CFG樁復合地基處治橋頭深厚軟基沉降變形分析

王鵬旋

（山西交通控股集團有限公司 晉城高速公路分公司，山西 晉城 048000）

0 引言

高速公路穿越軟土地基，如不進行有效的加固處理，運營通車后會產生一定程度的沉降變形，造成道路結構破壞。其中對橋頭深厚軟基的處治尤為重要，如處治不當會出現較大沉降變形，進而導致橋頭跳車或其他破壞，將直接影響行車舒適性和行車安全。在進行軟土地基加固處治設計中，應結合軟土地基的基本情況選擇加固方法，并進行承載力檢測和沉降變形監測[1]，確保施工質量和運營安全。

基于高速公路橋頭深厚軟基CFG樁復合地基處治實踐，詳細闡述了處治方案的制定、處治后地基承載力的檢測、軟基施工期和運營后的沉降變形監測，通過數據收集，繪制P-S曲線，說明采用CFG樁復合地基處治后的軟基承載力和沉降變形均滿足規范要求，達到了預期的加固效果。

1 工程概況

某高速公路沿線穿過沖積平原區，地質條件差，屬濕軟地基，含水量較高，個別路段超過100%，最大深度超過20 m。該地區軟土地基不僅含水量高，還具有高塑性指數、高壓縮性、高孔隙比等特點。本文研究路段位于某特大橋橋頭，軟土地基深度14.5～20 m，長度為120 m。為了提高橋頭路段軟土地基承載力，采用CFG樁復合地基進行加固處理，并設置碎石褥墊層。為了檢測軟基處治效果，對軟土地基沉降變形情況采取靜載試驗進行檢測，并結合沉降檢測結果對橋頭深厚軟基的加固效果進行對比分析。

2 CFG樁復合地基軟基加固方案

為提高橋頭深厚軟基地基承載力，采用CFG樁對地基進行加固，設計樁徑0.5 m，樁長21 m，樁體設計強度R28=6 MPa，深入下臥層1 m，樁間距1.5 m和1.8 m兩種，以調整橋頭路段的地基剛度，自橋頭向正常路段逐步過渡，以解決橋頭跳車問題。CFG樁上部鋪設褥墊層，以降低基礎底面的應力，充分發揮CFG樁的承載能力，褥墊層選用砂石材料，厚度40～50 cm。

3 CFG樁復合地基沉降變形機理

當CFG樁復合地基受到外界荷載時，樁體和樁間土體按面積承受荷載，由于土體的彈性模量相對較小，因此土體相比樁體會產生更大的沉降變形。當CFG樁復合地基上部的樁體和土體出現沉降變形時，褥墊層也會在荷載作用下產生一定的變形，出現樁體刺入褥墊層的情況，使荷載逐步集中到樁身。樁身在受到樁間土摩擦力作用下，變形會向其下部的土體傳遞[2]。褥墊層變形會隨著土體向樁身傳遞，使樁體承受更大的荷載。土體進一步變形造成中性點下移，進而造成中性點下部土體對樁體的正摩阻力不斷增加。隨著CFG樁復合地基的沉降變形不斷增加，樁端土體側摩阻力不斷增加，直至達到極限值，中性點以下樁端達到極限值的區域不斷增加，樁體刺入褥墊層深度不斷增加，土體對樁端的摩阻力也不斷增加，最終下臥層提供的樁端阻力、正摩阻力、負摩阻力和樁頂荷載達到平衡[3]。

由于土體的固結沉降較大，中性點會不斷下移，從而達到一個新的平衡狀態。直到最后土體達到一個近似靜止的平衡狀態，中性點位置相對確定。如果復合地基上部的荷載增大，又會進入一個新的變化循環，直到達到最終的穩定狀態為止[4]。CFG樁復合地基的沉降變形示意圖如圖1所示。

圖1 CFG樁復合地基的沉降變形示意圖

如圖1所示，當P=0時，代表未施加荷載；P＞0時，CFG樁復合地基處于受力狀態。圖中用hc-h'c代表褥墊層的壓縮變形量，λ1代表樁體的上刺入變形，λ2代表樁體下刺入變形。Sp代表樁頂沉降量，S'p代表樁端沉降量，由于CFG樁變形模量較大，其軸向壓縮變形量可忽略不計，取Sp=S'p。S1代表樁間土體的沉降量，中性點上部壓縮變形量S11=λ1，下部壓縮變形量S12=λ2，由此可確定S1=λ1+λ2。由于下臥層沉降量為S2，則復合地基總沉降量S=S1+S2。

4 CFG樁復合地基沉降變形分析

4.1 檢測方案設計

為了對CFG樁復合地基對橋臺深厚軟基處治效果進行檢驗，分別在橋頭軟基處治地段布置試驗段，選取有代表性的單樁進行地基承載力檢測。為了進行對比分析，在對單樁進行靜載試驗的前提下，分別對設置褥墊層和不設褥墊層兩種情況下的地基承載力進行檢測，并收集數據進行了對比分析。同時，在施工過程中制作試件，養生后檢測其抗壓強度。另外，CFG樁養生期滿28 d后，取芯檢測試件的抗壓強度和完整程度。分別對試件和現場取得的芯樣抗壓強度進行檢測，強度均高于樁體抗壓強度R28=6 MPa。

4.2 CFG單樁靜載試驗與分析

圖2 CFG單樁靜載試驗P-S曲線

根據規范要求，分別選取一組樁間距為1.8 m和1.5 m的CFG樁進行靜載試驗，成樁齡期不得少于28 d，收集試驗數據繪制荷載P-沉降量S曲線如圖2所示。試驗過程中采用逐級加載的方式，每級加載沉降變形穩定后再進行下一級加載，直至達到極限承載力為止，然后再逐級卸載。

通過對圖2所示CFG單樁靜載試驗P-S曲線分析可知，該曲線走勢為陡降型曲線，曲線產生明顯陡降的起始點荷載2 400 kPa作為極限承載力基本值。承載力基本值為極限承載力基本值的一半，即1200kPa，遠遠超過地基設計承載力，符合規范要求。

4.3 CFG樁復合靜載試驗與分析

為了便于進行對比分析，分別選取有褥墊層和沒有施作褥墊層的兩組CFG樁復合地基進行靜載試驗，收集試驗數據繪制P-S曲線詳見圖3所示，其中圖3a為無褥墊層復合地基，褥墊層施作前檢測；圖3b為有褥墊層復合地基，褥墊層施作后檢測，為施工現場選用的地基類型。

圖3 CFG樁復合地基靜載荷試驗P-S曲線

通過對圖3所示兩組復合地基靜載試驗P-S曲線分析，得出有褥墊層的復合地基承載力明顯提高，較沒有褥墊層的復合地基承載力提高20%以上，樁間距為1.5 m的復合地基承載力為178 kPa，較無褥墊層復合地基提高20%；樁間距為1.8 m的復合地基承載力為142 kPa，較無褥墊層復合地基提高36%；且均滿足設計與施工技術要求。

4.4 橋頭軟基沉降變形監測與分析

為了觀察橋頭軟基在施工和運營使用過程中的沉降變形情況，選取測點布設沉降板進行實時監測。通過長達6個月的沉降監測，地基沉降已基本趨于穩定，監測數據和沉降速率曲線詳見表1和圖4所示。

表1 CFG樁復合地基沉降監測數據匯總表 mm

圖4 不同監測位置沉降速率曲線

通過對表1所示數據和圖4沉降速率曲線分析可知，前兩個月屬于預壓期，沉降變形量較大，后4個月沉降變形量逐漸變小，并逐漸趨于穩定。通過對選取兩個斷面的沉降觀測數據進行分析，累計產生的最大沉降量為98 mm，符合設計要求。

5 結語

為提高橋頭深厚軟基承載力，采取CFG樁復合地基對其進行加固處治，并采用靜載試驗檢測地基的承載力，保證其沉降變形符合設計要求，收集數據整理分析后得出以下結論：

a）通過對單樁開展靜載試驗，收集數據并繪制P-S曲線，分析后得出單樁地基承載力基本值為1 200 kPa，遠遠超過地基設計承載力，符合規范要求。

b）分別選取設置褥墊層和沒有施作褥墊層的兩組復合地基進行靜載試驗，并繪制P-S曲線，分析后得出有褥墊層的復合地基承載力明顯提高，較沒有褥墊層的復合地基承載力提高20%以上，且其承載力值均符合設計要求。

c）為進一步檢測橋臺軟基施工和運營施工中的沉降變形情況，選取測點布設沉降板，對施工期和施工后的沉降情況進行監測，得出其最大沉降量為98 mm，滿足規范要求。