福平鐵路軟土路基CFG樁加固實(shí)驗(yàn)研究

劉俊俊　黃新智　任　昆　全健健

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州　730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅蘭州　730070)

Experimental Study of Using CFG Columns Improving Soft Subgrade of Fuping High-Speed Railway

LIU Junjun1，2　HUANG Xinzhi1，2　REN Kun1，2　QUAN Jianjian1，2

福平鐵路軟土路基CFG樁加固實(shí)驗(yàn)研究

劉俊俊1，2黃新智1，2任昆1，2全健健1，2

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅蘭州730070)

Experimental Study of Using CFG Columns Improving Soft Subgrade of Fuping High-Speed Railway

LIU Junjun1，2HUANG Xinzhi1，2REN Kun1，2QUAN Jianjian1，2

摘要基于福平鐵路軟土路基的工程背景，通過現(xiàn)場CFG樁低應(yīng)變檢測和單樁載荷試驗(yàn)，分析福平鐵路軟土路基CFG成樁質(zhì)量和加固效果，現(xiàn)場樁體最大沉降量為18.23 mm，最大回彈量為8.12 mm，回彈率為44.5%，該結(jié)果符合規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過ANSYS有限元軟件對實(shí)際工程進(jìn)行簡化模擬，加載后最大沉降量為23.17 mm，該結(jié)果與實(shí)際值(18.23 mm)能較好吻合。

關(guān)鍵詞福平鐵路軟土路基CFG樁地基加固

近年來，隨著我國濱湖和沿海地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)的進(jìn)一步深入，越來越多的交通工程將修建在軟土路基上，軟土的壓縮性高、透水性差、含水量大、強(qiáng)度低等問題日益突出。針對軟土問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。其中趙明華[1]等對軟土路基固結(jié)沉降機(jī)理及其預(yù)測方法進(jìn)行了深入的討論，揭示了軟土路基沉降發(fā)展規(guī)律及其特點(diǎn)。在軌道結(jié)構(gòu)方面，地基處理和沉降控制逐漸成為軟土地區(qū)交通工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題[2-4]。在眾多的軟土路基處理方法中，CFG樁由于其特殊的加固機(jī)制[5]和其技術(shù)成熟、施工速度快、質(zhì)量易控和經(jīng)濟(jì)效益明顯等優(yōu)點(diǎn)[6]，逐漸受到人們的青睞。

1工程及試驗(yàn)段地質(zhì)概況

1.1　工程概況

新建福(福州)平(平潭)鐵路屬雙線鐵路，自動控制，電力牽引，途中跨越海峽，共設(shè)6個站(福州站-福州南站-長樂站-長樂東站-松下站-平潭站)，總長88.433 km，速度目標(biāo)值為200 km/h，以國鐵I級標(biāo)準(zhǔn)由中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)所在的福平鐵路FPZQ-4標(biāo)段由中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司進(jìn)行施工，建成后將福州與平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)以鐵路連接起來，為兩地的發(fā)展注入新的動力，通車后福州到平潭僅需0.5 h即可到達(dá)。

1.2　試驗(yàn)段地質(zhì)概況

以福平鐵路平潭島上FPZQ-4標(biāo)DK82+075～DK82+275段為實(shí)驗(yàn)對象。巖土工程勘察報告表明，該場地地層結(jié)構(gòu)自上而下共劃分為：

(1)地表細(xì)砂，淡黃色，稍濕，稍密，Ⅰ級飽和松土，σ0為90 kPa，厚度4～4.8 m。

(2)泥炭質(zhì)土，軟-流塑態(tài)，Ⅰ級飽和土，σ0=50 kPa，厚約0.8 m。

(3)黏土，可塑態(tài)，Ⅱ級，σ0為120 kPa，厚約2.2 m。

(4)中砂，淡黃色，中密-密實(shí)，Ⅰ級飽和土，σ0為150 kPa，厚約2.8 m。

(5)粉質(zhì)黏土，軟塑態(tài)，Ⅱ級，σ0為100 kPa，厚約5.1 m。

(6)花崗巖，全風(fēng)化，Ⅲ級，σ0為250 kPa。

2現(xiàn)場CFG樁低應(yīng)變檢測

2.1　檢測設(shè)備及過程

采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行檢測，檢測CFG樁的成樁質(zhì)量和樁身完整性，分析樁身缺陷情況。使用的儀器設(shè)備應(yīng)滿足《基樁動測儀》JG/T3055的相關(guān)規(guī)定。根據(jù)樁徑的不同，在樁中心兩側(cè)對稱布置2個檢測點(diǎn)；每個檢測點(diǎn)記錄3個有效信號。

采用的低應(yīng)變反射波檢測儀器為美國PDI公司研制的PIT-V動測儀。檢測設(shè)備及檢測過程見圖1，用力錘以一定的力度和頻率敲擊受檢樁，樁中的應(yīng)力波向下傳遞，當(dāng)樁體截面發(fā)生變化或變化存在明顯的波阻抗界面時，該處會產(chǎn)生反射波，通過樁頂傳感器將反射波信號傳回檢測儀器，再經(jīng)過信號處理和數(shù)據(jù)分析，來判定成樁質(zhì)量和樁身的完整性。

2.2　檢測結(jié)果分析

在DK82+075～DK82+275段共對166根CFG樁進(jìn)行了低應(yīng)變檢測。檢測結(jié)果表明，由于在樁頭開挖過程中大型機(jī)械的影響，使得該段CFG存在少量的Ⅱ類和Ⅲ類樁，且缺陷位置多處于樁頂下1～2 m處，屬淺部缺陷?？傊摱蜟FG樁樁體質(zhì)量合格，符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，且該段軟土層對CFG樁的成樁質(zhì)量基本無不良影響，CFG樁低應(yīng)變檢測典型曲線如圖2所示。

3CFG樁單樁載荷試驗(yàn)

3.1　加載方式

現(xiàn)場單樁載荷試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，分10級加載和5級卸載，用自動油泵千斤頂逐級施加荷載，每級加載量為60 kN，卸載量為120 kN。由箱梁搭成堆載平臺，堆載混凝土塊和箱梁自重共同提供反力，施加的最大荷載重量為700 kN。

3.2　荷載及沉降測量

通過壓力傳感器將荷載的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳遞到測試儀進(jìn)行量測記錄；通過均勻布置于鋼板上方的的4個位移傳感器來采集樁體沉降數(shù)據(jù)，不同位移傳感器采集的數(shù)據(jù)通過不同的通道傳遞回測試儀，測試儀自動記錄樁體沉降并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在DK82+075～DK82+275試驗(yàn)段中選擇DK82+175、DK82+200、DK82+250斷面處進(jìn)行單樁荷載檢測，共計(jì)3根樁，試驗(yàn)采用原位樁。結(jié)果表明，3根單樁承載力均滿足設(shè)計(jì)要求的300 kN。其中DK82+175處單樁荷載結(jié)果為：最大沉降量為18.23 mm，最大回彈量為8.12 mm，回彈率44.5%，Q-S曲線如圖3所示。

4數(shù)值模擬

利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，為了方便接觸單元的設(shè)置和網(wǎng)格的劃分，將三維問題簡化為二維平面問題，將土層簡化為上下兩層土，具體參數(shù)設(shè)置為：樁長13 m，樁徑0.5 m，容重20 kN/m3，泊松比為0.2；表層土厚8 m，彈性模量為15 MPa，容重15 kN/m3，泊松比為0.38，c=149.1 kPa，內(nèi)摩擦角為23.8°；底層土厚6 m，彈性模量為30 MPa，容重17.5 kN/m3，泊松比為0.37，c=160.7 kPa，內(nèi)摩擦角為33°，摩擦系數(shù)0.35。

考慮到對稱性，取1/2樁側(cè)土體進(jìn)行分析，土體邊界距樁3.5 m(6d，d為樁徑)，樁土模型側(cè)面施加水平約束，底部為固定約束，上部為自由端，建立有限元模型(如圖4所示)。

加載后的樁體最大沉降量為23.17 mm，應(yīng)力圖如圖5所示。

5結(jié)論

(1)利用設(shè)計(jì)尺寸的CFG樁加固處理福平鐵路軟弱路基，能較好地滿足路基承載力和變形要求，成樁質(zhì)量穩(wěn)定，加固效果明顯。

(2)通過ANSYS有限元軟件模擬的沉降結(jié)果(23.17 mm)以及現(xiàn)場單樁載荷試驗(yàn)的沉降結(jié)果(18.23 mm)對比，兩者能較好吻合，同時也從不同角度說明了CFG樁在軟弱路基加固處理中能夠有效地控制變形沉降。

參考文獻(xiàn)

[1]趙明華，楊明輝，劉煜，等.軟土路基固結(jié)沉降機(jī)理及其預(yù)測方法研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2005，2(4):16-20

[2]詹學(xué)啟，郭建湖.武廣鐵路客運(yùn)專線烏龍泉至韶關(guān)段無砟軌道路基過渡段設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑，2010(1):106-110

[3]孫紅林，李丹.京滬高速鐵路路基工程主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].鐵道建筑，2009(7):5-10

[4]趙靜.高速客運(yùn)專線天然黃土地基工后沉降數(shù)值模擬[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012(5):3362-3366

[5]任鵬，鄧榮貴，于志強(qiáng).CFG樁復(fù)合地基試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2008，29(1):81-87

[6]林暉.CFG樁復(fù)合地基土分擔(dān)荷載比研究[J].土工基礎(chǔ)，2004，18(14):50-53

中圖分類號：U213.1+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)05-0044-03

作者簡介：第一劉俊俊(1990—)，男，碩士研究生。

收稿日期：2015-04-27