晉陽(yáng)高速公路軟基CFG樁加固效果分析

張俊猛

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 晉城高速公路分公司，山西 晉城 048000）

引言

濕軟地基含水量高、地基承載力低，容易產(chǎn)生較大變形。高速公路對(duì)路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求高，必須采取有效措施對(duì)濕軟地基進(jìn)行加固，方可進(jìn)行路基填筑。CFG樁工程造價(jià)低，施工工藝簡(jiǎn)單，可有效提高樁間土體的密實(shí)度，提高地基承載力。

1 CFG樁軟基加固機(jī)理

CFG樁是使用專用的施工機(jī)械，將水泥、粉煤灰、碎石等原材料加水拌和后施作的低標(biāo)號(hào)混凝土樁。CFG樁體的強(qiáng)度組成一方面是由碎石組成的骨架結(jié)構(gòu)，填充石屑、砂等細(xì)集料形成穩(wěn)定密實(shí)的結(jié)構(gòu)；另一方面是水泥水化后產(chǎn)物的黏結(jié)作用；此外，水泥和粉煤灰的物理化學(xué)作用所產(chǎn)生的產(chǎn)物，是樁體后期強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要來(lái)源。CFG樁內(nèi)部水泥含量低，強(qiáng)度相對(duì)較低，一般為C10～C25。CFG樁軟基加固機(jī)理主要是通過(guò)樁體對(duì)土體的置換、擠壓，提高樁間土的密實(shí)度，并排出地基內(nèi)部多余的水分，提高土體的密實(shí)度。CFG樁上部鋪設(shè)褥墊層，也可在上部鋪設(shè)土工格柵，以提高地基整體穩(wěn)定性。

2 濕軟地基CFG樁加固方案

2.1 項(xiàng)目概況

晉陽(yáng)高速公路設(shè)計(jì)全長(zhǎng)36.119 km，采用雙向四車道，整體式路基設(shè)計(jì)寬度為21.5 m，分離式路基單側(cè)寬度12 m，設(shè)計(jì)車速為全長(zhǎng)80 km/h。全線有多處隧道、橋梁，且路基沿線分布有濕軟地基。濕軟地基主要為淤泥質(zhì)黏土，含水量高、透水性差，最大深度可達(dá)到15.5 m，地基承載能力差，在外界荷載作用下會(huì)產(chǎn)生變形破壞。選取K15+358—K15+864段濕軟地基為研究對(duì)象，采取CFG樁進(jìn)行加固處治，并分析確定加固效果。

2.2 CFG樁加固方案

CFG樁設(shè)計(jì)直徑為50 cm，選用42.5（R）水泥，袋裝二級(jí)、三級(jí)以上粉煤灰，碎石粒徑為20～50 mm，并按照比例摻入適量石屑。CFG樁采用正方形布置，樁體設(shè)計(jì)長(zhǎng)度深入持力層超過(guò)1 m。樁體28 d抗壓強(qiáng)度不小于12 MPa，樁體混凝土材料設(shè)計(jì)配合比為水泥：粉煤灰：石屑：碎石=1∶1.530∶3.529∶8.855，坍落度60～80 mm。樁帽之間回填30 cm后的粗砂層，上部設(shè)置30 cm厚的碎石墊層。為提高符合地基整體穩(wěn)定性，鋪設(shè)一層雙向土工格柵進(jìn)行加固處治，CFG樁布置見(jiàn)圖1。

圖1 CFG樁加固布置

3 CFG樁軟基加固效果分析

3.1 CFG樁加固軟基檢測(cè)方案

軟弱地基CFG樁加固處治21～28 d后，制定方案對(duì)加固效果進(jìn)行分析，評(píng)定加固效果。對(duì)同條件養(yǎng)生試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，檢測(cè)樁身混凝土強(qiáng)度。在施工現(xiàn)場(chǎng)選取有代表性的路段，分別檢測(cè)地基承載力、樁間土應(yīng)力比，并采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)確定加固土體的密度，重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)確定樁周土體的密度。收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析處理，確定加固效果。

3.2 CFG樁加固后單樁地基承載力檢測(cè)

高速公路軟基CFG樁加固處理后，待樁體周邊土體充分固結(jié)后，采用靜載試驗(yàn)進(jìn)行地基承載力檢測(cè)。試驗(yàn)采用分級(jí)加載，分級(jí)卸載的方式，對(duì)各級(jí)加載下的試驗(yàn)時(shí)間、位移計(jì)讀數(shù)和累計(jì)沉降量進(jìn)行記錄。選取K15+550斷面中的一個(gè)CFG樁開(kāi)展靜載試驗(yàn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，不同荷載下沉降量P-S曲線見(jiàn)圖2。

表1 K15+550斷面靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 靜載試驗(yàn)P-S曲線

分析表1數(shù)據(jù)和圖2曲線可知，從曲線的總體走勢(shì)上看，在加載過(guò)程中，隨著試驗(yàn)荷載和加載時(shí)間的增加，軟基累計(jì)沉降量不斷增加，且增加速率基本一致，荷載達(dá)到180 kN以上時(shí)變化速率有所增加。說(shuō)明試驗(yàn)樁所處地基還沒(méi)有達(dá)到極限狀態(tài)，還產(chǎn)生了一定的變形。當(dāng)試驗(yàn)荷載加載到480 kN時(shí)，濕軟地基最大沉降量達(dá)到48.67 mm，低于設(shè)計(jì)要求的75.6 mm。

按照《公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTG/T F81-01-2004）要求，地基極限承載力特征值取0.2 MPa，分別取10個(gè)有代表性測(cè)點(diǎn)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，得到地基承載力最小值為0.18 MPa，最大值為0.24 MPa，平均值為0.215 MPa，大于特征值0.2 MPa，說(shuō)明軟基CFG樁加固后地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 樁土應(yīng)力比檢測(cè)

樁土應(yīng)力比采用試驗(yàn)法確定，通過(guò)在試樁樁頂和土層表面布設(shè)土壓力盒，通過(guò)靜載荷試驗(yàn)測(cè)定樁頂和樁間土的應(yīng)力，計(jì)算確定樁土應(yīng)力比。在進(jìn)行單樁地基承載力檢測(cè)的同時(shí)，檢測(cè)不同等級(jí)加載下的樁頂和樁間土的應(yīng)力值。分別在K15+550斷面和K15+750斷面布設(shè)土壓力盒，測(cè)得各級(jí)壓力下的應(yīng)力值，計(jì)算樁土應(yīng)力比并繪制變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 樁土應(yīng)力比-荷載變化曲線

分析圖3曲線變化情況可知，在加載前期隨著荷載的增大，樁土壓力比不斷增大。當(dāng)荷載達(dá)到360 kN時(shí)，樁土壓力比最大，荷載進(jìn)一步增大樁土壓力比下降，最終穩(wěn)定在16～18左右，超過(guò)規(guī)范要求的15，說(shuō)明CFG樁頂應(yīng)力明顯大于樁間土應(yīng)力值，地基承載力明顯提高，施工質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

為了檢測(cè)CFG樁加固后地基土的密實(shí)情況，施工后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉆探取土，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)分析加固效果。文章選取K15+550、K15+750 兩個(gè)斷面作為研究對(duì)象，分層取樣開(kāi)展室內(nèi)土工試驗(yàn)，記錄加固前后①-④層土的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)見(jiàn)表2。分析得出，加固后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)明顯增加，接近加固前的2倍，說(shuō)明土體密實(shí)度明顯增加，地基土體密實(shí)度得到了明顯改善。

表2 加固前后地基土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果

3.5 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

動(dòng)力觸探試驗(yàn)采用落錘質(zhì)量為63.5±0.5 kg的試驗(yàn)儀，檢測(cè)中將標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入土中，每貫入30 cm記錄1次錘擊次數(shù)。在K15+550、K15+750 兩個(gè)斷面布置測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)過(guò)程在施工現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)，繪制貫入深度與錘擊次數(shù)變化曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)貫入深度與錘擊次數(shù)變化曲線

分析圖4曲線，在樁頂以下5 m范圍內(nèi)的地基土，錘擊次數(shù)較低，為9～18次，這是由于施工擾動(dòng)、淺層地基土對(duì)樁體的側(cè)向作用力較低等造成的。5 m以下土體均勻性較好，錘擊次數(shù)明顯增加，為20～31次，且隨深度增加，錘擊次數(shù)越大，說(shuō)明該深度地基土對(duì)樁體的側(cè)向作用力較高，樁體加固效果明顯增加。根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)，樁頂以下0.3 m的表層地基土錘擊次數(shù)小于10次，密實(shí)程度判定為稍密；0.3～5 m，錘擊次數(shù)大于10次且小于20次，密實(shí)程度判定為中密；5 m以下，錘擊次數(shù)大于20次，密實(shí)程度判定為密實(shí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)位置處地基加固后地基土密實(shí)度良好，承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）分析靜載試驗(yàn)結(jié)果，得出濕軟地基最大沉降量達(dá)到48.67 mm，樁土壓力比穩(wěn)定后均超過(guò)15，說(shuō)明CFG樁加固后地基承載力明顯提高，施工質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。（2）分析標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果，得出加固后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)接近加固前的2倍，說(shuō)明土體密實(shí)度明顯增加，地基土體密實(shí)度得到了明顯改善。（3）分析動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果，得出加固后土體均勻性、密實(shí)度均較好，地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。