CFG樁在淤泥質(zhì)土中的配合比改進(jìn)實(shí)踐

汪旻磊

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 概述

1.1 CFG樁簡(jiǎn)介

CFG樁即水泥粉煤灰碎石樁，主要的軟土加固原理是利用振動(dòng)打樁機(jī)擊沉300～600 mm樁徑的樁管，在管內(nèi)一邊振動(dòng)一邊填充由粉煤灰、碎石、水、水泥按一定比例配合而成的材料，在管內(nèi)形成半剛性的樁體，與樁頂褥墊層和原地基形成復(fù)合地基，從而達(dá)到減少沉降、提高地基承載力的效果。也可通過(guò)長(zhǎng)螺旋鉆成孔，鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后停止鉆進(jìn)并泵送混合料。

1.2 CFG樁適用范圍

1.2.1 適用的地質(zhì)條件

CFG樁法屬于擠密、置換法。主要適用于處理黏性土、粉土、沙土和樁端具有相對(duì)硬土層、承載力標(biāo)準(zhǔn)值不低于70 kPa的淤泥質(zhì)土、非欠固結(jié)人工填土等地基情況。

1.2.2 適用的構(gòu)筑物條件

CFG樁因其較為靈活的配合比，對(duì)于各種環(huán)境均具有較好的適應(yīng)性，在市政道路橋梁、建筑物及各種管線基礎(chǔ)的施工中有著較為廣泛的應(yīng)用。

1.2.3 CFG樁在厚淤泥質(zhì)土路基中改良問(wèn)題的背景由來(lái)

CFG樁在小型構(gòu)筑物、各類管線、涵洞基礎(chǔ)中均有較大范圍的應(yīng)用，在福建沿海部分地區(qū)甚至成了主流的軟基樁基礎(chǔ)類的處理措施。福建地區(qū)尤其是東南部沿海區(qū)域水網(wǎng)密集，地質(zhì)情況中受河水沖刷和淤積影響，表面層常為2～3 m的黏土層，其下則普遍存在由一層或多層8～12 m的淤泥或淤泥質(zhì)土。CFG樁在樁身強(qiáng)度，水泥、粉煤灰和水的配合比上均有較高的靈活性，如何調(diào)整和改良CFG樁身配合比，使之更能適應(yīng)淤泥和淤泥質(zhì)土較厚的地質(zhì)環(huán)境，并在工程經(jīng)濟(jì)性、施工質(zhì)量、實(shí)際使用效果之間取得較好的平衡。

2 CFG樁配合比的相關(guān)計(jì)算

CFG樁的配料一般應(yīng)根據(jù)成樁相關(guān)要求、混合料坍落度和樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度確定；樁體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)取28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

（1）水量W。由坍落度具體適配確定，一般從當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)水量為基礎(chǔ)開(kāi)始調(diào)試。

（2）一般水泥用量計(jì)算：

式中：fcu為混合料28 d強(qiáng)度，MPa，由150 mm的立方體試塊測(cè)得；為水泥強(qiáng)度，MPa；C為單方水泥用量，kg；W為單方用水量，kg。

（3）粉煤灰用量F：

（4）石屑用量G1和碎石用量G2：

式中：G1為單方石屑用量，kg；G2為單方碎石用量，kg；λ為石屑率，通常取值范圍為0.25～0.33。

3 工程現(xiàn)場(chǎng)CFG樁樁體配合比試驗(yàn)及試樁結(jié)構(gòu)分析

3.1 工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)標(biāo)高情況

福建的某市政道路工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)分布和物理參數(shù)情況見(jiàn)表1。

表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 工程現(xiàn)場(chǎng)CFG樁基本參數(shù)及布置方案

3.2.1 樁基布置方案

樁徑0.5 m，有效樁長(zhǎng)14 m（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及地質(zhì)情況有一定幅度的變化）。樁距2.0 m，采用梅花形布樁；CFG樁類型仍屬于加固土樁、摩擦樁。樁端持力層選用粉質(zhì)黏土層。樁身強(qiáng)度要求同C15水泥混凝土。

3.2.2 樁基參數(shù)計(jì)算

（4）樁身強(qiáng)度檢驗(yàn)：Rp2=ηquAp=0.4×6.9×106×0.252×π=542（kN），顯示采用 C15等級(jí)以上的水泥混凝土強(qiáng)度，并可滿足摩擦樁所需要的單樁承載力強(qiáng)度需要。

3.3 工程現(xiàn)場(chǎng)試樁檢驗(yàn)情況

3.3.1 初步試驗(yàn)

工程先期采用滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度C15進(jìn)行試樁。試樁樁位布置按照設(shè)計(jì)要求采用不小于4排的梅花形，樁間距2.0 m。試樁配合比見(jiàn)表2。

表2 試樁配合比

CFG樁施工方法采用振動(dòng)灌注樁施工工藝，嚴(yán)格按照混凝土配合比進(jìn)行配料。振動(dòng)成管的混合料坍落度控制在70～90 mm，成樁后樁頂?shù)母{厚度不大于200 mm。拔管按照勻速控制在0.6～0.8 m/min，在淤泥層拔管速度施工放慢。

3.3.2 初步試樁結(jié)果

（1）試塊強(qiáng)度?，F(xiàn)場(chǎng)留置的3塊試塊其28 d強(qiáng)度為 17.2 MPa、17.0 MPa、21.1 MPa。

（2）樁身完整性。28 d后樁身取芯報(bào)告則顯示在所有C15強(qiáng)度試樁樣本中，僅有20%的試樁樣本達(dá)到Ⅰ類樁（樁身完好），而剩余80%的試樁樣本則處于Ⅲ、Ⅳ類樁（樁身存在明顯或者嚴(yán)重缺陷，對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有較大影響）。樁身完整性檢測(cè)結(jié)果顯示C15強(qiáng)度試樁整體成樁率低，未能達(dá)到要求。

（3）樁身承載力。C15強(qiáng)度試樁樣本要求達(dá)到的最大試驗(yàn)荷載為660 kN。試驗(yàn)中每級(jí)荷載增量為66 kN，當(dāng)最大荷載加載至396 kN時(shí)，沉降-荷載曲線呈緩變形，樁頂總沉降達(dá)到72.8 mm，遂停止加載，樁體豎向抗壓極限承載力取沉降等于40 mm時(shí)的最大荷載值316 kN，未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的單樁極限荷載660 kN的要求。

3.4 結(jié)果分析與改進(jìn)措施

3.4.1 結(jié)果分析

原設(shè)計(jì)要求工程CFG強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到樁身C15級(jí)別強(qiáng)度，但通過(guò)現(xiàn)狀實(shí)際試樁結(jié)果卻不令人滿意。在與CFG成樁效果相關(guān)的幾項(xiàng)試驗(yàn)中，除復(fù)核地基承載力基本滿足要求外，樁身完整性檢測(cè)和單樁承載力均未能達(dá)到原設(shè)計(jì)要求。

從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，C15試樁樣件問(wèn)題主要為成樁的完整性不足，并且由于樁身完整性缺陷，致使試樁樣本的單樁承載力受到損失。

通過(guò)對(duì)試樁樣本和成樁過(guò)程的觀察記錄，發(fā)現(xiàn)C15試樁樣件在成樁過(guò)程中存在一定的離析現(xiàn)象，即骨料與砂漿分離?？紤]到工程所在區(qū)域較厚的淤泥和淤泥質(zhì)土地質(zhì)層，在成樁后的拔管過(guò)程中易對(duì)樁體混合料產(chǎn)生影響，土層較高的含水量進(jìn)一步加劇了樁體混合料和易性不良的問(wèn)題，致使出現(xiàn)樁體散體和斷樁問(wèn)題。

3.4.2 改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)試樁問(wèn)題的分析及查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料后，明確了以提高樁體混合料和易性為主要的改進(jìn)方向。結(jié)合現(xiàn)狀為淤泥質(zhì)土的地質(zhì)條件對(duì)現(xiàn)狀結(jié)合料的影響，最終明確了以調(diào)整CFG樁配合比、提高樁體混合料中水泥摻量、減少粉煤灰摻量的調(diào)整方案，以期能在加強(qiáng)混合料和易性的同時(shí)進(jìn)一步提高樁體自身的強(qiáng)度等級(jí)。新試驗(yàn)的樁身強(qiáng)度采用C20、C25強(qiáng)度。C20、C25強(qiáng)度的試樁配合比見(jiàn)表3。

表3 C20、C25強(qiáng)度的試樁配合比

3.5 改進(jìn)后的試樁結(jié)果

（1）試塊強(qiáng)度。C20的現(xiàn)場(chǎng)留置試塊28 d強(qiáng)度值為 23.0 MPa、22.1 MPa、31.2 MPa；C25 試塊 28 d強(qiáng)度值為 27.6 MPa、26.6 MPa、39 MPa。

（2）樁身完整性。28 d后樁身取芯報(bào)告則顯示在所有C20強(qiáng)度試樁樣本中，85%的試樁樣本達(dá)到Ⅰ類樁（樁身完好），15%的試樁樣本為Ⅳ類樁；C25強(qiáng)度樣本全部達(dá)到Ⅰ類樁。C20、C25強(qiáng)度下的樁身完整性有顯著提升，能符合設(shè)計(jì)和施工要求。

（3）樁身承載力。在改善樁身混合料配合比、提高樁身強(qiáng)度、保證樁身完整性后，C20試樁和C25試樁最大荷載均加至660 kN，試驗(yàn)進(jìn)展順利未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，見(jiàn)表4。

（4）復(fù)合地基承載力。C20強(qiáng)度試樁強(qiáng)度已能充分滿足設(shè)計(jì)和施工要求的復(fù)合地基承載力130 kPa，見(jiàn)表5。

表4 單樁承載力檢測(cè)（靜載試驗(yàn)）結(jié)果表

表5 復(fù)合地基承載力表

4 結(jié)語(yǔ)

CFG樁在市政工程設(shè)計(jì)中具有施工工藝較容易掌握、施工效果良好等優(yōu)點(diǎn)，在工程中具有廣泛的應(yīng)用，但CFG樁性能受其成樁效果影響較大。在我國(guó)東南沿海地區(qū)存在廣泛的淤泥質(zhì)土和淤泥分布，在樁體施工過(guò)程中，會(huì)對(duì)CFG樁混合量的和易性和樁身完成性產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響整體CFG樁的性能效果。針對(duì)上述情況，依據(jù)該工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可通過(guò)改良CFG樁各項(xiàng)成分的配合比，增加水泥含量、減少粉煤灰含量來(lái)加強(qiáng)樁身整體強(qiáng)度，提高混合料和易性，但需注意避免水泥含量過(guò)高造成整體混合料流動(dòng)性變差可能引起堵管的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)工程實(shí)踐克制，相較于傳統(tǒng)C15強(qiáng)度樁長(zhǎng)，C20～C25強(qiáng)度的CFG樁在淤泥和淤泥質(zhì)土較厚的區(qū)域更能保證樁基的整體效果，考慮到工程經(jīng)濟(jì)型因素，此次工程選用C20強(qiáng)度作為最終的樁身強(qiáng)度。其他工程亦可在該工程實(shí)踐基礎(chǔ)上結(jié)合各自特點(diǎn)進(jìn)一步有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整，以最大程度發(fā)揮CFG在工程中的作用。本文為CFG樁在淤泥質(zhì)土中的配合比調(diào)整實(shí)踐提供了一次有益的嘗試。