水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)在公路軟基處理中的應(yīng)用

■謝 彬 ■中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，山東 濟(jì)南 250002

在高速公路建設(shè)中，CFG樁處理加固軟土地基是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種地基處理技術(shù)，由水泥、碎石、粉煤灰摻水拌合，用普通振動(dòng)沉管機(jī)或長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)施工而成。成樁后由樁、樁間土、褥墊層共同組成復(fù)合地基承受路堤荷載。CFG樁復(fù)合地基能夠大幅提高原地基承載力，減小沉降變形，且可調(diào)整樁基間距來(lái)滿足不同地基承載力的要求，具有可調(diào)性大的優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況

江西某高速公路KXXX+130-KXXX+350段位于花崗巖地質(zhì)區(qū)，地貌為微丘崗阜，自然坡度10°-20°，植被發(fā)育一般，自然邊坡穩(wěn)定。本段路基原設(shè)計(jì)為清除表土后直接填筑路基，填方高度為7-13米。在路基填筑過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，當(dāng)填筑至約9米高時(shí)，路基右幅約27米(滑裂面至邊坡坡腳距離)范圍突然出現(xiàn)沉陷、滑移，垂直下沉最大處約2米，水平側(cè)滑最大處約4米。滑移發(fā)生后，立即對(duì)路基塌方段進(jìn)行了地質(zhì)勘察分析，以查明地層分布和地下水埋藏條件。

經(jīng)地質(zhì)勘查，原地表以下分布有軟土，厚度為0-7m，軟土為灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，處于飽和狀態(tài)。在路基填筑過(guò)程中，堆土荷載引起軟土中產(chǎn)生較高的超靜孔隙水壓力，使軟土摩擦強(qiáng)度降低，造成路基產(chǎn)生滑移。

2 地質(zhì)勘察情況

2．1 地質(zhì)剖面圖

圖1 滑裂段地質(zhì)剖面圖

2．2 各地層巖性特征

第①層:填筑土

填筑土:褐紅色，土質(zhì)稍密-中密，主要由粘土夾少量花崗巖中風(fēng)化碎塊組成，碎塊分部不均，碾壓后堆積時(shí)間不足一年。

第②層:淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土

灰黑色，流塑，成份以粘粒為主，土質(zhì)不均勻，含有少量腐殖質(zhì)，有臭味，干強(qiáng)度差，韌性好，無(wú)振搖反應(yīng)，手捻有較強(qiáng)砂感。

第③層:砂質(zhì)粘性土

褐黃色，可塑，成份以粘粒為主，土質(zhì)不均勻，約含20-30%粗砂，干強(qiáng)度一般，韌性差，無(wú)振搖反應(yīng)。

第④1層:花崗巖 全風(fēng)化

棕黃色夾灰褐色，全風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)已破壞但依稀可辨，鉆進(jìn)較快，巖芯呈土柱狀，局部呈散砂狀。

第④2層:花崗巖 強(qiáng)風(fēng)化

灰白色，灰褐色，強(qiáng)風(fēng)化，粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，機(jī)械破碎，巖芯呈土柱狀?yuàn)A塊狀，塊徑2-3cm，巖質(zhì)硬，錘擊不易碎。

第④3層:花崗巖 中風(fēng)化

灰白色，中風(fēng)化，粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，機(jī)械破碎，巖芯呈短柱狀?yuàn)A塊狀，節(jié)長(zhǎng)5-7cm，塊徑4-6cm，巖質(zhì)硬，錘擊不易碎。

2．3 各巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料和土工試驗(yàn)，該路段各主要巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)如下。

表2 -1各巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)

3 方案選擇

根據(jù)地勘資料揭露，地基軟土層較厚，采用換填法開(kāi)挖方量大，難以施工且工程造價(jià)過(guò)高，規(guī)范要求一般換填深度不宜超過(guò)3m，所以本次處理考慮采用復(fù)合地基，主要在砂石樁、深層水泥攪拌樁和水泥粉煤灰碎石樁之間進(jìn)行比選。本路段位于花崗巖地質(zhì)區(qū)，地表下約8米位置可見(jiàn)花崗巖風(fēng)化層，能提供較高的端阻力，從而縮短樁長(zhǎng)，減少費(fèi)用，而砂石樁雖有良好的擠密和排水效果，但無(wú)法發(fā)揮樁端阻力作用，在本次處理中難以達(dá)到地基承載力大幅提升的效果;深層水泥攪拌樁雖然能最大程度利用原土，具有費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)，但其強(qiáng)度受原土影響大，本滑坡段路基底淤泥層較厚，含水量大，呈流塑狀，為高壓縮性土，不適合采用水泥攪拌樁;水泥粉煤灰碎石樁能同時(shí)發(fā)揮樁的側(cè)阻和端阻作用，其樁身材料中加入工業(yè)廢料粉煤灰，降低了工程造價(jià);同時(shí)，本次處理必須解決厚層軟土側(cè)向沉降滑移問(wèn)題，砂石樁不具備抗剪能力，水泥攪拌樁抗滑移能力也較差，在類(lèi)似處理中已有失敗案例，而水泥粉煤灰碎石樁豎向和水平抗剪能力均較強(qiáng)，特別是外側(cè)樁基可通過(guò)配置鋼筋增加其水平抗力，相當(dāng)于抗滑樁，針對(duì)性強(qiáng)，效果尤其明顯。綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，本次軟基處理采用水泥粉煤灰碎石樁基復(fù)合地基。

4 CFG樁基設(shè)計(jì)

4．1 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)情況，場(chǎng)內(nèi)標(biāo)高8米以下存在花崗巖全風(fēng)化層，層厚約3米，地基承載力300Kpa，壓縮模量15．0Mpa，可作為持力層，CFG樁長(zhǎng)擬定為10m。

樁徑的選擇與施工設(shè)備有很大關(guān)系，目前CFG樁施工工藝主要有長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注成樁和振動(dòng)沉管灌注成樁兩種，長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注成樁適合于地下水位以上的粘土、粉土和路基填土，振動(dòng)沉管灌注成樁適合于粘土、粉土、淤泥質(zhì)土、填筑土、松散砂土等地質(zhì)，本工程有0-6．6m深的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，且振動(dòng)沉管施工在江西使用較多，故選用振動(dòng)沉管工藝，樁徑設(shè)計(jì)為500mm。

目前復(fù)合地基承載力計(jì)算方式較多，應(yīng)用較普遍的一是將樁間土承載力和單樁承載力進(jìn)行合理組合疊加，二是用天然地基承載力擴(kuò)大一個(gè)倍數(shù)兩種，本文按疊加法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。首先計(jì)算單樁承載力特征值如下:

式中:UP-—CFG樁的周長(zhǎng);

qsik-—第i層土的側(cè)阻力特征值，按表2-1查得;

h—第i層土厚度;

qpk-—樁端持力層端阻力特征值，查閱建筑樁基技術(shù)規(guī)范，取值2000;

Ap-—樁的截面面積(㎡);

K—安全系數(shù)，取2．0。

經(jīng)計(jì)算，Rk=418KN(取Rk=400KN)

路基中心填土最高處為13m，參考湖南省公路工程地基觸探實(shí)驗(yàn)規(guī)定，高速公路路堤填高12-16m時(shí)，要求地基承載力≥155Kpa，即復(fù)合地基承載力特征值fspk≥155Kpa，在已知天然地基承載力特征值、單樁承載力特征值和復(fù)合地基承載力特征值得情況下，按下式求得置換率

式中:Rk-—單樁承載力特征值，按式3-1求得;

fspk—復(fù)合地基承載力特征值(Kpa);

m—面積置換率;

fk—天然地基承載力特征值(Kpa)，按表2-1查得;

α—加固后樁間土承載力標(biāo)準(zhǔn)值與天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值之比，取1．00;

Ap—樁的截面面積(㎡);

β—樁間土強(qiáng)度發(fā)揮度，取0．90。

經(jīng)計(jì)算 m=0．042(取 m=0．04)

擬采用梅花形布樁，按下式計(jì)算樁間距S

式中:d—樁身直徑(m);

m—置換率，按式3-2求得。

經(jīng)計(jì)算樁間距 S=2．38m，(取 s=2．40m)

根據(jù)以上公式計(jì)算的參數(shù)，代入下式計(jì)算此時(shí)的復(fù)合地基承載力特征值

經(jīng)計(jì)算，fspk=171kpa＞155kpa，滿足要求。

樁體配比按樁體強(qiáng)度控制，樁體試塊抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足下式要求:

經(jīng)計(jì)算，fcm≥6114kPa，CFG樁混合料強(qiáng)度選C10即可，塌落度為180～200mm。

4．2 樁位布置

圖2 CFG樁平面布置示意圖

圖3 CFG樁處理立面圖

5 施工工藝

5．1 CFG樁施工工藝流程圖

5．2 關(guān)鍵工序控制

CFG樁經(jīng)過(guò)20多年的施工摸索實(shí)踐，工藝比較成熟，但在實(shí)際施工中，由于人為操作不當(dāng)，頻頻出現(xiàn)縮頸斷樁等缺陷，影響處理效果。下面重點(diǎn)談?wù)勗谑┕じ鱾€(gè)環(huán)節(jié)中如何避免出現(xiàn)缺陷，保證成樁質(zhì)量。

5．2．1 樁基施工順序設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的地質(zhì)情況，CFG樁的成樁順序主要分為硬質(zhì)地基連打，軟質(zhì)地基跳打兩種。本處理段地表下存在近7米的軟基，新打樁在軟土層施工時(shí)，對(duì)相鄰已打樁產(chǎn)生擠壓效果，若旁邊已打樁混凝土未凝固，會(huì)被新打樁擠壓成橢圓或不規(guī)則形，產(chǎn)生縮頸甚至斷樁，大大降低CFG樁的承載力，故采用隔樁跳打施工方案。

同時(shí)施工時(shí)樁機(jī)的振動(dòng)力較大，在先打樁施工完成后，土體密度會(huì)顯著增加。隨著施工完成的樁越多，土的密度越大，在補(bǔ)打新樁時(shí)，即便采用隔樁跳打，若已打樁強(qiáng)度不高，仍可能被振裂甚至振斷。所以本工地補(bǔ)打新樁時(shí)至少確保相鄰已打樁達(dá)到7d強(qiáng)度。具體施工時(shí)采用從大里程方向向小里程方向打進(jìn)，第一遍打完后返回來(lái)補(bǔ)打跳過(guò)的樁，既滿足已打樁施工強(qiáng)度需要，也不會(huì)浪費(fèi)工期。

5．2．2 混合料灌注工藝

振動(dòng)沉管到設(shè)計(jì)標(biāo)高后立即向管內(nèi)投料，直到混合料與進(jìn)料口齊平?；旌狭习韬蠒r(shí)間不得少于1min。加水量按塌落度10cm控制，成樁后浮漿厚度不超過(guò)20cm。有些施工單位，灌注混合料時(shí)擔(dān)心鉆頭閥門(mén)打開(kāi)寬度不夠，造成樁底部縮頸，喜歡先提鉆30cm再灌注混合料，這種操作有很大弊端，首先提鉆過(guò)程中可能使鉆頭上的土掉進(jìn)樁孔;其次，當(dāng)樁端為透水層時(shí)，提鉆后地下水會(huì)迅速充滿該空間，對(duì)灌注混合料形成清洗，造成樁底離析。所以應(yīng)避免提鉆灌料，為保證樁底質(zhì)量，最好是在設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)時(shí)將粘性土層作為樁端持力層。

混合料與進(jìn)料口齊平后，啟動(dòng)馬達(dá)，振動(dòng)5～10s開(kāi)始提管。施工中注意控制提管速度，提管速度太快可能導(dǎo)致樁徑偏小或縮頸斷樁;速度過(guò)慢又會(huì)造成水泥漿分布不勻，形成混和料離析現(xiàn)象，導(dǎo)致樁身強(qiáng)度不足。樁的提拔速度控制在1．2m/min～1．5m/min為宜，如遇淤泥或淤泥土質(zhì)，提管速度適當(dāng)放慢。我工地樁長(zhǎng)介于9m～12m之間，每次提管時(shí)間控制在8分鐘左右，保證成樁的質(zhì)量。

提管過(guò)程避免反插，反插時(shí)因樁桿垂直度的偏差，容易使土與砼混合在一起，影響樁身質(zhì)量。灌注完成后，若發(fā)現(xiàn)樁頂標(biāo)高稍低于實(shí)際樁頂標(biāo)高，不再往管道里灌注混凝土，避免鉆頭脫離地面時(shí)掉在樁頂?shù)哪嗤帘粷仓跇吨校纬蓨A層，應(yīng)待挖除樁頂土層，施工樁帽時(shí)再進(jìn)行接樁。

5．2．3 褥墊層施工注意事項(xiàng)

CFG樁完成28天后可開(kāi)始褥墊層施工，褥墊采用30cm碎石鋪設(shè)，用小型挖掘機(jī)清理樁頭，挖除樁間土，此道工序要特別注意，許多工地在挖掘機(jī)協(xié)助工作時(shí)，由于操作不當(dāng)及機(jī)械碾壓，致使部分CFG樁在樁頭下0．4～2m處開(kāi)裂，形成斷樁，本工地為減小對(duì)樁間土的干擾，同時(shí)避免破壞樁體結(jié)構(gòu)，在挖至褥墊層底部標(biāo)高以上10cm后采用人工清理樁間土。

6 結(jié)語(yǔ)

本次路基側(cè)滑處理共施工CFG樁1100根，采用1臺(tái)振動(dòng)打樁機(jī)，施工周期20天，經(jīng)低應(yīng)變檢測(cè)未出現(xiàn)縮頸、斷樁等缺陷，均為Ⅰ類(lèi)樁。處理完成后，經(jīng)靜載實(shí)驗(yàn)，復(fù)合地基承載力達(dá)到180-200Kpa，滿足路基填筑要求。路基填筑完成至今近1年，未發(fā)現(xiàn)有路基沉降現(xiàn)象。本方案快速、高效的處理了此次路基側(cè)滑事故，充分體現(xiàn)了CFG樁復(fù)合地基施工方便，周期短，費(fèi)用低，地基承載力提高明顯等特點(diǎn)，值得今后類(lèi)似工程參考借鑒。

［1］CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實(shí)踐．北京:中國(guó)水利水電出版社，2001．

［2］JGJ79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012．

［3］JGJ794-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范，北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

［4］GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011．