高速公路海相超軟土CFG樁復合地基加固技術(shù)試驗研究

摘要 高速公路軟土土質(zhì)層路段項目施工難度大，技術(shù)不達標直接影響公路的質(zhì)量系數(shù)，項目施工中需要對軟土或超軟土層進行土層地基加固。文章以CFG樁復合地基作為項目施工技術(shù)重點，對CFG樁復合地基的相關(guān)施工技術(shù)特點進行分析，以某海相超軟土高速公路項目建設(shè)工程作為實例展開研究，采用公式計算和實驗測試的方法，確定CFG樁加固軟土時最有利的施工參數(shù)和施工技術(shù)。改進的CFG樁復合地基，能夠?qū)崿F(xiàn)超軟質(zhì)土層的高速運輸。

關(guān)鍵詞 超軟土;CFG樁;加固;試驗

中圖分類號 TQ261.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0120-03

引言

科技振興提高了城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的技術(shù)水平，也對高速公路交通運輸工程施工有了更高的要求。某高速公路建設(shè)項目施工的地質(zhì)環(huán)境為海相超軟土土質(zhì)，由于土質(zhì)過差，使得高速公路建設(shè)的質(zhì)量欠佳。這些軟土區(qū)域路段的高速公路很容易受到交通荷載的影響，產(chǎn)生嚴重的地基變形現(xiàn)象[1]。為了在公路建設(shè)施工過程中改變該超軟土土質(zhì)區(qū)域的承載壓力，就必須采用有效的技術(shù)對軟土地基實施科學合理的施工處理[2]。

擬采用CFG樁加固技術(shù)，對該區(qū)段的軟土土質(zhì)實施加固處理，并利用復合地基的方式，降低高速公路承載使用期的沉降量。為了更好地提高CFG樁加固技術(shù)的應(yīng)用效果，通過公式計算與實驗測試雙重方法，保障計算得到的CFG樁加固參數(shù)值合理有效。改進后的CFG樁加固技術(shù)應(yīng)用方案，更適合海相超軟土高速公路建設(shè)需求，并達到緩解超軟土地基不均勻沉降問題的目的，具有一定的實踐應(yīng)用價值。

1 CFG樁復合地基相關(guān)概念簡述

1.1 CFG樁復合地基概念

CFG樁復合地基高速公路應(yīng)用與處理技術(shù)，在我國城鎮(zhèn)的高速公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛[3]。該技術(shù)主要適用于處理黏土（淤泥質(zhì)類型）、軟土（如：海相軟土、超軟土等）及密實性土層（圖層主體的承載力≥200 kPa）。其中，CFG樁是對水泥粉煤灰碎石樁的一個專業(yè)化的施工工程技術(shù)簡稱，該技術(shù)主要采用的原材料有：1）水泥原材料;2）粉煤灰原材料;3）工地實用碎石;4）中小顆粒的石屑或砂。其對應(yīng)的加工技術(shù)為：把四種原材料進行不同比例的混合，然后加入固定比例的水，通過拌合的方式，形成具有極高物理粘結(jié)強度的混凝土樁，并通過多個混凝土樁與樁之間的樁間土融合在一起，并加入褥墊層，進而形成的牢固性較高的軟土地基復合型高承載地基。

1.2 CFG樁復合地基的特點

CFG樁技術(shù)應(yīng)用于高速公路的地基建設(shè)中，具有強度高、質(zhì)量好、原材料價格低、承載年限長，且經(jīng)濟效益明顯等特點。CFG樁技術(shù)最大的優(yōu)勢是，能夠利用混凝土樁身的承載力，以及樁與樁之間的樁土因為摩擦而生成的摩擦力，把高速公路路面上的交通工具運輸荷載，以傳遞的方式傳遞到深層的軟土地基，從而有效改善原來土質(zhì)層軟土地基的土質(zhì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，改變地基的最高承載壓力。

2 某高速公路施工工程項目分析

2.1 某高速公路工程概況

我國某交通樞紐區(qū)域的高速公路部分區(qū)域，由于沿線的土質(zhì)層屬于軟土和超軟土土質(zhì)層，且地質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)海相土質(zhì)層的特點。經(jīng)過土質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的軟土層最大深度達到21 m，軟土厚度大且呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)。經(jīng)過力學測試證明，該區(qū)域的承載壓力能力較差。該段高速公路的地基巖土主要表現(xiàn)為粘土層，在深度、塑形、指數(shù)和重度、空隙方面，數(shù)值如表1所示。

2.2 某高速公路工程設(shè)計要求

針對該段高速公路土質(zhì)不佳的特點，在公路項目的施工中，土建項目工程的地基處理設(shè)計要求，根據(jù)國家標準化文件提供的參數(shù)，并經(jīng)過綜合考察與研究，最終設(shè)定為：1）處理后該段高速公路復合地基軟土層承載力特征值≥410 kPa;2）該段高速公路復合地基經(jīng)過沉降之后，長期最終沉降量<60 mm。

2.3 某高速公路工程施工的設(shè)計參數(shù)及設(shè)計計算

針對某高速公路的軟土和超軟土土質(zhì)層個體化特點，考慮到該區(qū)域的地基及土質(zhì)層為粘土+海相+超軟土結(jié)構(gòu)，在進行地基施工時，出于安全性和實用性角度考慮，采用CFG樁復合地基來完成該段軟土區(qū)域地基層的土建施工。其中，部分區(qū)域的設(shè)計參數(shù)和計算方法，如下所示：

樁徑Ф450 mm，通過數(shù)學計算的方式，計算樁周長：

Up=πd=3.14×0.45=1.413 m

考慮到CFG樁復合地基特點，通過數(shù)學計算的方式，計算出樁截面積：

Ap=1/4×πd2=1/4×3.14×0.452=0.158 9 m2

其中，有效CFG樁樁長為24.00 m，CFG樁保護樁長不小于0.50 m，以5層細砂為樁端持力層，樁端進入持力層層頂8.70 m。

2.4 某高速公路工程施工的承載力計算

2.4.1 單樁承載力計算

單樁豎向極限承載力標準值：

Rua==2 001.80 kN

單樁豎向承載力特征值安全系數(shù)k取2.0，即：k=2.0。

Ra=Rua/k=1 000.90 kN

2.4.2 復合地基承載力計算

取樁間距1.60 m×1.70 m，則面積置換率：

m===0.058，β=0.9，基礎(chǔ)持力層fsk =100 kPa，將相應(yīng)參數(shù)代入下式得fspk的值，其對應(yīng)計算公式為：

fspk

經(jīng)過計算，可以獲知，fspk的值為415.91 kPa，該數(shù)據(jù)值>410 kPa，滿足設(shè)計要求。

2.4.3 樁體強度

樁體混合料試塊（邊長150 mm立方體）標準養(yǎng)護28 d抗壓強度平均值：

=4×415.91/0.158 9≈23.0 MPa

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，同時考慮工程重要性等級、荷載、地層、樁長及養(yǎng)護條件等影響因素，取樁體強度為C25，施工時以試驗室提供的配合比為準。

2.5 褥墊層鋪設(shè)

基礎(chǔ)底板下鋪設(shè)壓實后厚度為200 mm的褥墊層，褥墊層材料選用10～20 mm碎石，用平板振動器振壓不少于4遍。

2.6 地基變形計算

根據(jù)勘察報告中的地層資料及已有資料，采用CFG樁復合地基方案時，地基沉降按下式計算：

式中：S——地基最終沉降量，單位為mm;

——基礎(chǔ)底面計算點至第i層土、第i?1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù);

——按分層總和法計算出的地基沉降量;

——基礎(chǔ)底面至第i層土、第i?1層土底面的距離，單位為m;

——沉降計算經(jīng)驗系數(shù);

n——地基沉降計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);

P0——對應(yīng)于荷載標準值時的基礎(chǔ)底面處的附加壓力，單位為kPa;

Esi——基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，加固區(qū)按復合模量計算。

3 項目工程施工相關(guān)實驗研究

3.1 項目工程施工參數(shù)確定

公路的品質(zhì)和路基質(zhì)量直接相關(guān)，要提高路基的強度，提升高速公路的承載能力和穩(wěn)定性，當高速公路的施工線路處于不良地質(zhì)區(qū)域時，就需要使用CFG技術(shù)來改善地基承載力，提高地基密度，減少地基基底的含水率。該實驗在實驗過程中采用了兩種測試方式，分別是實驗室室內(nèi)測試方式和現(xiàn)場試驗測試方式，其主要的實驗?zāi)康陌ㄒ韵聝牲c：

（1）在實驗室內(nèi)進行施工路段土質(zhì)干密度測試試驗后，再到施工現(xiàn)場進行二次干密度試驗，確定二者之間的內(nèi)在關(guān)系，并獲取項目的干密度指標，確定現(xiàn)場施工的樁基基礎(chǔ)碾壓次數(shù)。

（2）在實驗室內(nèi)利用智能化設(shè)備，研究該路段土質(zhì)層處于不同含水率時，干密度和含水率之間的潛在性內(nèi)聯(lián)關(guān)系。

3.2 實驗室的相關(guān)實驗操作

3.2.1 實驗相關(guān)內(nèi)容和步驟

針對高速公路海相超軟土CFG樁復合地基的加固技術(shù)，在實驗室室內(nèi)的實驗現(xiàn)場，為了有效排除實驗儀器潛在的一定偶然性特點，對實驗儀器需要展開合理地科學性評價。利用壓路機發(fā)揮實驗設(shè)備的效率，能夠在保證室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)真實度的基礎(chǔ)上，提高實驗軟土基層的壓實度。

在實驗室中，分別實施6次碾壓，并結(jié)合現(xiàn)場實驗室采集的數(shù)據(jù)，獲得CFG樁的承載壓力和限載壓力，同時也能夠獲取CFG樁身的側(cè)邊摩擦阻力。在前兩次的碾壓操作中，CFG樁的兩側(cè)摩擦阻力不同，兩邊呈現(xiàn)不同的承載壓力值，通過多次的碾壓操作（該次實驗為6次），實驗室兩側(cè)摩擦阻力基本相近。在施工現(xiàn)場的實驗步驟與實驗室的實驗步驟基本相同[4]。

3.2.2 實驗獲取相關(guān)實驗結(jié)果分析

通過實驗室的實驗和施工現(xiàn)場的實驗，把兩個實驗對應(yīng)的測試數(shù)字放在一起，并對實驗結(jié)果進行有效分析。該實驗的實驗結(jié)果主要包括以下內(nèi)容：

（1）在高速公路的海相軟土地基中，CFG樁在施工過程中產(chǎn)生的孔隙水壓力存在增長較快的特點，孔壓的增長峰值為105 kPa。同時，從實驗過程中可以看出，距離CFG樁越近的時候，孔隙的水壓越大，CFG樁海相軟土地基的影響就越顯著。

（2）CFG樁在處理海相超軟土地基時，可以采用振動沉管法對該段地基實施合理有效的處理。與此同時，CFG樁在成樁的過程中，將會對樁周圍的軟土和超軟土造成不同程度的影響，且當沉管法沉管時，CFG樁對地基土會產(chǎn)生較為明顯的擠土現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，導致CFG樁樁周的孔隙水壓力出現(xiàn)不同程度的增強現(xiàn)象，直接促使CFG樁周的土質(zhì)土表強度在短時間內(nèi)呈現(xiàn)下降現(xiàn)象。另外，采用振動法時，當拔管時也會對CFG樁周圍的土層產(chǎn)生一定的潛在性影響，并導致CFG樁周土層的孔隙水壓獲得了一定的壓力值增長。

（3）CFG樁施工完成后，在施工后的最初一段時間內(nèi)，孔隙水壓呈現(xiàn)消散較快的趨勢，在一小時以內(nèi)，土層的大部分孔隙水壓都得到了一定的改善與消散。但是，當時間超過一小時后，水壓的消散速度會變慢，且呈現(xiàn)越來越慢的趨勢，此時由于CFG樁周圍的土層在短時間內(nèi)難以實現(xiàn)高效率的固結(jié)，則極有可能帶來CFG樁內(nèi)強度的恢復效果不良。因此，需要加強對孔隙水壓的控制。

（4）在該高速公路施工項目的海相軟土地基CFG樁施工中，同一深度的軟土層，施工后CFG樁的樁周土在參數(shù)錐尖阻力的實驗中發(fā)現(xiàn)，施工前的土層錐尖阻力隨CFG樁與其距離的加大而增加，并漸漸趨向于1.0的錐尖阻力。其中，CFG樁的樁周土層為天然沉積的海相軟土和超軟土層。

4 CFG樁海相超軟土地基加固技術(shù)的施工質(zhì)量控制

從樁基施工的開始階段，需要針對性地對CFG樁樁基工程進行必要的項目施工質(zhì)量檢測，保證CFG樁基的正常使用，并在高速公路的高承載荷載下，確保工程的使用年限和施工質(zhì)量。當CFG樁的類型不同或是CFG樁的施工方法不同時，檢測的內(nèi)容和側(cè)重點也不相同，此時需要檢測的數(shù)據(jù)內(nèi)容基本相同，分別為：1）CFG樁的幾何受力相關(guān)條件檢驗;2）CFG樁身質(zhì)量的測試與檢驗;3）CFG樁身承載力與其對應(yīng)的強度檢驗。其中，CFG樁的抗壓強度檢驗采用鉆取混凝土芯樣的方式來進行。海相超軟土地質(zhì)條件復雜，需要對CFG樁進行復合地基承載力檢測。針對以上三點，控制海相超軟土的土質(zhì)層區(qū)域的CFG樁工程施工質(zhì)量，能夠確保高速公路工程項目的安全性和可靠性，也能確保整個工程項目的質(zhì)量。

5 結(jié)論

實驗研究證明，CFG樁復合地基荷載應(yīng)力與運輸車輛的荷載應(yīng)力呈現(xiàn)正比變化規(guī)律。在某海相超軟土路基填筑施工過程中，針對CFG樁復合地基的特點，計算CFG樁復合地基相關(guān)參數(shù)數(shù)值，用以處理海相超軟土土質(zhì)的地基不穩(wěn)問題效果明顯。同時，從施工質(zhì)量控制角度出發(fā)，解決軟土和超軟土層高速公路建造的技術(shù)問題，能夠提升該海相超軟土路段的高速公路施工建設(shè)質(zhì)量，提高高速公路的運輸安全性。改進后的CFG樁海相超軟土地基實施加固技術(shù)，為深厚軟基土層高速公路施工帶來更好的工程應(yīng)用體驗，在強化超軟土公路承載壓力的同時，滿足國家高速公路沉降的控制要求。

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收稿日期：2022-01-10

作者簡介：趙福（1985—），男，函授本科，工程師，研究方向：公路工程。