CFG樁處治軟土地基效果分析

田 靜

(山西交科公路勘察設計院有限公司,山西 太原 030012)

0 引言

CFG樁復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、施工成本低等技術優勢[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會出現堵管、樁間距布置不合理導致串孔、甚至施工過程控制不當造成斷樁等嚴重質量問題[3-4]。因此,不僅要在施工過程中做好質量管理,還要在完工后做好質量檢驗,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,通過現場監測確定施工方案的合理性,并在完工后對單樁復合地基承載力、樁土應力比進行檢測,同時在施工過程中和完工后開展變形監測,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

某高速公路設計全長36 km,采用雙向四車道,設計車速為80 km/h。公路沿線有多座橋梁、隧道,整體式路基設計寬度為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生變形,各路段根據現場地質情況和水文情況制定方案進行加固。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、可塑粉質黏土,下部為粉砂質泥巖、泥質砂巖,軟土地基厚度為4.5～8.0 m。粉砂質泥巖為強風化(厚度為3～6 m),巖體結構破碎,泥質砂巖自上而下為強風化、中風化、微風化。為提高軟土地基承載力,擬采用CFG樁進行加固處理。

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,設計樁徑為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樁復合地基軟土地基加固效果分析

3.1 單樁復合地基承載力

K9+325～K9+537段軟土地基CFG樁加固后,擬采用靜載試驗檢測單樁復合地基承載力。該路段地基承載力要求≥200 kN,本試驗選用荷載板為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記錄一次數據,本級加載60 min內沉降量≤0.1 mm,即可進行下一級加載。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斷面靜載試驗結果作為研究對象,收集檢測數據繪制P-s曲線如圖2所示。

圖2 K9+405斷面靜載試驗P-S曲線圖

分析圖2靜載試驗數據和曲線變化趨勢,隨著試驗荷載的增加,監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。根據設計文件,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,低于設計值,滿足設計要求。

根據《公路工程基樁檢測技術規程》(JTGT 3512-2020)的相關規定,取s/d=0.01對應的荷載為復合地基承載力特征值,該測點地基承載力特征值為0.36 MPa。結合其他測點單樁復合地基承載力檢測結果,得出10個測點復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。由于各測點復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)作為該路段的復合地基承載力特征值。根據設計要求,處治后地基承載力≥0.32 MPa,滿足設計要求。

3.2 樁土應力比

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

圖3 各級荷載下樁土應力比變化曲線圖

分析圖3可知,試驗荷載從0 kPa增加到280 kPa,樁土應力比與荷載總體呈正比例增長,試驗荷載超過280 kPa,樁土應力比隨試驗荷載增加而下降。分析原因是在達到這一試驗荷載前,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揮。

3.3 路基工后沉降監測與穩定性分析

CFG樁完工后,分別在路基中心、路肩和邊坡位置設置布設沉降板、底邊水平位移樁(邊樁),對路基水平位移和沉降進行監測,沉降板和邊樁布置如圖1所示。施工期間每填筑一層監測一次,完工后根據地基變形情況,半月或一個月監測一次,通車后每月監測一次。本文選取C1、C2、C3、C4四個測點監測結果作為研究對象,其中C1點位于路基中心位置,C2、C3點位于路肩部位,C4點位于邊坡外3 m位置,監測60 d后路面施工完成。收集各測點監測數據繪制各測點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水平位移變形量較大,監測80 d以后各測點變形量明顯下降,并逐步趨于穩定。施工期間水平位移變形速率較大,C1、C2、C3、C4四個測點沉降速率分別為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,監測完成后基本趨于穩定。

分析圖5可知,路基在施工階段隨監測時間的增加沉降量不斷增加,后期變形速率逐漸趨緩,并逐步達到穩定。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,并在監測120 d后基本趨于穩定。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,穩定性良好,達到了預期加固效果。

4 結語

本文以高速公路軟土地基CFG樁加固處治為施工背景,根據施工地質情況確定施工方案,并在完工后進行單樁地基承載力試驗、樁土應力比試驗,同時布置測點進行沉降監測分析,得出以下結論:

(1)靜載試驗加載到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 %,且各測點復合地基承載力均高于設計要求的0.32 MPa,滿足設計要求。

(2)樁土應力比在試驗荷載達到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后路基沉降基本穩定,說明采用CFG加固后有效控制了地基變形,路基結構穩定性好,達到了預期效果。