CFG樁復(fù)合地基在公路工程地基處理中的應(yīng)用
——以南充嘉陵大道B段為例

孫冰洋， 楊順生

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

南充化學(xué)工業(yè)園文峰片區(qū)一期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目二標(biāo)段(嘉陵大道B段)位于南充市嘉陵區(qū)文峰鎮(zhèn)，道路全長5 776.530 m，設(shè)計(jì)路面寬32.00 m，道路為城市次干道，該道路路面設(shè)計(jì)使用年限20年。里程K0+940～K1+220段道路東側(cè)高填方路基以粉土及細(xì)砂為主，該層壓縮性高，承載力低，屬于軟土地基，未經(jīng)處理不能作為天然地基土。

現(xiàn)根據(jù)里程K0+940～K1+220段道路東側(cè)高填方路基勘察情況，該范圍內(nèi)基底持力層范圍內(nèi)以粉土及中砂為主，承載力不能滿足上部荷載的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)道路填方高度，將本次處理范圍劃分為3個(gè)區(qū)域，其中區(qū)域1為直接路基土，區(qū)域面積約3 589 m2，填方高度最大14 m，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該區(qū)域處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥260 kPa，復(fù)合土層的壓縮模Es≥10.0 MPa；區(qū)域2為道路護(hù)堤土，區(qū)域面積約4 873 m2，填方高度最大14 m，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該區(qū)域處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥175 kPa，復(fù)合土層的壓縮模量Es≥8.0 MPa；區(qū)域3為道路護(hù)堤土，區(qū)域面積約3 228 m2，填方高度最大達(dá)到25.5 m，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該區(qū)域處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥280 kPa，復(fù)合土層的壓縮模量Es≥12.0 MPa。根據(jù)業(yè)主、設(shè)計(jì)及相關(guān)專家意見：需對基底附近軟弱土層進(jìn)行復(fù)合地基加固處理，增加軟弱地基土層承載力的同時(shí)削除不均勻沉降。本設(shè)計(jì)經(jīng)有關(guān)單位審批后，可作為設(shè)計(jì)依據(jù)，嚴(yán)格實(shí)施。

根據(jù)勘察報(bào)告及設(shè)計(jì)要求，本工程需對基底下軟弱地基土進(jìn)行地基處理。根據(jù)設(shè)計(jì)單位承載力要求，同時(shí)滿足地基沉降相關(guān)要求，區(qū)域1處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥260 kPa，復(fù)合土層的壓縮模量Es≥10.0 MPa；區(qū)域2處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥175 kPa，復(fù)合土層的壓縮模量Es≥8.0 MPa；區(qū)域3處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥280 kPa，復(fù)合土層的壓縮模量Es≥12.0 MPa。由于場地地下水位埋深較淺(約2.5 m)，而軟土地基埋深較大(最大約13.5 m)，故不能采用插塑板結(jié)合堆載預(yù)壓進(jìn)行處理；由于場地內(nèi)軟土地基以粉土為主，其狀態(tài)為稍密，粘聚力C值為16，故采取粉噴樁、高壓旋噴樁等處理措施難以保證達(dá)到影響范圍，效果不好。根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，結(jié)合相關(guān)規(guī)范及我院成功經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮本工程地基處理方式擬采用CFG樁復(fù)合地基方案對基底面以下軟弱土層進(jìn)行加固處理，采用長臂螺旋結(jié)合沉管處理施工工藝。

1　CFG樁復(fù)合地基處理

1.1　設(shè)計(jì)取值及計(jì)算公式

1.1.1處理深度

設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高為265.00 m。CFG樁處理深度應(yīng)穿過粉土及中砂，以稍密卵石或強(qiáng)風(fēng)化砂巖為樁端持力層，樁端進(jìn)入稍密卵石或強(qiáng)風(fēng)化砂巖不小于1.0 m，持力層厚度不小于3.0 m。根據(jù)剖面形態(tài)，樁長按各各區(qū)域劃分如下：1區(qū)域的樁長最短為6.8 m，最深為14.4 m，平均樁長10.5 m，由于該段樁長變化較大，按平均樁長10.5 m計(jì)算；2區(qū)域的樁長最短為10.5 m，最深為14.7 m，平均樁長13.1 m，按最短樁長10.5 m計(jì)算；3區(qū)域的樁長最短為10.8 m，最深為14.9 m，平均樁長14.2 m，按最短樁長10.8 m計(jì)算。

1.1.2樁徑

根據(jù)所采用的成樁設(shè)備和結(jié)合已有施工經(jīng)驗(yàn)，CFG樁樁徑確定為400 mm，樁身材料采用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、石屑等硬質(zhì)材料，其含泥量小于5 %，填料粒徑不大于50 mm。

1.1.3樁間距的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分為3個(gè)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。區(qū)域1處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥260 kPa，復(fù)合土層的壓縮模量Es≥10.0 MPa；區(qū)域2處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥175 kPa，復(fù)合土層的壓縮模量Es≥8.0 MPa；區(qū)域3處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥280 kPa，復(fù)合土層的壓縮模量Es≥12.0 MPa。

通過對本工程項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，本方案采用三角形布樁，樁徑400 mm。以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層或稍密卵石作為樁端持力層，樁端進(jìn)入持力層不小于1.0倍樁徑。

根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

de=1.05s(等邊三角形布樁)或de=1.13s(正方形布樁)

(4)

(5)

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值(kPa)，設(shè)計(jì)要求340 kPa；fsk為處理后樁間土承載力特征值(kPa)；取處理后承載力，粉土、中砂分別取80 kPa(樁間土壓縮模量綜合考慮取4.0 MPa)、100 kPa；fak為基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值(kPa)；Ap為樁的截面積(m2)；Ra為單樁豎向承載力特征值(kN)；β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.90；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.70；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，取1.00；m為樁土面積置換率；de為1根樁承擔(dān)的處理地基面積的等效圓影響直徑；s為樁間距；d為樁直徑(m)，取0.40 m；μp為樁的周長；fcu為樁體試塊(邊長為150 mm立方體)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，本工程取值為20 MPa；qp為計(jì)算Ra時(shí)的最小樁端土承載力特征值，按人工挖孔樁取強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層為750 kPa；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值；Ipi為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度；

1.2　針對不同區(qū)域的設(shè)計(jì)

1.2.1區(qū)域1

(1)單樁承載力計(jì)算。

根據(jù)式(3)：

故取Ra=700.00 kN。

(2)樁間距S計(jì)算

由式(1)得：

按三角形布樁，由式(2)和式(4)得：

(3)復(fù)合地基承載力驗(yàn)算。

取樁間距：s=1.6 m，分別代入式(1)～式(4)驗(yàn)算復(fù)合地基各參數(shù)。

fspk=313.1 kPa>260 kPam=0.05668>0.04460

故當(dāng)s=1.6 m時(shí)，復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)復(fù)合地基的壓縮模量。

當(dāng)：fspk=313.1 kPa時(shí)，根據(jù)式(5)得：

(5)樁體材料強(qiáng)度計(jì)算。

CFG樁按三角形布樁，樁間距取1.6m，處理區(qū)面積約3 589 m2，共1 707根，樁號1～1 707。

1.2.2區(qū)域2

(1)單樁承載力計(jì)算。

根據(jù)式(3)。

故取Ra=700.00 kN。

(2)樁間距S計(jì)算。

由式(1)得：

按三角形布樁，由式(2)和式(4)得：

(3)復(fù)合地基承載力驗(yàn)算。

取樁間距：s=2.2 m，分別代入式(1)～式(4)驗(yàn)算復(fù)合地基各參數(shù)。

fspk=190.14 kPa>175 kPam=0.02998>0.02526

故當(dāng)s=2.2 m時(shí)，復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)復(fù)合地基的壓縮模量。

當(dāng)：fspk=195.75 kPa時(shí)，根據(jù)式(5)得：

(5)樁體材料強(qiáng)度計(jì)算。

CFG樁按三角形布樁，樁間距取2.2 m，處理區(qū)面積約4 873 m2，共1 189根，樁號1 708～2 896。

1.2.3區(qū)域3

(1)單樁承載力計(jì)算。

根據(jù)式(3)。

故取Ra=710.00 kN。

(2)樁間距S計(jì)算。

由式(1)得：

按三角形布樁，由式(2)和式(4)得：

(3)復(fù)合地基承載力驗(yàn)算。

取樁間距：s=1.6 m，分別代入式(1)～式(4)驗(yàn)算復(fù)合地基各參數(shù)。

fspk=316.69 kPa>280 kPam=0.05668>0.04845

故當(dāng)s=1.6 m時(shí)，復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)復(fù)合地基的壓縮模量。

當(dāng)：fspk=316.69 kPa時(shí)，根據(jù)式(5)得：

(5)樁體材料強(qiáng)度計(jì)算。

CFG樁按三角形布樁，樁間距取1.6 m，處理區(qū)面積約3 589 m2，共1 516根，樁號2 896～4 412。

1.3　設(shè)計(jì)結(jié)論

綜上，該工程采用CFG樁復(fù)合地基處理，1區(qū)域CFG樁按三角形布樁，樁徑取400 mm，平均樁長為10.5 m，樁間距取1.6 m，處理區(qū)面積約3 589 m2，共1 707根，樁號1～1 707；2區(qū)域CFG樁按三角形布樁，樁徑取400 mm，平均樁長為13.1 m，樁間距取2.2 m，處理區(qū)面積約4 873 m2，共1 189根，樁號1 708～2 896；3區(qū)域CFG樁按三角形布樁，樁徑取400 mm，平均樁長為14.2 m，樁間距取1.6 m，處理區(qū)面積約3 589 m2，共1 516根，樁號2 896～4 412。具體樁長見各里程段橫斷面圖，施工過程中如發(fā)現(xiàn)和地勘報(bào)告土層描述相差較大時(shí)及時(shí)上報(bào)設(shè)計(jì)單位，變更設(shè)計(jì)。

2　地基變形計(jì)算

根據(jù)JGJ 79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的7.7.2中的第8條規(guī)定，地基變形計(jì)算按GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.3.5、5.3.6及5.3.6公式，地基變形計(jì)算深度Zn應(yīng)符合下式的規(guī)定，

ΔSi′為計(jì)算深度范圍內(nèi)，第i層土的計(jì)算變形值(mm)；ΔSn′為計(jì)算深度向上取厚度Δz的土層計(jì)算變形值(mm)。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算地基變形時(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布，可采用各項(xiàng)同性均值線性變形體理論，其最終的變形量可按照下式進(jìn)行計(jì)算：

1區(qū)域變形量：S=60.75 mm<300 mm

2區(qū)域變形量：S1=110.54 mm<300 mm，S2=107.04 mm<300 mm

3區(qū)域變形量：S=66.04 mm<300 mm

根據(jù)JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》表7.6.4-2規(guī)定，一級公路一般路段的容許工后沉降量小于300 mm。因此滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

3　邊坡穩(wěn)定性分析

考慮到K1+200斷面地形坡度較大，坡角約34°(剖面12-12′～18-18′)，為評價(jià)填土邊坡可能沿現(xiàn)有地形線或基巖面滑動(dòng)的可能性，選取代表性剖面1-1′(道路里程樁號K1+200.00東側(cè))計(jì)算分析。

選用折線滑動(dòng)法計(jì)算模式： 假設(shè)填土沿整平后地形線滑動(dòng)，計(jì)算公式如下：

工況：①自重；②自重+暴雨

計(jì)算參數(shù)見表1。

表1　材料參數(shù)

若按設(shè)計(jì)分別采取1∶2.0、1∶2.0、1∶1.75和1∶1.5四級放坡后，①自重：經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定系數(shù)為1.97，邊坡穩(wěn)定。②自重+暴雨：經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定系數(shù)為1.64，邊坡穩(wěn)定。

4　檢測要求

(1)試樁：在樁正式施工前須進(jìn)行試樁，試樁檢測結(jié)果完成，并經(jīng)我院認(rèn)可后才能進(jìn)行工程樁的施工。

(2)樁身強(qiáng)度檢驗(yàn)，應(yīng)對樁體進(jìn)行取芯試塊強(qiáng)度試驗(yàn)，樁體試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的立方體抗壓強(qiáng)不小于20.0 MPa，數(shù)量不低于總樁數(shù)的2 %且不小于6點(diǎn)。

(3)樁身完整性檢驗(yàn)，可采用低應(yīng)變法進(jìn)行，檢測數(shù)量不低于總樁數(shù)的10 %，并作為靜載選點(diǎn)的依據(jù)之一。

(4)承載力檢測試驗(yàn)宜在施工結(jié)束28 d后進(jìn)行，其樁身強(qiáng)度應(yīng)滿足試驗(yàn)荷載條件；復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)和單樁靜載荷試驗(yàn)的數(shù)量不應(yīng)少于總樁數(shù)的0.5 %，且每個(gè)單體工程的復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)量不應(yīng)少于3點(diǎn)。

5　CFG樁施工工藝

本工程CFG樁擬采用長螺旋鉆機(jī)施工工藝，其優(yōu)點(diǎn)是施工造價(jià)低、設(shè)備行動(dòng)靈活、施工方便、噪音低、無環(huán)境污染，可大規(guī)模同時(shí)作業(yè)，施工工期短、效率高。

樁施工工藝流程為定位放線→樁位測量布置→機(jī)械鉆孔(鉆孔前先沉管)→檢查樁徑及垂直度→鉆孔至設(shè)計(jì)孔深→澆灌樁身混凝土。

6　結(jié)論

(1)以復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)看，本道路工程復(fù)合地基的承載力得到大幅度的提高，地基變形得以降低和控制。

(2)由于CFG樁系高粘結(jié)強(qiáng)度的水泥粉煤灰碎石樁，其剛性樁性狀明顯，不配鋼筋，并可充分發(fā)揮樁間土的承載力，工程造價(jià)僅為樁基的 1/3～1/2，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

(3)本文根據(jù)道路的填方高度不同，對道路的直接路堤和道路護(hù)堤土采取分別設(shè)計(jì)，較大地節(jié)約了工程造價(jià)。