CFG樁在橋頭段的設(shè)計(jì)應(yīng)用

程生平

〔中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000〕

0 引言

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁（Cement Flying-ash Gravel pile）的簡(jiǎn)稱。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和后形成的高粘結(jié)強(qiáng)度的樁，與樁間土、褥墊層一起形成的復(fù)合地基。由于CFG樁復(fù)合地基可以通過調(diào)整樁長(zhǎng)、樁距、褥墊層厚度以及狀體材料的配合比達(dá)到地基加固所需要的強(qiáng)度，并且具有承載力高，變形小、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)適中等特點(diǎn)，同時(shí)CFG樁既能最大限度地發(fā)揮樁體本身的支撐能力又可發(fā)揮天然地基承載力的作用，加大樁間距，有效降低工程造價(jià)。根據(jù)最近幾年的使用情況，CFG樁的成功應(yīng)用實(shí)例越來越多，尤其適合應(yīng)用在高含水量、高壓縮性、高靈敏度、滲透性小、抗剪強(qiáng)度低的深厚軟弱地基，以及對(duì)沉降控制要求較高、工期受限的特殊路段。

本文以工程實(shí)例介紹CFG樁在深層軟弱地基處理中橋頭段的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 工程概況

某工程是廣東某城市規(guī)劃路網(wǎng)中縱向主干路中的一條，呈南北向布置，是連接城市繞城路的出入境道路。

規(guī)劃道路等級(jí)為城市主干道（I級(jí)）、設(shè)計(jì)車速60km/h、紅線寬度45m、雙向6車道。

道路場(chǎng)地位處珠江三角洲沖積平原，屬河口三角洲堆積地貌。場(chǎng)地巖土層按地質(zhì)成因分為第四系填土、沖積土及白堊系基巖，地層自上而下為填土層、淤泥層、淤泥質(zhì)粉砂層、粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂層、中砂層及基巖。道路全線均為軟弱地基，軟弱層的厚度介于25～35m。地層總體為高含水量、高壓縮性、高靈敏度、大深度且軟弱層呈夾層分布。

道路沿線場(chǎng)地為魚塘、河涌及農(nóng)田。

地下水位穩(wěn)定水位埋藏深度為1.60～2.50m，地下水位線較平緩，地下水位受地表補(bǔ)給及潮水位影響較大；地下水類型為孔隙潛水，主要賦存于沖積砂層中，補(bǔ)給、排泄以水平向滲流為主，具微承壓性，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性。橋頭處鉆孔揭露地層情況及物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

2 地基處理方案比選

對(duì)于一般路段軟弱地基在進(jìn)行地基處理時(shí)綜合考慮地基處理可靠性、工程造價(jià)、施工條件及工期（2a）等多個(gè)因素，確定采用排水固結(jié)法：塑料排水板＋砂墊層＋超載預(yù)壓。對(duì)于橋頭段，受工后沉降要求和工期的限制，排水固結(jié)法無法滿足規(guī)范要求，需采用復(fù)合地基法進(jìn)行處理。

根據(jù)地層物理力學(xué)指標(biāo)，天然地基承載力為70k Pa，橋頭處軟弱層總厚度達(dá)32 m，橋臺(tái)臺(tái)后填土4.0m左右，地基承載力和工后沉降均不滿足規(guī)范要求，必須進(jìn)行地基處理。結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，可選用的處理方案有：預(yù)制管樁、水泥攪拌樁、CFG樁。

（1）預(yù)制管樁：采用預(yù)制管樁處理深層軟弱地基是可靠、有效的措施，處理深度可達(dá)35m左右。通過靜壓將預(yù)制管樁打穿軟弱層，在樁頂設(shè)置托板、鋼塑格柵和褥墊層，形成復(fù)合地基，具有承載力高、變形小、施工速度快、工期短等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)較高是工程應(yīng)用中使用較少的主要原因。針對(duì)于本工程橋頭處理是一種可靠有效的處理措施，但也是擬選措施種造價(jià)最高的一種。

（2）水泥攪拌樁：以水泥漿液或水泥粉通過深層攪拌樁機(jī)攪拌后改良、加固土體的有效措施，實(shí)際應(yīng)用較廣，在當(dāng)?shù)鼐哂谐墒斓氖┕そ?jīng)驗(yàn)、眾多的成功實(shí)例。根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際施工情況和類似工程的檢測(cè)結(jié)果，樁長(zhǎng)在1 5m以內(nèi)時(shí)質(zhì)量較好，大于15m的樁體成樁性較差；對(duì)于地層中有機(jī)質(zhì)含量較高（大于5%）或有貝殼夾層的地層成樁性較差。對(duì)于橋頭段采用該處理措施，擬定樁長(zhǎng)為15m，經(jīng)計(jì)算后工后沉降大于10cm，不滿足要求。

（3）CFG樁：即水泥粉煤灰碎石樁，樁體強(qiáng)度一般按C10混凝土做配合比，具有承載力高、變形小、施工速度快、造價(jià)適中的優(yōu)點(diǎn)，樁土應(yīng)力比較預(yù)制管樁樁土應(yīng)力比小，對(duì)褥墊層的要求相對(duì)較低。復(fù)合地基承載力可以提高到天然地基承載力的2～3倍。結(jié)合類似工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，擬定樁徑0.4m、樁距1.6m、樁長(zhǎng)20m、樁頂設(shè)置50cm褥墊層，經(jīng)計(jì)算后可以滿足要求。

不同處理措施造價(jià)對(duì)比見表2。

表2 不同處理措施造價(jià)對(duì)比表

綜合以上論述，結(jié)合施工條件、工期、造價(jià)等多方面因素比較，選定橋頭段路基處理措施為CFG樁；結(jié)合施工具體情況，CFG樁施工時(shí)會(huì)引起超靜空隙水壓力、樁體的置換、擠密作用使地面隆起，為加速排水增設(shè)塑料排水板作為豎向排水通道；故確定橋頭段處理措施為：CFG樁＋塑料排水板（排水通道）＋砂墊層。

3 CFG樁設(shè)計(jì)

3.1 CFG樁加固機(jī)理

CFG樁即水泥粉煤灰碎石樁，它是由水泥、粉煤灰、碎石或石屑加水拌和后形成的高粘結(jié)強(qiáng)度的樁體，與樁間土、褥墊層形成復(fù)合地基，樁體復(fù)合地基通過褥墊層與基礎(chǔ)連接，樁間土與樁體共同參與工作；由于樁體強(qiáng)度和模量比樁間土大，在荷載作用下樁體應(yīng)力比樁間土應(yīng)力大，通過樁體將荷載向深層傳遞，減少樁間土承擔(dān)的荷載，使復(fù)合地基承載力提高，變形減小。

通過在樁頂設(shè)置褥墊層，樁體與樁間土形成復(fù)合地基，荷載通過褥墊層傳遞到樁體和地基土體，使樁體和土體共同承擔(dān)荷載。

3.2 CFG樁設(shè)計(jì)

（1）樁徑：根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)?shù)氐氖┕ぴO(shè)備，施工套管的直徑多為377mm，故取樁徑d＝0.4m。

（2）樁長(zhǎng)：依據(jù)地質(zhì)鉆孔，若打穿淤泥層則樁體長(zhǎng)度約33m，依CFG樁理論長(zhǎng)度完全可以滿足；結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕そ?jīng)驗(yàn)和設(shè)備，參照檢測(cè)結(jié)果，CFG樁的有效長(zhǎng)度為22m左右，故樁體將為“浮樁”，通過計(jì)算樁體以下的下臥層變形、總沉降量和工后沉降，在滿足規(guī)范要求的情況下確定樁長(zhǎng)L＝20m，按“浮樁”進(jìn)行下臥層驗(yàn)算。

（3）樁距：CFG樁間距 S一般為 3～6d，綜合考慮承載力要求、地質(zhì)情況、地下水等多方面的因素，擬定樁間距S＝1.6m。

（4）樁體布置形式：常規(guī)的樁體布置方式有正三角形和正方形，大樁間距常用正三角形布置，小樁間距采用正方形布置，考慮到施工定位的因素，確定采用正方形布置。

故等效影響圓直徑de＝1.13S，由此計(jì)算確定置換率m＝d2/de2=0.049。

（5）單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rk（k N）計(jì)算：

a.按樁周側(cè)摩阻力計(jì)算：

Rk=(Up∑qsikhi+qpkAp)/K （1）式中：Up——樁周長(zhǎng)；

qsik——第i層土層極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；hi——第i層土層厚度；

qpk——極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap——樁斷面面積；

K——安全系數(shù)，取2.0。按式（1）計(jì)算結(jié)果 Rk＝3 1 5.8 6k N。

b.按樁身強(qiáng)度計(jì)算

Rk=ηδAp（2）

由標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d齡期下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度10M Pa，強(qiáng)度折減系數(shù)取η=0.3，單樁截面積 Ap=0.1256m2，計(jì)算結(jié)果 Rk＝376.9 9k N。

有上述二式計(jì)算CFG單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為Rk＝315.86k N。

（6）CFG樁復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算：fsp,k=m Rk/Ap+αβ(1-m)fsk（3）

式中：fsp,k——復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

m——面積置換率；

Rk——單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

Ap——樁斷面面積；

α——樁間土強(qiáng)度提高系數(shù)，取1.0；

β——樁間土強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)，取0.9；

fsk——加固后樁間土承載力標(biāo)準(zhǔn)值。按式（3）計(jì)算CFG復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為fsk＝183.08k P a。

3.3 沉降計(jì)算

由于本次設(shè)計(jì)的CFG樁樁長(zhǎng)按“有效樁長(zhǎng)”20m確定，未打穿淤泥層而形成“浮樁”，工后沉降是否滿足規(guī)范要求是本次設(shè)計(jì)的主要控制指標(biāo)；采用理正軟件進(jìn)行沉降計(jì)算，總沉降量S＝0.5 3 3m，施工期沉降0.474m，工后殘余沉降0.059m，滿足規(guī)范要求值（臺(tái)后路堤工后沉降不大于0.1m）。

4 CFG樁的施工及質(zhì)量控制

4.1 施工順序

橋頭段處理措施為：CFG樁＋塑料排水板（排水通道）＋砂墊層，施工工序?yàn)椋赫焦ぷ髅妫佋O(shè)下層砂墊層－施工塑料排水板－施工CFG樁（打樁順序?yàn)殚g隔跳打）－鋪設(shè)上層砂墊層－復(fù)合地基檢測(cè)－路基施工。

4.2 材料質(zhì)量要求

（1）塑料排水板：B型(帶鋼絲可測(cè)長(zhǎng)度)，性能指標(biāo)見表3。

表3 B型塑料排水板性能指標(biāo)表

（2）砂墊層：潔凈中粗砂，含泥量不大于5%。

（3）CFG樁(水泥：碎石：砂：粉煤灰 =1∶6.4∶3.3∶0.9)：

水泥：P.O42.5硅酸鹽水泥；碎石：粒徑不大于4c m，壓碎值不大于3 0%；粉煤灰：燒矢量不大于2 0%，比表面積不小于2500m2/g。

4.3 質(zhì)量檢測(cè)

塑料排水板檢測(cè)見表4。

表4 塑料排水板施工檢查項(xiàng)目及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

CFG樁體檢測(cè)見表5。

表5 CFG樁施工檢查項(xiàng)目及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)語

（1）CFG樁比較適合于加固深層軟弱地基，可以有效的提高地基承載力、減少地基變形、工后沉降小，且工程造價(jià)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（2）對(duì)深層軟弱地基類似于橋頭段填土高、工后沉降要求高、工期受限的路段采用CFG樁進(jìn)行地基處理是一種可行、有效、經(jīng)濟(jì)的措施。