CFG樁在鐵路軟土路基中的應(yīng)用研究

【摘要：】文章通過分析CFG樁加固軟土地基原理，介紹了CFG樁設(shè)計參數(shù)確定方法，并依托某鐵路軟土路基工程，從材料選擇、配合比設(shè)計、施工工藝、質(zhì)量檢測等方面研究了CFG樁處治軟土路基的應(yīng)用技術(shù)。工程應(yīng)用結(jié)果表明，CFG樁處治鐵路軟土路基效果良好，滿足設(shè)計規(guī)范要求，具有較強的適應(yīng)性。

【關(guān)鍵詞：】鐵路工程;軟土路基;CFG樁;加固機理;工程應(yīng)用

U213.1+5A581914

0 引言

近年來，隨著我國鐵路網(wǎng)密度逐漸增大，線路穿越淤泥、雜填土、湖岸等軟弱土地區(qū)的比重不斷提高[1-2]，建設(shè)難度也隨之提高，尤其是高速鐵路。軟土工程技術(shù)性質(zhì)差，天然含水率高，承載能力低，固結(jié)性差[3-5]，若軟土處治不當就立即填筑路堤填料，在鐵路運營階段路基易產(chǎn)生不同程度的沉降，危害列車運行安全，增加路基養(yǎng)護維修成本。因此，提高軟土地基承載能力是減少路基沉降、保證列車安全舒適運行的重要前提。

隨著軟土路基處治技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)驗的積累，針對軟土路基地質(zhì)條件、承載力及施工環(huán)境選擇合適的處治措施是十分關(guān)鍵的。鑒于此，本文依托某高速鐵路對CFG樁加固軟土地基開展系統(tǒng)性研究，可為軟土地區(qū)高速鐵路地基處治提供建設(shè)性意見。

1 CFG樁加固軟土路基

1.1 CFG樁加固軟土路基原理

水泥粉煤灰碎石樁（Cementflyashgravel Pile，簡稱“CFG樁”）是由水泥、粉煤灰、碎石和石屑或砂經(jīng)加水充分拌和后形成具有一定膠結(jié)強度的樁，較碎石樁剛度有所提高，且與土體間的側(cè)向摩阻力大大提高，能顯著解決碎石樁、水泥攪拌樁承載能力低、處理深度淺的問題，在黏性土、粉土等軟弱地基中應(yīng)用廣泛[6-9]。另外，CFG樁與樁間土、褥墊層共同組成復(fù)合地基，可進一步加固路基。其組成形式如圖1所示。當路基受到列車和路基自重產(chǎn)生的垂直荷載時，樁間土和CFG樁因荷載作用產(chǎn)生變形，而CFG樁剛度高，其變形量低于土體變形量，可通過褥墊層抵消樁向上的作用力，且樁間土變形量利用墊層材料進行補充，從而增大樁間土和CFG樁的承載力。

CFG樁復(fù)合地基各組成部分作用機理如下：

（1）褥墊層。這是CFG樁復(fù)合地基的重要組成部分，可對路基所受的垂直荷載調(diào)整分布，均勻傳遞給樁和樁間土，且抵消樁體的反向作用力，改善樁和樁間土的受力狀態(tài)。樁體以承擔豎向垂直荷載為主，褥墊層的設(shè)置輔助樁間土抵抗水平荷載，減少水平荷載對樁體的影響，避免樁體斷裂，且隨褥墊層厚度增加，樁體承擔豎向荷載比例提高，水平荷載比例降低，而樁間土則相反。

（2）CFG樁。這是CFG樁復(fù)合地基承擔豎向垂直荷載的主要部分，至少承擔鐵路45%～75%的荷載作用力[8-9]，其單樁承載力主要由樁側(cè)向摩阻力和樁端阻力構(gòu)成。在路基自重及列車荷載作用下，樁體出現(xiàn)下沉，與樁間土形成相對位移，樁側(cè)向摩阻力逐漸發(fā)揮作用，使樁體和樁間土共同承擔荷載作用力。另外，樁體還起到擠密土體的作用。

（3）樁間土。這是CFG樁復(fù)合地基承擔外部荷載的重要部分。樁體施工過程中，樁間土受到擠密作用，其承載能力提高，且樁體側(cè)向摩阻力增加，對樁體起到一定約束作用，從而改善樁體整體使用性能。在褥墊層對外部荷載的調(diào)整分布作用下，樁間土和樁體按照一定荷載分布比例共同承擔外部荷載作用，構(gòu)成復(fù)合地基，保證路基的整體穩(wěn)定性。

1.2 CFG樁設(shè)計參數(shù)

在鐵路軟土路基處治中，CFG樁設(shè)計主要確定樁長、樁徑、樁間距、樁體強度及材料、墊層材料及厚度等參數(shù)[10]。

（1）樁長。樁長由工程建筑物設(shè)計要求（承載力和變形）、巖土資料及工藝設(shè)備等因素確定，一般情況下CFG樁樁端設(shè)在持力層下1.0～1.5 m。

（2）樁徑及樁間距。樁徑及樁間距的確定需考慮路堤填筑高度、列車荷載、復(fù)合地基承載力、地質(zhì)材料及施工設(shè)備等因素。樁徑一般為400～600 mm;樁間距一般為3～5倍樁徑，宜采用正三角形、正方形或矩形布置。

根據(jù)CFG樁復(fù)合地基工作機制，可按式（1）估算地基承載力：

CFG樁在鐵路軟土路基中的應(yīng)用研究/趙峰光

σsp=mPAp+β1-mσs（1）

式中：σsp——復(fù)合地基承載力（kPa）;

m——面積轉(zhuǎn)換率;

[P]——單樁豎向容許承載力（kN）;

Ap——樁身截面面積（m2）;

β——樁間土承載力折減系數(shù);

σs——地基處治后樁間土容許承載力（kPa）。

單樁豎向容許承載力[P]按式（2）計算：

[P]=Pmax/2U∑ni=1qili+Apqp （2）

式中：U——樁身截面周長（m）;

qi、qp——第i層樁間土容許側(cè)阻力、樁尖地層容許端阻力（kPa）;

li——第i層土的厚度（m）。

（3）樁體強度及材料。無側(cè)限抗壓強度是控制樁體質(zhì)量的重要指標，其抗壓強度平均值應(yīng)滿足式（3）要求。

Pf≥3[P]/Ap （3）

式中：Pf——邊長150 mm的立方體試件室內(nèi)標準養(yǎng)護28 d抗壓強度平均值（MPa）。

CFG樁由水泥、粉煤灰、碎石和石屑或砂經(jīng)加水拌和后形成。水泥一般選用42.5級及以上強度等級的普通硅酸鹽水泥，粉煤灰宜選Ⅲ級及以上等級的粉煤灰，碎石、石屑和砂應(yīng)滿足技術(shù)要求和相應(yīng)級配設(shè)計要求。當混凝土泵送性不滿足施工要求時，可摻入適量的泵送劑。

（4）墊層材料及厚度。樁頂應(yīng)設(shè)置加筋墊層，增強整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。墊層材料一般選用砂礫石、碎石等，最大粒徑≤30 mm，墊層厚度宜取300～600 mm?？筛鶕?jù)墊層厚度設(shè)置擴大樁頭或樁帽。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某新建高速鐵路項目DK435+675～DK435+749段為軟土路基，場地表層覆蓋有4～16 m黏土，硬塑性，具有弱膨脹性，表層以下為斷層角礫巖、白云巖、泥質(zhì)白云巖、泥巖強風化層、弱風化層。地質(zhì)資料揭示，下伏基巖巖溶強烈發(fā)育，溶隙、溶縫、溶蝕破碎帶發(fā)育，巖體溶蝕破碎嚴重。

結(jié)合工程建設(shè)標準及地質(zhì)條件、工藝設(shè)備等因素，軟土路基段設(shè)計單樁承載力≥300 kN，設(shè)計強度≥10 MPa，樁長為16～20 m，樁徑均為500 mm，樁間距為1.8 m，呈正三角形布樁。褥墊層材料采用級配碎石，厚350 mm。

2.2 水泥粉煤灰混凝土配合比設(shè)計

2.2.1 原材料

水泥選用海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥;粉煤灰選用Ⅰ級粉煤灰;細骨料選用中砂，細度模數(shù)為2.68;粗骨料選用級配碎石。水選用自來水。

2.2.2 配合比設(shè)計方案

水泥粉煤灰混凝土配合比設(shè)計如表1所示。按《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011）容重控制法設(shè)計水泥粉煤灰混凝土配合比，根據(jù)室內(nèi)試塊28 d抗壓強度和抗折強度優(yōu)選混凝土配合比。試驗設(shè)計混凝土總?cè)葜貫? 350 kg/m 水膠比為0.85，粉煤灰摻量為0、15%、30%、45%、60%。粉煤灰摻量為粉煤灰質(zhì)量與膠凝材料質(zhì)量的比值。

2.2.3 試驗結(jié)果

不同配合比的水泥粉煤灰混凝土28 d抗壓強度和抗折強度如表2所示。試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。折壓比為水泥粉煤灰混凝土抗折強度與抗壓強度之比。

由表2可知，水泥粉煤灰混凝土力學強度隨粉煤灰摻量增加逐漸降低，且抗折強度較抗壓強度降低量小，說明混凝土摻入粉煤灰后抗壓強度降低較顯著。粉煤灰摻量從0增加至15%，混凝土力學強度降低量最小，抗壓強度和抗折強度分別降低1.52 MPa、0.3 MPa;粉煤灰摻量從45%增加至60%，混凝土強度降低量次之;粉煤灰摻量從15%增加至45%，混凝土力學強度降低顯著，粉煤灰摻量每增加15%，抗壓強度和抗折強度平均分別降低5.91 MPa、1.68 MPa。另外，隨粉煤灰摻量增加，混凝土折壓比基本不變，即不同配合比的混凝土韌性相當。對此，建議選用F-15配合比。

2.3 CFG樁成樁及檢測

2.3.1 CFG樁成樁

施工工藝：

（1）樁機就位。結(jié)合地面設(shè)計標高清除壓實地表土，利用全站儀放樣并核實樁位，樁機按設(shè)計樁位就位，校核塔身和鉆桿垂直度。

（2）沉管。先進行靜壓沉管，當靜壓不足時，啟動振動錘，采用振動加壓沉管，直至設(shè)計深度。

（3）混凝土攪拌及灌注。按室內(nèi)試驗確定的配合比拌和混合料，設(shè)置拌和時間為120 s?；炷凉嘧⑶?，應(yīng)檢測坍落度，坍落度宜控制在100～160 mm，并對澆筑的混合料成型150 mm×150 mm×150 mm的抗壓強度試塊。

（4）拔管。混凝土加滿料斗后，振動5～10 s使混凝土密實，再添加混凝土至料斗頂面，邊振動邊拔管，拔管速度控制在0.8～1.2 m/min。樁頂標高應(yīng)比設(shè)計標高超出50 cm。

（5）樁機移位。以上施工完成后，樁機移至下一樁位，重復(fù)上述施工步驟。

2.3.2 CFG樁質(zhì)量檢測

CFG樁養(yǎng)生齡期達到28 d后，選用單樁豎向抗壓靜載試驗和芯樣抗壓強度評價CFG樁質(zhì)量。單樁承載力如表3所示，沉降變化規(guī)律如圖2所示，芯樣抗壓強度如表4所示。靜載試驗最大荷載為600 kN，共檢測2根樁。芯樣抗壓強度按式（4）計算。

fcu=4·P/（π·d2） （4）

式中：fcu——芯樣抗壓強度，取0.1 MPa;

P——芯樣破壞時荷載（N）;

d——芯樣平均直徑（mm）。

由表3、表4可知，樁頂總沉降量<40 mm，Q-s曲線平緩光滑，無明顯陡降變化，故取最大加載值的一半為單樁豎向容許承載力，即300 kN，單樁承載力滿足設(shè)計要求。另外，芯樣抗壓強度均大于設(shè)計強度10 MPa，即抗壓強度滿足設(shè)計強度要求，且芯樣呈柱狀，斷口吻合，骨料分布均勻。

綜上，按以上CFG施工工藝成型的樁身骨料分布均勻、完整連續(xù)，且單樁承載力和抗壓強度滿足設(shè)計要求，因此CFG樁復(fù)合地基設(shè)計參數(shù)及施工工藝可應(yīng)用于DK435+675～DK435+749段軟土路基處治施工。

3 結(jié)語

本文對CFG樁加固軟土地基工作原理及設(shè)計參數(shù)進行了說明，并依托某高速鐵路軟土路基段進行試樁試驗，從材料選擇、配合比設(shè)計、施工工藝、質(zhì)量檢測等方面研究了CFG樁處治鐵路軟土路基的應(yīng)用技術(shù)。工程應(yīng)用結(jié)果表明，采用CFG樁處治軟土路基效果良好，沉降量低，滿足設(shè)計規(guī)范要求，且樁身骨料分布均勻、完整連續(xù)，具有較強的適應(yīng)性。

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