CFG樁處治軟土地基效果分析

田 靜

(山西交科公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030012)

0 引言

CFG樁復(fù)合地基是一種常見的軟土地基處治方法,其具有施工速度快、施工工藝簡單、處治效果好、施工成本低等技術(shù)優(yōu)勢[1-2]。但在CFG樁施工過程中,由于選用的原材料配合比控制不當(dāng)會出現(xiàn)堵管、樁間距布置不合理導(dǎo)致串孔、甚至施工過程控制不當(dāng)造成斷樁等嚴(yán)重質(zhì)量問題[3-4]。因此,不僅要在施工過程中做好質(zhì)量管理,還要在完工后做好質(zhì)量檢驗(yàn),確定處治效果。文章以某高速公路軟土地基CFG樁加固處治為研究背景,通過現(xiàn)場監(jiān)測確定施工方案的合理性,并在完工后對單樁復(fù)合地基承載力、樁土應(yīng)力比進(jìn)行檢測,同時在施工過程中和完工后開展變形監(jiān)測,觀測地基的水平位移和豎向沉降,綜合分析確定處治效果。

1 工程概況

某高速公路設(shè)計(jì)全長36 km,采用雙向四車道,設(shè)計(jì)車速為80 km/h。公路沿線有多座橋梁、隧道,整體式路基設(shè)計(jì)寬度為24.5 m,單幅分離式路基寬度為12.25 m。在道路沿線分布有多處軟土地基,地基土含水率高、承載力差,軟土地基深度為7.5～14.5 m。地基土在外部荷載作用下易產(chǎn)生變形,各路段根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況和水文情況制定方案進(jìn)行加固。本文選取K9+325～K9+537段作為研究對象,該路段軟土地基上部主要為軟塑、可塑粉質(zhì)黏土,下部為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖,軟土地基厚度為4.5～8.0 m。粉砂質(zhì)泥巖為強(qiáng)風(fēng)化(厚度為3～6 m),巖體結(jié)構(gòu)破碎,泥質(zhì)砂巖自上而下為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化。為提高軟土地基承載力,擬采用CFG樁進(jìn)行加固處理。

2 軟土地基CFG樁處治方案

K9+325～K9+537段軟土地基采用CFG樁處治,設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m,采用正方形布置,樁距為1.5 m,長度為8.5～15 m,置換率為0.087,并深入持力層1 m以上。原材料選用P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥,粉煤灰等級為Ⅲ級或Ⅲ級以上,20～50 mm碎石和石屑。樁體混凝土配合比為水泥∶粉煤灰∶石屑∶碎石=1∶1.528∶3.532∶8.786,28 d抗壓強(qiáng)度≥12 MPa。樁頂上填30 cm厚粗砂層,其上部攤鋪40 cm厚碎石墊層,并鋪設(shè)雙向土工格柵。CFG樁樁位布置如圖1所示。

圖1 CFG樁樁位布置示意圖

3 CFG樁復(fù)合地基軟土地基加固效果分析

3.1 單樁復(fù)合地基承載力

K9+325～K9+537段軟土地基CFG樁加固后,擬采用靜載試驗(yàn)檢測單樁復(fù)合地基承載力。該路段地基承載力要求≥200 kN,本試驗(yàn)選用荷載板為φ1.42 m的圓形鋼板,最大加載值為400 kN,分9級加載,一級加載為80 kN,而后每級加載遞增40 kN。加載前后使用百分表記錄沉降量,而后每30 min記錄一次數(shù)據(jù),本級加載60 min內(nèi)沉降量≤0.1 mm,即可進(jìn)行下一級加載。卸載分5級,每級間隔90 min,卸載過程中讀取回彈量。分級加載和卸載過程中記錄加載時間和累積沉降量,選取K9+405斷面靜載試驗(yàn)結(jié)果作為研究對象,收集檢測數(shù)據(jù)繪制P-s曲線如圖2所示。

圖2 K9+405斷面靜載試驗(yàn)P-S曲線圖

分析圖2靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線變化趨勢,隨著試驗(yàn)荷載的增加,監(jiān)測前期累積沉降量增加速率大體一致,加載到第7級(320 kN)累積沉降量增加速率變緩,加載后累積沉降量達(dá)到46.24 mm;卸載后累積沉降量下降到40.02 mm,回彈率為13.45 %,回彈量較小。根據(jù)設(shè)計(jì)文件,地基總沉降量為57.6 mm,第9級(400 kN)加載后最大沉降量為46.24 mm,低于設(shè)計(jì)值,滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)《公路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》(JTGT 3512-2020)的相關(guān)規(guī)定,取s/d=0.01對應(yīng)的荷載為復(fù)合地基承載力特征值,該測點(diǎn)地基承載力特征值為0.36 MPa。結(jié)合其他測點(diǎn)單樁復(fù)合地基承載力檢測結(jié)果,得出10個測點(diǎn)復(fù)合地基承載力特征值,最小值為0.35 MPa,最大值為0.42 MPa,平均值為0.36 MPa。由于各測點(diǎn)復(fù)合地基承載力特征值極差(0.07 MPa)不超過平均值的30%,因此取平均值(0.36 MPa)作為該路段的復(fù)合地基承載力特征值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,處治后地基承載力≥0.32 MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 樁土應(yīng)力比

選取K9+400、K9+500兩個監(jiān)測斷面作為研究對象,在靜載試驗(yàn)過程中開展樁土應(yīng)力比試驗(yàn)。通過在樁頂和樁間土布置土壓力盒,在各級試驗(yàn)荷載下檢測樁頂和樁間土的土壓力。收集試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過分析確定各級荷載下兩個監(jiān)測斷面的樁土應(yīng)力比如圖3所示。

圖3 各級荷載下樁土應(yīng)力比變化曲線圖

分析圖3可知,試驗(yàn)荷載從0 kPa增加到280 kPa,樁土應(yīng)力比與荷載總體呈正比例增長,試驗(yàn)荷載超過280 kPa,樁土應(yīng)力比隨試驗(yàn)荷載增加而下降。分析原因是在達(dá)到這一試驗(yàn)荷載前,主要由樁體承受荷載,超過這個荷載后由樁間土和樁體共同承受荷載,樁間土承載性能得到了充分發(fā)揮。

3.3 路基工后沉降監(jiān)測與穩(wěn)定性分析

CFG樁完工后,分別在路基中心、路肩和邊坡位置設(shè)置布設(shè)沉降板、底邊水平位移樁(邊樁),對路基水平位移和沉降進(jìn)行監(jiān)測,沉降板和邊樁布置如圖1所示。施工期間每填筑一層監(jiān)測一次,完工后根據(jù)地基變形情況,半月或一個月監(jiān)測一次,通車后每月監(jiān)測一次。本文選取C1、C2、C3、C4四個測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果作為研究對象,其中C1點(diǎn)位于路基中心位置,C2、C3點(diǎn)位于路肩部位,C4點(diǎn)位于邊坡外3 m位置,監(jiān)測60 d后路面施工完成。收集各測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制各測點(diǎn)水平位移和工后沉降量隨時間變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 路基水平位移隨時間變化曲線圖

圖5 路基豎向沉降隨時間變化曲線圖

分析圖4可知,路基在施工期間各測點(diǎn)水平位移變形量較大,監(jiān)測80 d以后各測點(diǎn)變形量明顯下降,并逐步趨于穩(wěn)定。施工期間水平位移變形速率較大,C1、C2、C3、C4四個測點(diǎn)沉降速率分別為0.04 mm/d、0.05 mm/d、0.05 mm/d和0.06 mm/d,工后變形速率下降至0.002 mm/d左右,監(jiān)測完成后基本趨于穩(wěn)定。

分析圖5可知,路基在施工階段隨監(jiān)測時間的增加沉降量不斷增加,后期變形速率逐漸趨緩,并逐步達(dá)到穩(wěn)定。在施工階段,由于受到施工荷載和路基土自重的影響,路基沉降量增速快,C1、C2、C3、C4四個測點(diǎn)沉降速率分別為0.11 mm/d、0.13 mm/d、0.14 mm/d和0.16 mm/d。完工后豎向沉降變化速率逐步趨緩,并在監(jiān)測120 d后基本趨于穩(wěn)定。施工期間沉降速率較大,完工后沉降速率較低。路基中心部分沉降量最小,路基邊坡外3 m沉降量最大,路肩位置居中。在通車120 d后路基沉降基本穩(wěn)定,且通車后沉降增量很小,基本可以忽略,說明該路段軟土地基采用CFG加固后地基變形得到了有效控制,穩(wěn)定性良好,達(dá)到了預(yù)期加固效果。

4 結(jié)語

本文以高速公路軟土地基CFG樁加固處治為施工背景,根據(jù)施工地質(zhì)情況確定施工方案,并在完工后進(jìn)行單樁地基承載力試驗(yàn)、樁土應(yīng)力比試驗(yàn),同時布置測點(diǎn)進(jìn)行沉降監(jiān)測分析,得出以下結(jié)論:

(1)靜載試驗(yàn)加載到7級后累積沉降量增加速率變緩,累積沉降量為46.24 mm,卸載后回彈率為13.45 %,且各測點(diǎn)復(fù)合地基承載力均高于設(shè)計(jì)要求的0.32 MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)樁土應(yīng)力比在試驗(yàn)荷載達(dá)到280 kPa后逐漸變小,分析原因是由于樁間土和樁體共同承受荷載,充分發(fā)揮了樁間土的承載能力。

(3)施工階段路基水平位移和沉降速率相對較大,完工后逐步趨緩,通車后120 d后路基沉降基本穩(wěn)定,說明采用CFG加固后有效控制了地基變形,路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,達(dá)到了預(yù)期效果。