水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)在公路軟基處理中的應用

■謝 彬 ■中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東 濟南 250002

在高速公路建設中，CFG樁處理加固軟土地基是20世紀90年代出現(xiàn)的一種地基處理技術，由水泥、碎石、粉煤灰摻水拌合，用普通振動沉管機或長螺旋鉆機施工而成。成樁后由樁、樁間土、褥墊層共同組成復合地基承受路堤荷載。CFG樁復合地基能夠大幅提高原地基承載力，減小沉降變形，且可調整樁基間距來滿足不同地基承載力的要求，具有可調性大的優(yōu)點。

1 工程概況

江西某高速公路KXXX+130-KXXX+350段位于花崗巖地質區(qū)，地貌為微丘崗阜，自然坡度10°-20°，植被發(fā)育一般，自然邊坡穩(wěn)定。本段路基原設計為清除表土后直接填筑路基，填方高度為7-13米。在路基填筑過程中未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，當填筑至約9米高時，路基右幅約27米(滑裂面至邊坡坡腳距離)范圍突然出現(xiàn)沉陷、滑移，垂直下沉最大處約2米，水平側滑最大處約4米。滑移發(fā)生后，立即對路基塌方段進行了地質勘察分析，以查明地層分布和地下水埋藏條件。

經(jīng)地質勘查，原地表以下分布有軟土，厚度為0-7m，軟土為灰黑色淤泥質粉質粘土，處于飽和狀態(tài)。在路基填筑過程中，堆土荷載引起軟土中產(chǎn)生較高的超靜孔隙水壓力，使軟土摩擦強度降低，造成路基產(chǎn)生滑移。

2 地質勘察情況

2．1 地質剖面圖

圖1 滑裂段地質剖面圖

2．2 各地層巖性特征

第①層:填筑土

填筑土:褐紅色，土質稍密-中密，主要由粘土夾少量花崗巖中風化碎塊組成，碎塊分部不均，碾壓后堆積時間不足一年。

第②層:淤泥質粉質粘土

灰黑色，流塑，成份以粘粒為主，土質不均勻，含有少量腐殖質，有臭味，干強度差，韌性好，無振搖反應，手捻有較強砂感。

第③層:砂質粘性土

褐黃色，可塑，成份以粘粒為主，土質不均勻，約含20-30%粗砂，干強度一般，韌性差，無振搖反應。

第④1層:花崗巖 全風化

棕黃色夾灰褐色，全風化，原巖結構已破壞但依稀可辨，鉆進較快，巖芯呈土柱狀，局部呈散砂狀。

第④2層:花崗巖 強風化

灰白色，灰褐色，強風化，粗粒花崗結構，厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，機械破碎，巖芯呈土柱狀夾塊狀，塊徑2-3cm，巖質硬，錘擊不易碎。

第④3層:花崗巖 中風化

灰白色，中風化，粗粒花崗結構，厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，機械破碎，巖芯呈短柱狀夾塊狀，節(jié)長5-7cm，塊徑4-6cm，巖質硬，錘擊不易碎。

2．3 各巖土層的物理力學指標

根據(jù)地質鉆孔資料和土工試驗，該路段各主要巖土層的物理力學指標如下。

表2 -1各巖土層的物理力學指標

3 方案選擇

根據(jù)地勘資料揭露，地基軟土層較厚，采用換填法開挖方量大，難以施工且工程造價過高，規(guī)范要求一般換填深度不宜超過3m，所以本次處理考慮采用復合地基，主要在砂石樁、深層水泥攪拌樁和水泥粉煤灰碎石樁之間進行比選。本路段位于花崗巖地質區(qū)，地表下約8米位置可見花崗巖風化層，能提供較高的端阻力，從而縮短樁長，減少費用，而砂石樁雖有良好的擠密和排水效果，但無法發(fā)揮樁端阻力作用，在本次處理中難以達到地基承載力大幅提升的效果;深層水泥攪拌樁雖然能最大程度利用原土，具有費用低的優(yōu)勢，但其強度受原土影響大，本滑坡段路基底淤泥層較厚，含水量大，呈流塑狀，為高壓縮性土，不適合采用水泥攪拌樁;水泥粉煤灰碎石樁能同時發(fā)揮樁的側阻和端阻作用，其樁身材料中加入工業(yè)廢料粉煤灰，降低了工程造價;同時，本次處理必須解決厚層軟土側向沉降滑移問題，砂石樁不具備抗剪能力，水泥攪拌樁抗滑移能力也較差，在類似處理中已有失敗案例，而水泥粉煤灰碎石樁豎向和水平抗剪能力均較強，特別是外側樁基可通過配置鋼筋增加其水平抗力，相當于抗滑樁，針對性強，效果尤其明顯。綜合經(jīng)濟技術比較，本次軟基處理采用水泥粉煤灰碎石樁基復合地基。

4 CFG樁基設計

4．1 參數(shù)設計

根據(jù)地質情況，場內標高8米以下存在花崗巖全風化層，層厚約3米，地基承載力300Kpa，壓縮模量15．0Mpa，可作為持力層，CFG樁長擬定為10m。

樁徑的選擇與施工設備有很大關系，目前CFG樁施工工藝主要有長螺旋鉆孔灌注成樁和振動沉管灌注成樁兩種，長螺旋鉆孔灌注成樁適合于地下水位以上的粘土、粉土和路基填土，振動沉管灌注成樁適合于粘土、粉土、淤泥質土、填筑土、松散砂土等地質，本工程有0-6．6m深的淤泥質粉質粘土，且振動沉管施工在江西使用較多，故選用振動沉管工藝，樁徑設計為500mm。

目前復合地基承載力計算方式較多，應用較普遍的一是將樁間土承載力和單樁承載力進行合理組合疊加，二是用天然地基承載力擴大一個倍數(shù)兩種，本文按疊加法進行設計計算。首先計算單樁承載力特征值如下:

式中:UP-—CFG樁的周長;

qsik-—第i層土的側阻力特征值，按表2-1查得;

h—第i層土厚度;

qpk-—樁端持力層端阻力特征值，查閱建筑樁基技術規(guī)范，取值2000;

Ap-—樁的截面面積(㎡);

K—安全系數(shù)，取2．0。

經(jīng)計算，Rk=418KN(取Rk=400KN)

路基中心填土最高處為13m，參考湖南省公路工程地基觸探實驗規(guī)定，高速公路路堤填高12-16m時，要求地基承載力≥155Kpa，即復合地基承載力特征值fspk≥155Kpa，在已知天然地基承載力特征值、單樁承載力特征值和復合地基承載力特征值得情況下，按下式求得置換率

式中:Rk-—單樁承載力特征值，按式3-1求得;

fspk—復合地基承載力特征值(Kpa);

m—面積置換率;

fk—天然地基承載力特征值(Kpa)，按表2-1查得;

α—加固后樁間土承載力標準值與天然地基承載力標準值之比，取1．00;

Ap—樁的截面面積(㎡);

β—樁間土強度發(fā)揮度，取0．90。

經(jīng)計算 m=0．042(取 m=0．04)

擬采用梅花形布樁，按下式計算樁間距S

式中:d—樁身直徑(m);

m—置換率，按式3-2求得。

經(jīng)計算樁間距 S=2．38m，(取 s=2．40m)

根據(jù)以上公式計算的參數(shù)，代入下式計算此時的復合地基承載力特征值

經(jīng)計算，fspk=171kpa＞155kpa，滿足要求。

樁體配比按樁體強度控制，樁體試塊抗壓強度應滿足下式要求:

經(jīng)計算，fcm≥6114kPa，CFG樁混合料強度選C10即可，塌落度為180～200mm。

4．2 樁位布置

圖2 CFG樁平面布置示意圖

圖3 CFG樁處理立面圖

5 施工工藝

5．1 CFG樁施工工藝流程圖

5．2 關鍵工序控制

CFG樁經(jīng)過20多年的施工摸索實踐，工藝比較成熟，但在實際施工中，由于人為操作不當，頻頻出現(xiàn)縮頸斷樁等缺陷，影響處理效果。下面重點談談在施工各個環(huán)節(jié)中如何避免出現(xiàn)缺陷，保證成樁質量。

5．2．1 樁基施工順序設計

針對不同的地質情況，CFG樁的成樁順序主要分為硬質地基連打，軟質地基跳打兩種。本處理段地表下存在近7米的軟基，新打樁在軟土層施工時，對相鄰已打樁產(chǎn)生擠壓效果，若旁邊已打樁混凝土未凝固，會被新打樁擠壓成橢圓或不規(guī)則形，產(chǎn)生縮頸甚至斷樁，大大降低CFG樁的承載力，故采用隔樁跳打施工方案。

同時施工時樁機的振動力較大，在先打樁施工完成后，土體密度會顯著增加。隨著施工完成的樁越多，土的密度越大，在補打新樁時，即便采用隔樁跳打，若已打樁強度不高，仍可能被振裂甚至振斷。所以本工地補打新樁時至少確保相鄰已打樁達到7d強度。具體施工時采用從大里程方向向小里程方向打進，第一遍打完后返回來補打跳過的樁，既滿足已打樁施工強度需要，也不會浪費工期。

5．2．2 混合料灌注工藝

振動沉管到設計標高后立即向管內投料，直到混合料與進料口齊平。混合料拌合時間不得少于1min。加水量按塌落度10cm控制，成樁后浮漿厚度不超過20cm。有些施工單位，灌注混合料時擔心鉆頭閥門打開寬度不夠，造成樁底部縮頸，喜歡先提鉆30cm再灌注混合料，這種操作有很大弊端，首先提鉆過程中可能使鉆頭上的土掉進樁孔;其次，當樁端為透水層時，提鉆后地下水會迅速充滿該空間，對灌注混合料形成清洗，造成樁底離析。所以應避免提鉆灌料，為保證樁底質量，最好是在設計樁長時將粘性土層作為樁端持力層。

混合料與進料口齊平后，啟動馬達，振動5～10s開始提管。施工中注意控制提管速度，提管速度太快可能導致樁徑偏小或縮頸斷樁;速度過慢又會造成水泥漿分布不勻，形成混和料離析現(xiàn)象，導致樁身強度不足。樁的提拔速度控制在1．2m/min～1．5m/min為宜，如遇淤泥或淤泥土質，提管速度適當放慢。我工地樁長介于9m～12m之間，每次提管時間控制在8分鐘左右，保證成樁的質量。

提管過程避免反插，反插時因樁桿垂直度的偏差，容易使土與砼混合在一起，影響樁身質量。灌注完成后，若發(fā)現(xiàn)樁頂標高稍低于實際樁頂標高，不再往管道里灌注混凝土，避免鉆頭脫離地面時掉在樁頂?shù)哪嗤帘粷仓跇吨校纬蓨A層，應待挖除樁頂土層，施工樁帽時再進行接樁。

5．2．3 褥墊層施工注意事項

CFG樁完成28天后可開始褥墊層施工，褥墊采用30cm碎石鋪設，用小型挖掘機清理樁頭，挖除樁間土，此道工序要特別注意，許多工地在挖掘機協(xié)助工作時，由于操作不當及機械碾壓，致使部分CFG樁在樁頭下0．4～2m處開裂，形成斷樁，本工地為減小對樁間土的干擾，同時避免破壞樁體結構，在挖至褥墊層底部標高以上10cm后采用人工清理樁間土。

6 結語

本次路基側滑處理共施工CFG樁1100根，采用1臺振動打樁機，施工周期20天，經(jīng)低應變檢測未出現(xiàn)縮頸、斷樁等缺陷，均為Ⅰ類樁。處理完成后，經(jīng)靜載實驗，復合地基承載力達到180-200Kpa，滿足路基填筑要求。路基填筑完成至今近1年，未發(fā)現(xiàn)有路基沉降現(xiàn)象。本方案快速、高效的處理了此次路基側滑事故，充分體現(xiàn)了CFG樁復合地基施工方便，周期短，費用低，地基承載力提高明顯等特點，值得今后類似工程參考借鑒。

［1］CFG樁復合地基技術及工程實踐．北京:中國水利水電出版社，2001．

［2］JGJ79-2012，建筑地基處理技術規(guī)范，北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．

［3］JGJ794-2008，建筑樁基技術規(guī)范，北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008．

［4］GB50007-2011，建筑地基基礎設計規(guī)范，北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．