CFG樁加固某軟土路基的病害分析

黎愛清

(中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司,河北唐山 064000 )

CFG樁加固軟基具有施工方法簡單、施工周期短、成本低、適用范圍廣、處理地基后承載力高、易于保護(hù)施工環(huán)境等眾多優(yōu)點(diǎn),已在軟基處理中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于在極軟弱地基中存抗橫向力弱、施工工藝要求高、影響成樁質(zhì)量的因素多、檢測手段的局限性等眾多不利因素,使得CFG樁在極軟弱地基的軟土路堤中使用一直處在爭議之中。

1 影響CFG樁成樁質(zhì)量的因素

1.1 地質(zhì)地層的影響

軟土含水量過大呈流塑狀時易造成CFG樁縮頸影響成樁質(zhì)量；持力層巖面坡率過大易使樁尖滑移造成單樁失穩(wěn)。

1.2 施工過程的影響

根據(jù)施工管理的經(jīng)驗(yàn),主要影響因素如下。

(1) CFG樁混合料施工質(zhì)量,尤其要注意混合料的坍落度要符合設(shè)計要求,坍落度過大易使樁頂浮漿過多,影響樁身質(zhì)量。

(2) CFG樁沒達(dá)到設(shè)計預(yù)定的持力層,導(dǎo)致不均勻沉降而使局部樁受力過大破損。在施工過程中,由于地質(zhì)情況復(fù)雜,施工操作人員對地質(zhì)情況的認(rèn)知水平低,難于準(zhǔn)確判斷,采用抬架和電流等方法控制不好,常導(dǎo)致樁沒有進(jìn)入設(shè)計預(yù)定的持力層。

(3)施工縮頸現(xiàn)象。成孔完畢,投放混合料的過程也是難于控制,振動沉管CFG樁是邊提管、邊投料,投放的混合料是否均質(zhì)、密實(shí)不好掌握,且在投料過程中配合提管,提管速度要求在各種土質(zhì)中的速度不一樣,但在施工中機(jī)械操作手不可能對每個孔的各種地層的長度記清楚,容易產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象。

(4)成樁破損。由于CFG樁鉆機(jī)較重,在施工移機(jī)中混凝土沒有達(dá)到一定強(qiáng)度,易使樁折斷。

1.3 CFG樁抗橫向力弱

CFG樁為素混凝土,樁徑又小,很難承受橫向力作用。沉管法CFG樁因樁間距、成樁順序不當(dāng)而產(chǎn)生擠土效應(yīng),導(dǎo)致樁破損。

2 CFG樁檢測方法缺陷

CFG樁常見的檢測方法有小應(yīng)變無損檢測、單樁承載力試驗(yàn)、取芯試驗(yàn)。在這3種檢測方法中只有小應(yīng)變無破損檢測是對樁進(jìn)行100%測定,后2種方法由于施作不方便,只是抽樣檢驗(yàn),特別是取芯試驗(yàn)只是一種驗(yàn)證試驗(yàn),不能作為真正意義上的檢測手段。但目前小應(yīng)變無損檢測尚不能檢測樁有多個缺陷的情況,能反映樁身質(zhì)量僅靠有局限性的小應(yīng)變無破損檢測,所以成樁之后的質(zhì)量得不到完整驗(yàn)證與評價。

3 CFG樁的破壞特征

軟土路堤地基破壞都是按圓弧曲線考慮的,CFG樁的加固是提高了地基的豎向承載能力,但在極軟弱地基中,其抗橫向力弱,由于不確定因素的影響一旦軟基滑移,CFG樁抗橫向力弱的缺點(diǎn)就暴露出來,就會由于地基的變形加劇使CFG樁折斷。

4 案例分析

在國內(nèi)某條鐵路客運(yùn)專線上采用了CFG樁加固軟基,當(dāng)路基填到一定高度時出現(xiàn)了大面積的滑移,詳細(xì)情況介紹如下。

4.1 工點(diǎn)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

本工點(diǎn)地處瑞安市境內(nèi),屬海積平原地貌,地形較平坦,均為水田、河網(wǎng)密布,交通發(fā)達(dá),地面高程在3.60～9.77 m。

表層為素填土,灰黃、褐黃色,厚約1.0～1.4 m；下為Qm4黏土、粉質(zhì)黏土,軟塑,灰黃色,厚0～1.0 m；其下為統(tǒng)淤泥,深灰色,流塑,含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)及少量貝殼碎屑,局部夾少量砂及卵石,厚0.5～11.3 m,土質(zhì)松軟飽水,具有高壓縮性和高觸變性、低承載力特點(diǎn)；其下為第四系上更新統(tǒng)沖洪積土層狀黏土,粉質(zhì)黏土,(局部粉土)；褐黃色、灰褐色,軟～硬塑,厚0～9.3 m；再下為粗角礫土,灰褐色、灰黃色,稍密～中密,厚0～5.6 m；下伏侏羅系上統(tǒng)磨石山組凝灰?guī)r,全風(fēng)化至弱風(fēng)化。

區(qū)域地下水主要為第四系松散巖類孔隙水,含水層為沖洪積、坡洪積砂、礫石、卵石層，具承壓性質(zhì)。地下水的補(bǔ)給來源主要靠大氣降水滲透補(bǔ)給,排泄以大氣蒸發(fā)為主。

根據(jù)工點(diǎn)環(huán)境及水質(zhì)情況,結(jié)合《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》,本工點(diǎn)在陸地環(huán)境下,作用等級為D2,地下水對混凝土有中等侵蝕性。

4.2 施工設(shè)計情況

設(shè)計范圍:DK18+591.34～DK18+929.19,長337.85 m,小里程接水渠大橋,大里程接中橋,路堤填高9.56～9.81 m。

軟土路堤工后沉降控制值：正線為ΔS≤15 cm,沉降速率<4 cm/年；橋路過渡段ΔS≤8 cm；最小穩(wěn)定安全系數(shù)：考慮列車荷載為1.25。

填料：r=19.0 kN/m3,C=10 kPa,φ=35°；

〈2〉淤泥：r=15.0 kN/m3，Cu=10.04 kPa,φu=1.96°,φcu=6.8°,Ccu=9.71 kPa；

〈3〉-1卵石土:樁周土極限側(cè)阻力f=90 kPa；

〈3〉-2黏土：r=18.5 kN/m3，Cu=38.0 kPa,φu=15.1°,樁周土極限側(cè)阻力f=40 kPa；

〈3〉-3粉質(zhì)黏土:r=18.7 kN/m3，Cu=50 kPa,φu=19.1°,樁周土極限側(cè)阻力f=55 kPa,樁尖土極限端阻力R=2 200 kPa；

〈3〉-4礫砂：樁周土極限側(cè)阻力f=70 kPa,樁尖土極限端阻力R=3 500 kPa；

〈4〉-2碎石土：動探標(biāo)準(zhǔn)值5～6擊/10 cm,樁周土極限側(cè)阻力f=90 kPa,樁尖土極限端阻力R=4 000 kPa；

〈5〉-2凝灰?guī)r,強(qiáng)風(fēng)化:樁尖土極限端阻力R=10 000 kPa。

地基采用CFG樁加固,樁直徑0.5 m,間距1.6 m,呈正方形布置,樁長6.0～22.0 m。樁底嵌入硬底深度：碎石土、角礫土不宜小于2.0 m；凝灰?guī)r,強(qiáng)風(fēng)化不宜小于0.2 m。CFG樁施工完成后于樁頂鋪設(shè)0.6 m厚碎石墊層,墊層內(nèi)鋪設(shè)1層土工格室。其中DK18+673.82～DK18+755右側(cè)設(shè)反壓護(hù)道,寬7.0 m,高3.0 m。

當(dāng)路堤填筑高度達(dá)到4.85 m時,一段長50 m的路基在左線中心附近產(chǎn)生弧狀裂縫寬15 mm,發(fā)生失穩(wěn)坍滑。坍滑形式自左線中心附近開始,右半幅路堤扇形滑移坍塌,在路基填筑范圍內(nèi)形成兩級下沉,路堤右側(cè)坡腳施工便道隆起0.74 m。從左向右依次,第1級下沉量為0.8 m,第2級與第1級下沉量為1.64 m,路基坡腳與第2級高差為2.37 m；臺階處形成多條環(huán)狀垂直裂縫,裂縫最大寬度約0.2 m。

圖1 DK18+752斷面荷載-時間-沉降曲線

從圖1中可以看到該段路基在4月13日至以后的放置期間,沉降量過大,并出現(xiàn)陡降現(xiàn)象。

(1)缷載檢查

滑移發(fā)生后對DK18+790.4斷面進(jìn)行開挖檢查。DK18+790.4的樁頂斷面見圖2及圖3。

圖2 DK18+790.4樁頂實(shí)測斷面(單位：m)

圖3 樁位驗(yàn)證布置(單位：m)

①挖斷面成臺階形,共形成2個臺階。從左側(cè)起第1個陡坎位于線路中心處,陡坎高1.4 m,陡坎坎壁垂直,陡坎上下2排樁的間距為2.1 m；第1級陡坎右側(cè)9.0 m處為第2個陡坎,陡坎高1.9 m,陡坎坎壁垂直,陡坎上下2排樁的間距為4.47 m；土工格室在陡坎處斷裂。

②第1級臺階為平面,平臺頂面寬9.0 m,共有5排CFG樁,下沉1.4 m,樁體基本沒有傾斜,樁頭外觀尚好。

③第2級臺階為斜面,斜面水平寬度為13.75 m,斜面坡度約14°,CFG樁向線路外側(cè)傾斜,樁身傾斜約18°。

(2)CFG樁小應(yīng)變檢測

滑移發(fā)生后對路基塌陷地段DK18+790.4處CFG樁采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行了樁基完整性檢測。DK18+790.4斷面2排樁共有54根,共檢測CFG樁50根。其中6根樁在淺部開裂為Ⅲ類樁,未發(fā)生變形沉降和位移平臺3根,第1個下沉1.4 m的平臺3根,第2個傾斜坡面臺階沒有；有6根樁在淺部存在缺陷為Ⅱ類樁,未發(fā)生變形沉降和位移平臺3根,第1個下沉1.4 m的平臺1根,第2個傾斜坡面臺階2根；其余38根樁未發(fā)現(xiàn)樁身缺陷,樁身完整為Ⅰ類樁。

(3)CFG樁挖樁檢測

在DK18+790.4斷面上開挖出2排CFG樁,挖出坑深約2.3 m。上部樁身為直立,長度為0.6 m,第2節(jié)樁身長度1.5 m,樁身斜。第3節(jié)樁身1.45 m,樁身直立。其中第1節(jié)和第2節(jié)連接處折斷,第2節(jié)和第3節(jié)之間有鋼筋相連,但整個樁身錯開。

4.3 塌陷原因分析

(1)施工便道離路堤坡腳較近,施工運(yùn)輸土石方的重載汽車經(jīng)過,來回振動,對初凝階段CFG樁造成部分?jǐn)鄻?影響地基穩(wěn)定。

(2)對DK18+790.4斷面共進(jìn)行了50根樁低應(yīng)變檢測和4根取芯及6根挖探檢查,通過對比發(fā)現(xiàn),低應(yīng)變檢測確定的Ⅰ～Ⅱ類樁而鉆探取芯檢查時存在嚴(yán)重缺陷；低應(yīng)變檢測確定的樁長與鉆探取芯樁長嚴(yán)重不符,目前小應(yīng)變無損檢測尚不能檢測樁有多個缺陷的情況。因此,CFG樁樁身質(zhì)量及完整性尚缺乏有效檢測方法,低應(yīng)變檢測不能完全反映樁身質(zhì)量,使得對有缺陷的樁未能及時發(fā)現(xiàn),施工工藝沒有得到及時調(diào)整。

(3)CFG樁大面積施工經(jīng)驗(yàn)不足,造成部分CFG樁單樁承載力不足,部分樁沒有達(dá)到設(shè)計持力層,沉降不均勻使局部樁受力過大而破損；移機(jī)過程沒有考慮到混凝土齡期強(qiáng)度,使部分樁過早受力而破損。

5 結(jié) 論

軟土地基的加固處理方法很多,應(yīng)根據(jù)其適用條件和地區(qū)使用經(jīng)驗(yàn),選擇技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。CFG樁在極軟弱地基軟土路堤中由于存在橫向受力弱點(diǎn)和施工中難于控制等眾多的影響因素,在實(shí)際施作時要嚴(yán)格按施工操作規(guī)程施工,在條件不成熟時此法要慎重使用。

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