CFG樁加固某軟土路基的病害分析

黎愛清

(中鐵十六局集團第五工程有限公司,河北唐山 064000 )

CFG樁加固軟基具有施工方法簡單、施工周期短、成本低、適用范圍廣、處理地基后承載力高、易于保護施工環境等眾多優點,已在軟基處理中得到了廣泛的應用。但由于在極軟弱地基中存抗橫向力弱、施工工藝要求高、影響成樁質量的因素多、檢測手段的局限性等眾多不利因素,使得CFG樁在極軟弱地基的軟土路堤中使用一直處在爭議之中。

1 影響CFG樁成樁質量的因素

1.1 地質地層的影響

軟土含水量過大呈流塑狀時易造成CFG樁縮頸影響成樁質量；持力層巖面坡率過大易使樁尖滑移造成單樁失穩。

1.2 施工過程的影響

根據施工管理的經驗,主要影響因素如下。

(1) CFG樁混合料施工質量,尤其要注意混合料的坍落度要符合設計要求,坍落度過大易使樁頂浮漿過多,影響樁身質量。

(2) CFG樁沒達到設計預定的持力層,導致不均勻沉降而使局部樁受力過大破損。在施工過程中,由于地質情況復雜,施工操作人員對地質情況的認知水平低,難于準確判斷,采用抬架和電流等方法控制不好,常導致樁沒有進入設計預定的持力層。

(3)施工縮頸現象。成孔完畢,投放混合料的過程也是難于控制,振動沉管CFG樁是邊提管、邊投料,投放的混合料是否均質、密實不好掌握,且在投料過程中配合提管,提管速度要求在各種土質中的速度不一樣,但在施工中機械操作手不可能對每個孔的各種地層的長度記清楚,容易產生縮頸現象。

(4)成樁破損。由于CFG樁鉆機較重,在施工移機中混凝土沒有達到一定強度,易使樁折斷。

1.3 CFG樁抗橫向力弱

CFG樁為素混凝土,樁徑又小,很難承受橫向力作用。沉管法CFG樁因樁間距、成樁順序不當而產生擠土效應,導致樁破損。

2 CFG樁檢測方法缺陷

CFG樁常見的檢測方法有小應變無損檢測、單樁承載力試驗、取芯試驗。在這3種檢測方法中只有小應變無破損檢測是對樁進行100%測定,后2種方法由于施作不方便,只是抽樣檢驗,特別是取芯試驗只是一種驗證試驗,不能作為真正意義上的檢測手段。但目前小應變無損檢測尚不能檢測樁有多個缺陷的情況,能反映樁身質量僅靠有局限性的小應變無破損檢測,所以成樁之后的質量得不到完整驗證與評價。

3 CFG樁的破壞特征

軟土路堤地基破壞都是按圓弧曲線考慮的,CFG樁的加固是提高了地基的豎向承載能力,但在極軟弱地基中,其抗橫向力弱,由于不確定因素的影響一旦軟基滑移,CFG樁抗橫向力弱的缺點就暴露出來,就會由于地基的變形加劇使CFG樁折斷。

4 案例分析

在國內某條鐵路客運專線上采用了CFG樁加固軟基,當路基填到一定高度時出現了大面積的滑移,詳細情況介紹如下。

4.1 工點工程地質及水文地質概況

本工點地處瑞安市境內,屬海積平原地貌,地形較平坦,均為水田、河網密布,交通發達,地面高程在3.60～9.77 m。

表層為素填土,灰黃、褐黃色,厚約1.0～1.4 m；下為Qm4黏土、粉質黏土,軟塑,灰黃色,厚0～1.0 m；其下為統淤泥,深灰色,流塑,含有機質、腐殖質及少量貝殼碎屑,局部夾少量砂及卵石,厚0.5～11.3 m,土質松軟飽水,具有高壓縮性和高觸變性、低承載力特點；其下為第四系上更新統沖洪積土層狀黏土,粉質黏土,(局部粉土)；褐黃色、灰褐色,軟～硬塑,厚0～9.3 m；再下為粗角礫土,灰褐色、灰黃色,稍密～中密,厚0～5.6 m；下伏侏羅系上統磨石山組凝灰巖,全風化至弱風化。

區域地下水主要為第四系松散巖類孔隙水,含水層為沖洪積、坡洪積砂、礫石、卵石層，具承壓性質。地下水的補給來源主要靠大氣降水滲透補給,排泄以大氣蒸發為主。

根據工點環境及水質情況,結合《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》,本工點在陸地環境下,作用等級為D2,地下水對混凝土有中等侵蝕性。

4.2 施工設計情況

設計范圍:DK18+591.34～DK18+929.19,長337.85 m,小里程接水渠大橋,大里程接中橋,路堤填高9.56～9.81 m。

軟土路堤工后沉降控制值：正線為ΔS≤15 cm,沉降速率<4 cm/年；橋路過渡段ΔS≤8 cm；最小穩定安全系數：考慮列車荷載為1.25。

填料：r=19.0 kN/m3,C=10 kPa,φ=35°；

〈2〉淤泥：r=15.0 kN/m3，Cu=10.04 kPa,φu=1.96°,φcu=6.8°,Ccu=9.71 kPa；

〈3〉-1卵石土:樁周土極限側阻力f=90 kPa；

〈3〉-2黏土：r=18.5 kN/m3，Cu=38.0 kPa,φu=15.1°,樁周土極限側阻力f=40 kPa；

〈3〉-3粉質黏土:r=18.7 kN/m3，Cu=50 kPa,φu=19.1°,樁周土極限側阻力f=55 kPa,樁尖土極限端阻力R=2 200 kPa；

〈3〉-4礫砂：樁周土極限側阻力f=70 kPa,樁尖土極限端阻力R=3 500 kPa；

〈4〉-2碎石土：動探標準值5～6擊/10 cm,樁周土極限側阻力f=90 kPa,樁尖土極限端阻力R=4 000 kPa；

〈5〉-2凝灰巖,強風化:樁尖土極限端阻力R=10 000 kPa。

地基采用CFG樁加固,樁直徑0.5 m,間距1.6 m,呈正方形布置,樁長6.0～22.0 m。樁底嵌入硬底深度：碎石土、角礫土不宜小于2.0 m；凝灰巖,強風化不宜小于0.2 m。CFG樁施工完成后于樁頂鋪設0.6 m厚碎石墊層,墊層內鋪設1層土工格室。其中DK18+673.82～DK18+755右側設反壓護道,寬7.0 m,高3.0 m。

當路堤填筑高度達到4.85 m時,一段長50 m的路基在左線中心附近產生弧狀裂縫寬15 mm,發生失穩坍滑。坍滑形式自左線中心附近開始,右半幅路堤扇形滑移坍塌,在路基填筑范圍內形成兩級下沉,路堤右側坡腳施工便道隆起0.74 m。從左向右依次,第1級下沉量為0.8 m,第2級與第1級下沉量為1.64 m,路基坡腳與第2級高差為2.37 m；臺階處形成多條環狀垂直裂縫,裂縫最大寬度約0.2 m。

圖1 DK18+752斷面荷載-時間-沉降曲線

從圖1中可以看到該段路基在4月13日至以后的放置期間,沉降量過大,并出現陡降現象。

(1)缷載檢查

滑移發生后對DK18+790.4斷面進行開挖檢查。DK18+790.4的樁頂斷面見圖2及圖3。

圖2 DK18+790.4樁頂實測斷面(單位：m)

圖3 樁位驗證布置(單位：m)

①挖斷面成臺階形,共形成2個臺階。從左側起第1個陡坎位于線路中心處,陡坎高1.4 m,陡坎坎壁垂直,陡坎上下2排樁的間距為2.1 m；第1級陡坎右側9.0 m處為第2個陡坎,陡坎高1.9 m,陡坎坎壁垂直,陡坎上下2排樁的間距為4.47 m；土工格室在陡坎處斷裂。

②第1級臺階為平面,平臺頂面寬9.0 m,共有5排CFG樁,下沉1.4 m,樁體基本沒有傾斜,樁頭外觀尚好。

③第2級臺階為斜面,斜面水平寬度為13.75 m,斜面坡度約14°,CFG樁向線路外側傾斜,樁身傾斜約18°。

(2)CFG樁小應變檢測

滑移發生后對路基塌陷地段DK18+790.4處CFG樁采用低應變反射波法進行了樁基完整性檢測。DK18+790.4斷面2排樁共有54根,共檢測CFG樁50根。其中6根樁在淺部開裂為Ⅲ類樁,未發生變形沉降和位移平臺3根,第1個下沉1.4 m的平臺3根,第2個傾斜坡面臺階沒有；有6根樁在淺部存在缺陷為Ⅱ類樁,未發生變形沉降和位移平臺3根,第1個下沉1.4 m的平臺1根,第2個傾斜坡面臺階2根；其余38根樁未發現樁身缺陷,樁身完整為Ⅰ類樁。

(3)CFG樁挖樁檢測

在DK18+790.4斷面上開挖出2排CFG樁,挖出坑深約2.3 m。上部樁身為直立,長度為0.6 m,第2節樁身長度1.5 m,樁身斜。第3節樁身1.45 m,樁身直立。其中第1節和第2節連接處折斷,第2節和第3節之間有鋼筋相連,但整個樁身錯開。

4.3 塌陷原因分析

(1)施工便道離路堤坡腳較近,施工運輸土石方的重載汽車經過,來回振動,對初凝階段CFG樁造成部分斷樁,影響地基穩定。

(2)對DK18+790.4斷面共進行了50根樁低應變檢測和4根取芯及6根挖探檢查,通過對比發現,低應變檢測確定的Ⅰ～Ⅱ類樁而鉆探取芯檢查時存在嚴重缺陷；低應變檢測確定的樁長與鉆探取芯樁長嚴重不符,目前小應變無損檢測尚不能檢測樁有多個缺陷的情況。因此,CFG樁樁身質量及完整性尚缺乏有效檢測方法,低應變檢測不能完全反映樁身質量,使得對有缺陷的樁未能及時發現,施工工藝沒有得到及時調整。

(3)CFG樁大面積施工經驗不足,造成部分CFG樁單樁承載力不足,部分樁沒有達到設計持力層,沉降不均勻使局部樁受力過大而破損；移機過程沒有考慮到混凝土齡期強度,使部分樁過早受力而破損。

5 結 論

軟土地基的加固處理方法很多,應根據其適用條件和地區使用經驗,選擇技術可行、安全可靠、經濟實用的方法。CFG樁在極軟弱地基軟土路堤中由于存在橫向受力弱點和施工中難于控制等眾多的影響因素,在實際施作時要嚴格按施工操作規程施工,在條件不成熟時此法要慎重使用。

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