基于CFG樁處理的硬殼軟土路基變形特性研究

黃 靜

(宜賓市投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川宜賓 644000)

1 工程概況

該工程路線穿越段為耕地，為一緩坡地帶，局部見基巖出露，有較強(qiáng)烈的侵蝕、溶蝕作用；相對高差最大約72.3m。軸線所跨地段地形相對最大高差13m。本地段內(nèi)分布著淤泥質(zhì)黏土等軟土，軟土具有含水量高﹑孔隙比大和低透水性等特點(diǎn)，最深處達(dá)14m，工程性質(zhì)較差，是典型的硬殼軟土地基。此軟土地基經(jīng)過穩(wěn)定性計算和沉降計算均不能滿足規(guī)范要求，其承載力低，變形大，必須進(jìn)行軟基處理后才能進(jìn)行路基的填筑。

根據(jù)地質(zhì)勘查探明的路段軟基性狀，結(jié)合現(xiàn)場實際、工期以及施工單位設(shè)備能力，決定采用CFG樁復(fù)合地基。因此，弄清CFG樁加固硬殼軟土路基的變形特性，成為正確使用CFG樁的必備條件。

2 CFG樁復(fù)合地基的作用原理

CFG樁主要是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑、砂加水拌合，通過專門機(jī)械施工而成的低標(biāo)號混凝土樁。其主要骨料是碎石，石屑以及砂等；粉煤灰主要起細(xì)骨料和低標(biāo)號水泥的作用，提高CFG樁樁體的承載力；水泥則主要起粘結(jié)作用。CFG樁體強(qiáng)度大小應(yīng)在C10～C25之間，高低直接受水泥的摻量多少影響。褥墊層是由級配碎石和砂等集料構(gòu)成的。CFG樁與樁間土以及褥墊層共同作用組成了CFG樁復(fù)合地基。

經(jīng)設(shè)計計算分析，本段CFG樁樁長為樁尖埋入軟基下承載力較好的碎石土層內(nèi)50cm，樁頂至整平后的原地面；樁徑為40cm；樁間距為140cm，按照正三角形形式布置；樁身采用抗壓強(qiáng)度不小于15MPa水泥粉煤灰碎石混合料；為綜合利用樁間土以及硬殼層的承載力，避免樁頂刺入回填路基體，造成樁體單獨(dú)承擔(dān)上部荷載，樁頂設(shè)置厚度為40cm、公稱最大粒經(jīng)不超過20mm的滿鋪級配碎石褥墊層。

3 CFG樁復(fù)合地基處理檢測

CFG樁復(fù)合地基施工結(jié)束后21～28d，便可通過檢測來評判CFG樁的質(zhì)量以及處治效果。下面依次介紹CFG樁樁身強(qiáng)度檢測、樁身完整性檢測、CFG樁承載力檢測，通過檢測數(shù)據(jù)獲得樁和土以及地基的強(qiáng)度特征，來總結(jié)CFG樁復(fù)合地基對于軟土地基的加固情況。

3.1 CFG樁樁身強(qiáng)度檢測

3.1.1 樁身混凝土試塊的制作和養(yǎng)護(hù)

混凝土的強(qiáng)度檢驗評定按照國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土強(qiáng)度檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50107-2010)的規(guī)定進(jìn)行。混凝土強(qiáng)度評定的試塊分為標(biāo)養(yǎng)試塊和同養(yǎng)試塊，標(biāo)養(yǎng)試塊是指在標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)的試塊，規(guī)范規(guī)定標(biāo)養(yǎng)試塊是在溫度20±3℃，濕度差異小于10%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d；同養(yǎng)試塊是指在澆注現(xiàn)場隨機(jī)抽取混凝土制作的試塊，同養(yǎng)試塊是在施工現(xiàn)場隨機(jī)抽取并在現(xiàn)場依現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)條件日平均溫度累積至600℃的試塊。同時，還規(guī)定了等效的養(yǎng)護(hù)周期不宜小于14d也不宜大于60d。

3.1.2 混凝土強(qiáng)度檢驗評定方法

本試驗段混凝土強(qiáng)度以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、齡期為28d的試塊抗壓試驗結(jié)果為準(zhǔn)。每組試件為三塊150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊。其強(qiáng)度評定方法有以下兩種。

(1)對于小批量零星混凝土的生產(chǎn)方式，其數(shù)量有限，不具備按統(tǒng)計方法評定混凝土強(qiáng)度的條件，可用非統(tǒng)計方法評定混凝土強(qiáng)度。用此法評定混凝土強(qiáng)度時，試件組數(shù)n≤9組成一個檢驗批，其強(qiáng)度應(yīng)同時滿足下列公式的要求。

mfcu≥1.5fcu,k

(1)

fcu,min≥0.95fcu,k

(2)

式中：mfcu為同一批次混凝土抗壓強(qiáng)度的平均值；

fcu,k為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

fcu,min為同一驗收批次混凝土抗壓強(qiáng)度的最小值。

(2)當(dāng)同強(qiáng)度混凝土試件不少于10組，可按照統(tǒng)計法進(jìn)行混凝土強(qiáng)度的評定，其強(qiáng)度應(yīng)同時滿足下列公式的要求:

mfcu-λ1sfcu≥0.9fcu,k

(3)

fcu,min≥λ2fcu,k

(4)

式中：Sfcu為同一批次混凝土抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)Sfcu計算值小于0.06fcu,k時，取Sfcu=0.06fcu,k；

λ1，λ2為判定系數(shù)，按表1取值。

表1 混凝土抗壓強(qiáng)度合格性判定系數(shù)

本工程于2012年10月依托工程試驗段進(jìn)行CFG樁施工，分別于2日、9日和13日在CFG樁現(xiàn)場施工期間取樣，制成(150×150×150)mm模塊分別置于室溫20℃相對濕度63%、室溫20℃相對濕度62%和室溫19℃相對濕度58%的環(huán)境下進(jìn)行實驗室養(yǎng)護(hù)28d，并通過試驗測得CFG樁樁身試塊平均抗壓強(qiáng)度為21.5MPa，符合設(shè)計指標(biāo)。詳細(xì)試驗數(shù)據(jù)見下表2、表3以及表4。

表2 室溫20℃相對濕度63%抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計

表3 室溫20℃相對濕度62%抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計

表4 室溫19℃相對濕度58%抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計

3.2 CFG樁樁身完整性檢測

根據(jù)CFG樁質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)，本次檢測儀器采用美國PDI公司生產(chǎn)的PIT檢測儀，檢測方法為低應(yīng)變無破損反射波法檢測樁身完整性以及樁長。

其檢測原理為：

在被測樁頭施加一個瞬時激振力，使樁身產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波，應(yīng)力波通過并沿樁身向下作質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，同時把樁看作一個一維彈性桿件，應(yīng)力波在樁身中的運(yùn)動規(guī)律滿足一維波動方程，即：

(5)

(6)

式中：u為樁身軸線位移；E為彈性模量；c為應(yīng)力波傳播速度；ρ為樁身密實度。

當(dāng)樁身存在明顯波阻抗界面(如樁底、斷樁)或樁身截面積變化(如縮徑或擴(kuò)徑)部位，將產(chǎn)生反射波。經(jīng)接收放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，可識別來自樁身不同部位的反射信息。檢測分析反射波的傳播時間、幅值、相位和波形特征，得出樁身缺陷的位置、大小、性質(zhì)等信息，最終對樁基的完整性給予評價。

通過對依托工程試驗段CFG樁基進(jìn)行的樁身完整性檢測，根據(jù)對實測數(shù)據(jù)的整理、分析認(rèn)為：本次所檢測的400根樁基中，Ⅰ類樁241根，占總樁數(shù)的60.25%，Ⅱ類樁159根，占總樁數(shù)的39.75%。

根據(jù)《公路工程基樁動測技術(shù)規(guī)程》(JTG/TF81-01-2004)規(guī)定，樁身完整性類別應(yīng)按表5劃分。

表5 樁身完整性類別劃分

3.3 CFG樁復(fù)合地基承載力檢測

在CFG樁施工完21～28d后，即使CFG樁周圍土體充分固結(jié)后，再進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基承載力的檢測，檢測方法為靜載試驗法。

下面選擇典型斷面上的一個CFG樁樁基進(jìn)行單樁復(fù)合地基載荷試驗，其CFG樁單樁復(fù)合地基載荷試驗數(shù)據(jù)如表6所示，根據(jù)由實驗數(shù)據(jù)生成的曲線圖1、圖2、圖3進(jìn)行詳細(xì)說明檢測復(fù)合地基承載力試驗的過程。

表6 CFG樁單樁復(fù)合地基載荷試驗記錄

圖1 P-S曲線

圖2 S-lgP曲線

圖3 S-lgt曲線

統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)，通過單樁復(fù)合地基載荷試驗Q～S關(guān)系曲線可得，在加載至496KN時，地基總沉降量為44.22～66.71mm，且未超出承壓板直徑的6%(1 260×6%=75.6mm)，Q-S曲線未出現(xiàn)明顯陡降，從時間沉降曲線看，各級荷載所對應(yīng)的時程曲線均較平坦，未見明顯下彎。以上情況表明，該試驗點(diǎn)地基受壓尚未進(jìn)入極限狀態(tài)，承載能力有少許余量。根據(jù)JGJ79-2002規(guī)范中復(fù)合地基荷載試驗要點(diǎn)，該試驗點(diǎn)地基的極限承載力應(yīng)取末級荷載(496/1.24=0.4MPa)，承載力特征值應(yīng)取極限承載力的一半(0.4/2=0.2MPa)與S/b=0.015對應(yīng)荷載值二者中小值。詳細(xì)CFG樁檢測表結(jié)果見表7。

表7 CFG樁檢測結(jié)果

通過表2可知，10個試驗點(diǎn)的地基承載力特征值極差未超過平均值(0.20MPa)的30%，所以可取平均值作為該工程單樁復(fù)合地基的承載力特征值依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，該工程單樁復(fù)合地基承載力特征值為0.20MPa，達(dá)到設(shè)計要求，滿足設(shè)計規(guī)范。

3.4 樁土應(yīng)力比檢測

樁土應(yīng)力比是反映復(fù)合地基工作性狀的一個重要參數(shù)，對地基穩(wěn)定性驗算和地基承載力計算均十分重要，它反映了復(fù)合地基中應(yīng)力的集中情況。樁土應(yīng)力比的確定無外乎試驗法、數(shù)值分析和解析法三種。試驗法是通過在試樁現(xiàn)場試樁樁頂、土層表面預(yù)埋土壓力盒，借助靜載荷試驗直接測試樁頂與樁間土應(yīng)力，根據(jù)定義求出樁土應(yīng)力比值，此方法結(jié)果最接近實際情況。

本試驗段在做單樁復(fù)合地基靜載試驗的同時，也檢測了在不同荷載作用下時的樁土應(yīng)力比。分別選取兩個斷面CFG樁樁頂以及樁間土埋設(shè)土壓力計進(jìn)行樁土應(yīng)力觀測，各級荷載下的樁土應(yīng)力比平均值見圖4所示。

圖4 樁土應(yīng)力比

通過圖4可以看出在剛開始加載階段，樁土應(yīng)力比隨著荷載的增大而增大；當(dāng)荷載達(dá)到一定值時，樁土應(yīng)力比穩(wěn)定在某一個區(qū)域，大約在18～23，通過試驗驗證可以看樁土應(yīng)力比檢測值基本上符合設(shè)計要求值15。說明CFG樁施工基本上達(dá)到設(shè)計要求，CFG樁上有應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高了地基的承載力。

4 結(jié)束語

通過工程現(xiàn)場檢測以及工后變形觀測可以看出，經(jīng)過CFG樁復(fù)合地基處理后的硬殼軟土路基承載力有了大幅度的提高，達(dá)到了設(shè)計要求，滿足設(shè)計規(guī)范。根據(jù)樁土應(yīng)力比檢測，可見CFG樁復(fù)合地基對于這個軟基工程的處理效果是明顯的，CFG樁起到了應(yīng)力集中的作用。同時根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和重型動力觸探試驗可知樁周邊土的密實程度以及均勻性都達(dá)到了設(shè)計要求。通過試驗段工后變形觀測數(shù)據(jù)與土工離心模型試驗結(jié)果相結(jié)合考慮分析，可得CFG樁能很好的處理硬殼軟土地基路基，其工后變形主要集中在路基固結(jié)期內(nèi)(大概100d)，離心模型試驗結(jié)果(大概90d)與實體工程實測結(jié)果偏差不大，能很好的反應(yīng)實體工程的真實情況。