CFG樁在沿海高鐵的應(yīng)用與體會(huì)

吳培榮

(東南沿海鐵路福建有限責(zé)任公司，福建福州　350013)

The Application and Experience of CFG-pile in Wenzhou to Fuzhou Coastal Railway

WU Peirong

CFG樁在沿海高鐵的應(yīng)用與體會(huì)

吳培榮

(東南沿海鐵路福建有限責(zé)任公司，福建福州350013)

The Application and Experience of CFG-pile in Wenzhou to Fuzhou Coastal Railway

WU Peirong

摘要溫福線海相軟土分布較廣，厚度大、成因類型及地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程力學(xué)性質(zhì)差。在全線投資控制嚴(yán)格的情況下，部分軟基地段采取了CFG樁這種較為經(jīng)濟(jì)的地基加固措施。鑒于當(dāng)時(shí)CFG樁在鐵路軟土加固工程中應(yīng)用較早，施工中出現(xiàn)了一些病害。通過對(duì)工點(diǎn)病害情況的分析、補(bǔ)充鉆孔以及開挖后樁體施工的實(shí)際情況，查明了病害出現(xiàn)原因。結(jié)合工點(diǎn)實(shí)際情況，提出了管樁、灌注樁、旋噴樁、反壓護(hù)道等不同的處理方案。在總結(jié)溫福線CFG樁的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出CFG樁在設(shè)計(jì)和施工中一些需要注意的問題。

關(guān)鍵詞鐵路CFG樁病害處治措施

溫福鐵路北起溫州南站，途徑浙江省溫州市，穿越分水關(guān)后，進(jìn)入福建省寧德市、福州市，南端接入外福線樟林站，是我國(guó)東部沿海鐵路的重要組成部分。

沿線溫州至蒼南線路主要通過海積平原，對(duì)厚度大于20 m的深厚層軟土原則上以橋梁通過，但在附近有大量挖方或隧道棄碴可用時(shí)，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后，盡可能降低填方高度，可以以路堤通過。由于CFG樁可以利用挖方和隧道棄碴，保護(hù)了環(huán)境，且施工方法簡(jiǎn)單，周期相對(duì)較短，處理地基后承載力較高等優(yōu)點(diǎn)，沿線部分路基采取CFG樁對(duì)海積平原軟弱基礎(chǔ)進(jìn)行加固，是我國(guó)鐵路中較早采用CFG樁加固軟土的鐵路。由于部分施工單位對(duì)CFG樁在濱海相、瀉湖相、溺谷相沉積土中的施工經(jīng)驗(yàn)不足，以及局部地段地質(zhì)條件非常復(fù)雜，在施工中出現(xiàn)了一些CFG樁病害。

1地質(zhì)概況

1.1　地形地貌

溫福線地處閩浙二省東部沿海地帶，線路所經(jīng)地區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，地形總的趨勢(shì)是西北高、東南低。其中蒼南至福州以低山丘陵為主，地勢(shì)起伏較大，峰頂高程200～800 m，多呈尖頂狀，自然坡度20°～50°；局部分布濱海海積平原，主要位于各河口及海灣灘涂地帶，海岸線曲折，灣內(nèi)多為淤泥質(zhì)漫灘。

1.2　工程地質(zhì)

在濱海平原及灘涂區(qū)，廣布全新統(tǒng)淤泥和淤泥質(zhì)土，局部地段夾有泥炭。土質(zhì)松軟飽水，軟塑至流塑狀，具有高壓縮性和高觸變性、低承載力等特性。

1.3　水文地質(zhì)

本區(qū)地下水類型有：松散巖類孔隙潛水、裂隙水(基巖裂隙水、風(fēng)化裂隙水)。除第四系沖洪積潛水、斷層裂隙水較豐外，一般地下水欠發(fā)育。

2CFG樁加固地基機(jī)理

CFG樁對(duì)地基的加固作用主要表現(xiàn)在其置換作用、排水作用、樁間土改良作用、樁對(duì)土的約束作用。

置換作用：水泥漿將碎石和石屑這些骨料粘結(jié)起來(lái)形成一個(gè)整體，使得CFG樁起到了樁體的作用，能承擔(dān)大部分的上部荷載。張尚東[1]、邢仲星[2]、閻明禮[3-4]等研究表明，置換作用的大小，取決于樁體的直徑、材料組成、強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等(如圖1)。

圖1　復(fù)合地基

排水作用：沈旦申[1,5]研究發(fā)現(xiàn)，由于CFG樁樁體滲透系數(shù)較樁間土大，在成樁初期，透水性較好，使樁周土處于一個(gè)良好的排水環(huán)境，加速了樁周土的固結(jié)，特別對(duì)于砂性土效果比較明顯(如圖2)。

圖2　樁的排水作用

樁間土的改良：CFG樁采用振動(dòng)沉管等排土、擠土工藝，提高了樁間土的強(qiáng)度。對(duì)于不同土體，樁間土的加固方法及效果不同，對(duì)于黏性土改良作用較為明顯；對(duì)于砂類土，改良作用基本沒有改變，但振密的效果顯著(如圖3)。

圖3　樁間土的改良

樁對(duì)樁間土的約束作用：周德培[6]、閻明禮[3-4]等研究表明，復(fù)合地基中，樁間土由于受到樁的側(cè)向位移限制，會(huì)形成樁間豎向土拱，使樁間土抵抗垂直變形的能力加強(qiáng)(如圖4)。

圖4　樁對(duì)土的約束效應(yīng)

3CFG樁常見破壞及病害

3.1　設(shè)計(jì)方面

在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于碎石類豎向增強(qiáng)體樁，考慮的破壞主要為四種模式[7-8](如圖5)。

圖5　豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基破壞模式

刺入破壞：表現(xiàn)為樁體承載能力不足，樁體直接刺入下臥層，引起路基產(chǎn)生較大的豎向位移，破壞時(shí)主要表現(xiàn)為路堤沖切破壞或路基豎向沉陷。

鼓脹破壞：CFG樁在承受到上部荷載后，向下臥層傳遞荷載，由于樁周土體較軟，對(duì)樁的約束力較小，CFG樁容易產(chǎn)生受壓軸向鼓脹破壞。破壞時(shí)主要表現(xiàn)為路基整體下沉，拉裂等，且主要發(fā)生在淺層。

樁體剪切破壞：主要發(fā)生在復(fù)合地基淺層土體非常軟弱、豎向增強(qiáng)體為柔性樁、布樁不夠時(shí)，導(dǎo)致淺層樁周土剪切破壞。這種破壞可以通過用較好的土料來(lái)置換地基表面較差的土來(lái)解決[9]。

滑動(dòng)剪切破壞：主要發(fā)生在樁對(duì)樁周土體的抗側(cè)向變形抵抗力不足，發(fā)生樁身剪切破壞。破壞時(shí)主要表現(xiàn)為路堤失穩(wěn)發(fā)生坍塌等現(xiàn)象，其破壞面主要呈弧線形狀。

CFG樁由水泥漿黏結(jié)，其黏結(jié)強(qiáng)度較高，抗壓強(qiáng)度高，但由于其沒有配筋，其抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度較低，主要容易發(fā)生豎向刺入破壞、滑動(dòng)剪切破壞兩種類型的破壞。

3.2　施工作業(yè)

CFG樁成樁時(shí)主要病害為樁身縮頸、夾泥甚至斷樁，灌注時(shí)混凝土拒落，沉樁時(shí)進(jìn)水，CFG樁未達(dá)到預(yù)定持力層，成樁時(shí)受周邊影響破損[10-11]。

(a)樁身縮頸、夾泥、斷樁：施工作業(yè)時(shí)，在遇到淤泥或淤泥質(zhì)土?xí)r，拔管過快，淤泥涌入，造成樁身縮頸、夾泥甚至斷樁[12]。

(b)拒落：在CFG樁灌注拔管時(shí)，活瓣被周圍土包住打不開，或者封底的泥漿過干在管底形成栓塞，最終導(dǎo)致樁下部無(wú)充填物或樁底不密實(shí)[10]。

(c)進(jìn)水：CFG樁在砂層灌注或者遇到承壓水時(shí)，地下水涌入水泥漿中，造成CFG樁碎石不能很好的粘合在一起，形成缺陷。

(d) CFG樁未達(dá)到預(yù)定持力層：在地質(zhì)復(fù)雜、土層變化較大的地方施工時(shí)，由于局部地區(qū)含有軟弱下臥層或者透鏡體，常造成樁沒有進(jìn)入設(shè)計(jì)的持力層，造成路基不均勻沉降。

(e)成樁時(shí)受周邊影響破損：CFG樁在成樁前，其自身強(qiáng)度比較低，且由于沒有配筋，其自身的抗剪強(qiáng)度較小。在CFG成樁前，大型施工機(jī)械的碾壓，CFG鉆機(jī)沒有間隔打樁，甚至因?yàn)榻嚯x的施工便道上重型機(jī)械通過，或者既有鐵路列車經(jīng)過時(shí)造成的震動(dòng)，都有可能造成CFG樁破損。

對(duì)于海相軟土，由于加固區(qū)土層較軟，且含水量較大，上述的施工病害極易在施工中發(fā)生。鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院開發(fā)了布袋注漿樁，較好的解決了CFG樁在海相軟土中的施工問題[13-15]。

4路基病害原因及處治

溫福鐵路路基工程中以大量的深厚層軟基為其主要特點(diǎn)，其中軟土或松軟土路基路基共有44 614.07 m/60處，占路基工程總長(zhǎng)56 633.6 m的78.77%。沿線軟土成因類型復(fù)雜，主要包括濱海相、瀉湖相、溺谷相沉積，由于沉積類型不同，軟土分布厚度、工程性質(zhì)均有較大差別。主要采取的地基加固措施有CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁、強(qiáng)夯置換、水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、碾壓片石、挖除換填和排水固結(jié)等。

4.1　DK209+148.33～+338.00工點(diǎn)

在該段路堤填筑至高4.5 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)在DK209+220～+255路堤頂面中偏右出現(xiàn)2 mm寬的縱向長(zhǎng)35 m裂縫，右側(cè)坡腳及反壓護(hù)道出現(xiàn)裂縫；3日后裂縫發(fā)展到60 m長(zhǎng)，裂縫里程DK209+200～+260。同時(shí)，DK209+200～+260路基中心開裂沉降繼續(xù)發(fā)展，由于路基向右滑移，原2～3條裂縫向下塌落逐漸形成一條寬度達(dá)20～40 cm的裂縫，DK209+170～+280段右側(cè)坡腳鼓脹開裂繼續(xù)發(fā)展，最大寬度20～40 cm， DK209+170～+280左側(cè)坡腳有開裂情況，裂縫1～2條，最大寬度1 cm。

病害產(chǎn)生的主要原因：①DK209+220～+255路堤處于丘陵坡腳附近的沿海灘涂區(qū)，補(bǔ)充鉆探顯示，在路基的一個(gè)橫斷面范圍內(nèi)，土層有較大變化，路堤穿過養(yǎng)殖魚塘，造成樁身斷樁，路堤產(chǎn)生沖切下沉。②CFG樁大面積施工的經(jīng)驗(yàn)不足，造成單樁承載力不足，導(dǎo)致路堤下沉滑移。

處治措施：

①DK209+148.33～+161.53段，為防止地基向己施工完成的半山特大橋福州臺(tái)縱向位移，采用地基鉆孔灌注樁(取土樁)加固。

②DK209+161.53～+305發(fā)生下沉滑移段，地基采用管樁重新加固。

③DK209+305～+338軟土厚小于2.5 m段，地基采用挖除表層松軟土，換填A(yù)組填料處理。

4.2　DK247+595～DK248+100工點(diǎn)

該段路堤填筑至高5.09 m，距路肩面2.5 m時(shí)，停止填筑。放置3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)DK247+700處左側(cè)排水溝開裂，同時(shí)向左側(cè)位移。再經(jīng)過3個(gè)月，該段最大位移量左側(cè)為21 cm，右側(cè)為1 cm，最大位移處里程為DK247+700。左半幅填筑面微向左傾斜，DK247+675處1-4.0×4.7 m框架涵、八字墻及二節(jié)涵身向左拉開。路肩右側(cè)電纜槽下沉最大約9 cm，坡腳水溝鐵路側(cè)有外擠現(xiàn)象(如圖6、圖7)。

圖6　路肩下沉

圖7　骨道開裂

病害產(chǎn)生的主要原因是在地質(zhì)條件復(fù)雜地段，施工單位未按設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行施工，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)雖然足夠，但是樁端未進(jìn)入持力層，造成單樁承載力不足，導(dǎo)致路堤變形過大。

處治措施：

①路堤在填筑過程發(fā)生位移后，填筑高度距路肩2.5 m，高路堤設(shè)計(jì)填高8.49～9.42 m，且地質(zhì)條件復(fù)雜，地基采用管樁補(bǔ)強(qiáng)加固。

②DK247+595～+609.8、DK247+755.2～+770二段，為防止擠土及震動(dòng)影響鄰近己施工完成的CFG樁，地基采用鉆孔灌注樁(取土樁)加固。

③在樁施工前于基底范圍內(nèi)鋪設(shè)1.0 m厚C組以上填料工作墊層，施工完成后于樁頂設(shè)置0.6 m碎石墊層，并于其間鋪設(shè)一層高強(qiáng)度土工格室。土工格室高0.1 m，其抗拉強(qiáng)度≥180 MPa，延伸率≤10%，焊縫強(qiáng)度≥1 500 N/10 cm。

4.3　DK270+270～DK270+701.99工點(diǎn)

該段路基在填筑完成后1個(gè)月內(nèi)，漿砌片石路肩與骨架護(hù)坡連接處出現(xiàn)橫向裂縫，裂縫出現(xiàn)后，在路基兩側(cè)采取反壓護(hù)道，護(hù)道寬15～35 m、高3.5 m，并沒能阻止邊坡裂縫的發(fā)展。

該段路基產(chǎn)生病害的主要原因有兩個(gè)方面。一是該段2004年定測(cè)時(shí)為稻田，地面高程3.8～4.2 m。2006年8月施工進(jìn)場(chǎng)時(shí)，該段已經(jīng)挖為水塘。2007年6月受“飛燕”臺(tái)風(fēng)，導(dǎo)致暴雨成災(zāi)，地面積水深1.2 m，長(zhǎng)達(dá)2天，退水過后骨架下沉開裂。

二是CFG樁在抬高工作墊層情況下按設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)施工，造成樁端下部尚有部分軟弱地基，以及下臥卵石土表層承載力較低，導(dǎo)致施工期沉降過大，邊坡開裂(CFG樁底未進(jìn)入設(shè)計(jì)地層)。

處治措施：

①DK270+281.6～+685.59段地基采用預(yù)應(yīng)力管樁補(bǔ)強(qiáng)。

②DK270+270～+281.6與+685.59～+701.99二段，為防止擠土及震動(dòng)影響鄰近己施工完成的CFG樁，地基采用鉆孔灌注樁(取土樁)加固。

4.4　DK260+673.82～+921工點(diǎn)

該段路堤填筑到離CFG樁樁頂4.85 m，在左線中心附近產(chǎn)生弧狀寬15 mm裂縫，隨后發(fā)生路基失穩(wěn)坍滑。

該段路堤發(fā)生較大弧度的溜塌，路基邊坡表面開裂明顯，應(yīng)是樁抗剪強(qiáng)度不足，發(fā)生了滑動(dòng)破壞。

CFG樁抗剪強(qiáng)度不足的主要原因是：

(1)由于重載施工便道緊貼右側(cè)路堤坡腳，便道地基沒有加固處理，施工運(yùn)輸土石方的重載汽車經(jīng)過，來(lái)回震動(dòng)，對(duì)初凝階段CFG樁造成影響。

(2)CFG樁大面積施工經(jīng)驗(yàn)不足，造成部分CFG樁斷樁。

處治措施：

DK260+673.82～+810基采用旋噴樁地基；

DK260+673.82～+766.0右側(cè)設(shè)反壓護(hù)道；

DK260+810～+904.170段軟土地基采用管樁加固；

DK260+904.17～+921.57段軟土地基采用C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁加固。

5CFG樁處理沿海軟弱地基體會(huì)

CFG樁首次在溫福鐵路軟基處理中進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用，大部分工點(diǎn)達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，還是有部分工點(diǎn)產(chǎn)生了各種病害，有許多經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)值得我們?nèi)ノ。ㄗh在今后的勘察設(shè)計(jì)及施工過程中加以改進(jìn)。

(1)針對(duì)濱海相軟土含水量大、強(qiáng)度低、觸變性高等特點(diǎn)，應(yīng)以橋代路的方案通過海積平原或?yàn)┩繀^(qū)，從本質(zhì)上保證鐵路工程的安全。

(2)沿海地段古地貌復(fù)雜，持力層高程起伏大，建議加強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查和走訪，查明古地貌形態(tài)，加密勘探點(diǎn)，勘探孔深要進(jìn)入一定厚度的持力層。

(3)在大面積施工前應(yīng)進(jìn)行一定面積的試樁，取得適應(yīng)自身工點(diǎn)的CFG樁施工參數(shù)和工藝。

(4)針對(duì)CFG樁施工過程中出現(xiàn)的斷樁、縮頸、浮樁等問題，施工單位應(yīng)加強(qiáng)施工工藝的管控，正確了解設(shè)計(jì)意圖。

(5)對(duì)于緊鄰公路的CFG樁加固工點(diǎn)，特別是重載車輛頻繁通過產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)初凝階段的CFG樁有很大的影響的地段，建議對(duì)CFG樁加固措施進(jìn)行變更。

(6)對(duì)于緊鄰橋臺(tái)、涵洞地段10～15 m，建議采用鉆孔樁(取土樁)加固，隔離CFG樁，減緩CFG樁擠土效應(yīng)對(duì)橋樁的影響。

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中圖分類號(hào)：TU472.3+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)03-0060-04

作者簡(jiǎn)介：吳培榮(1966—)，男，2004年畢業(yè)于福州大學(xué)交通工程專業(yè)，高級(jí)工程師。

收稿日期：2015-03-03