa]=150kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qu-35kPa。由于大部分是粉土、粉質(zhì)黏土，可選用CFG樁進行箱涵復(fù)合地基的處理。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

（1）地表水：任丘市地處低平原區(qū)，地表水多呈自由漫流狀態(tài)，順地勢由西向東北排泄。境內(nèi)河流均為大清河水系南支，無自然河，多是利用原來的天然排水溝人工開挖的排灌河道。較大的河道有：東部地區(qū)的古洋河，源于獻縣，境內(nèi)全長54.89km；西部地區(qū)的小白河，源于肅寧，境內(nèi)全長48.7km；中部地區(qū)的任文干渠，西起七間房鄉(xiāng)的大樹劉莊，東到梁召鎮(zhèn)閻家塢而后出境流入文安縣，境內(nèi)全長31.5km。此外，還有北部地區(qū)的趙王河、大清河及白洋淀卡河等。

（2）地下水：區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于第四系松散地層中，呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的含水層系，含水層巖性主要為粉土、粉細砂，局部有中砂。在河道或古河道附近砂層呈多層狀分布，總厚度一般在10～20m，河道間砂層多呈薄層狀分布，總厚度一般小于10m。擬建場地地下水主要為第四系孔隙潛水，地下水位埋深10.80～12.70m左右，水位年變化幅度1.00～2.00m左右。淺層地下水位埋深變化較大，主要為大氣降水補給，徑流、排泄方式主要為河流及人工開采。淺層地下水位埋深一般為6～15m。

2 CFG樁配合比及力學(xué)性能研究

2.1 試驗配合比初定

確定CFG樁水泥混凝土配合比的主要計算參數(shù)包括：水泥用量、混合料用量、用水量、粉煤灰用量、礦渣粉用量等。參考現(xiàn)有的資料和施工經(jīng)驗初步確定了上述部分參數(shù)，并據(jù)此參數(shù)設(shè)計了多組配合比用以進行試驗。試驗的主要目的是根據(jù)混凝土配合比對CFG樁成樁技術(shù)參數(shù)展開研究。配合比試驗主要原材料如表1所示。

表1 各材料技術(shù)指標(biāo)

各材料用量確定如下：

（1）用水量的確定

未摻外加劑時推定的滿足實際塌落度要求的每立方米混凝土用水量為250kg/m3，外加劑減水率為32.0%。

根據(jù)公式:mw0=m'w0(1-β)=250×(1-0.32)=170(kg/m3）

（2）膠凝材料、礦物摻合料、外加劑和水泥用量

根據(jù)項目文件、技術(shù)規(guī)范要求及經(jīng)驗得出：①粉煤灰摻量15%，礦渣粉摻量15%；②根據(jù)計算及經(jīng)驗取基準(zhǔn)水膠比：W/B=0.57。

膠凝材料用量：mb0=mw0/(W/B)=300kg/m3

水泥用量：mc0=mb0×βc=300×(1-0.3)=210kg/m3

粉煤灰用量：mc0=mb0×βf=300×0.15=45kg/m3

礦渣粉用量：mc0=mb0×βf=300×0.15=45kg/m3

外加劑用量：ma0=mb0×βa=300×0.01=3.0kg/m3

（3）粗、細骨料用量

根據(jù)施工經(jīng)驗確定砂率βs=45%

采用質(zhì)量法計算混凝土配合比，假定密度：mcp=2390kg/m3

2.2 混凝土配合比的試配、調(diào)整與確定

根據(jù)上述配合比計算得基準(zhǔn)配合比：試配拌制40L，各材料用量如表2所示。

表2 CFG素混凝土樁基礎(chǔ)配合比

初始坍落度190mm，60min后坍落度為180mm，無泌水。測密度為ρ=2380kg/m3，粘聚性良好，保水性良好，工作性滿足施工要求。

根據(jù)水膠比上下浮動0.03，用水量與試拌配合比相同，砂率與試拌上下浮動0.01，這兩個配合比分別試配拌制40L，各種原材料用量如表3所示。

表3 CFG素混凝土樁不同水灰比各材料用量

配置完成后，W/B=0.60，初始坍落度195mm，60min后坍落度為180mm，無泌水，實測密度為2380kg/m3，粘聚性良好，飽水性良好，工作性滿足施工要求。

W/B=0.54，初始坍落度190mm，60min后坍落度為185mm，無泌水，實測密度為2400kg/m3，粘聚性良好，飽水性良好，工作性滿足施工要求。

2.3 強度試驗

CFG樁試塊抗壓強度設(shè)計要求為20.0MPa。如表4所示，水膠比試塊的28d抗壓強度均符合要求。

表4 各水膠比試塊的抗壓強度

2.4 不同配比的材料新能對比

根據(jù)不同材料用量的配合比參數(shù)進行對比，如表5所示，得出W/B=0.54的C20水泥混凝土配合比性能最佳。從表中可以看出，抗壓強度在編號3的情況下達到最佳，當(dāng)齡期達到7d時其抗壓強度為24.6MPa，當(dāng)齡期為28d時其抗壓強度達到最高為32.5Mpa。但從實際角度出發(fā)，當(dāng)水膠比從0.60降至0.57后，齡期為28d時最大抗壓強度上升5.5MPa，強度增大非常明顯。而當(dāng)水膠比從0.57降至0.54后，齡期為28d時最大抗壓強度上升2.3MPa，強度增大值明顯小于水膠比從0.60降至0.57的情況。而水膠比的的減小，會導(dǎo)致經(jīng)濟性的下降，所以綜合考慮強度特性和經(jīng)濟性，選取水膠比為0.57的配比為最佳配比。

表5 各組配合比材料用量

2.5 最終配合比的調(diào)整與確定

K=丨ρc,t-ρc,c丨/ρc,c=10/2390=0.4%＜2%，配合比可不做調(diào)整。

理論配合比的確定，每m3C20混合料各材料用量如表6所示.

表6 每m3C20混凝土各材料用量（kg/m3）

3 結(jié)論

本文依托北京新機場至德州高速公路京冀界至津石高速段主體工程，針對工程情況進行了分析根據(jù)工程需求進行了CFG樁材料配合比試驗研究，得到以下結(jié)論：

（1）在各配合比下，水泥混凝土材料的強度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）當(dāng)水膠比為0.54時，抗壓強度達到最佳，當(dāng)齡期達到7d時其抗壓強度為24.6MPa，當(dāng)齡期為28d時其抗壓強度達到最高為32.5MPa。

（3）由于水膠比從0.6降至0.57與水膠比從0.57降至0.54比較，強度增幅更加明顯，綜合考慮強度特性和經(jīng)濟性，選取水膠比為0.57的配比為最佳配比。