福平铁路软土路基CFG桩加固实验研究

刘俊俊　黄新智　任　昆　全健健

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州　730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点试验室，甘肃兰州　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

福平铁路软土路基CFG桩加固实验研究

刘俊俊1，2黄新智1，2任昆1，2全健健1，2

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点试验室，甘肃兰州730070)

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

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

摘要基于福平铁路软土路基的工程背景，通过现场CFG桩低应变检测和单桩载荷试验，分析福平铁路软土路基CFG成桩质量和加固效果，现场桩体最大沉降量为18.23 mm，最大回弹量为8.12 mm，回弹率为44.5%，该结果符合规范和相关标准。通过ANSYS有限元软件对实际工程进行简化模拟，加载后最大沉降量为23.17 mm，该结果与实际值(18.23 mm)能较好吻合。

关键词福平铁路软土路基CFG桩地基加固

近年来，随着我国滨湖和沿海地区基础建设的进一步深入，越来越多的交通工程将修建在软土路基上，软土的压缩性高、透水性差、含水量大、强度低等问题日益突出。针对软土问题，国内外学者进行了大量的研究工作。其中赵明华[1]等对软土路基固结沉降机理及其预测方法进行了深入的讨论，揭示了软土路基沉降发展规律及其特点。在轨道结构方面，地基处理和沉降控制逐渐成为软土地区交通工程建设的关键技术问题[2-4]。在众多的软土路基处理方法中，CFG桩由于其特殊的加固机制[5]和其技术成熟、施工速度快、质量易控和经济效益明显等优点[6]，逐渐受到人们的青睐。

1工程及试验段地质概况

1.1　工程概况

新建福(福州)平(平潭)铁路属双线铁路，自动控制，电力牵引，途中跨越海峡，共设6个站(福州站-福州南站-长乐站-长乐东站-松下站-平潭站)，总长88.433 km，速度目标值为200 km/h，以国铁I级标准由中铁第四勘察设计院进行设计，试验所在的福平铁路FPZQ-4标段由中国铁建大桥工程局集团有限公司进行施工，建成后将福州与平潭综合实验区以铁路连接起来，为两地的发展注入新的动力，通车后福州到平潭仅需0.5 h即可到达。

1.2　试验段地质概况

以福平铁路平潭岛上FPZQ-4标DK82+075～DK82+275段为实验对象。岩土工程勘察报告表明，该场地地层结构自上而下共划分为：

(1)地表细砂，淡黄色，稍湿，稍密，Ⅰ级饱和松土，σ0为90 kPa，厚度4～4.8 m。

(2)泥炭质土，软-流塑态，Ⅰ级饱和土，σ0=50 kPa，厚约0.8 m。

(3)黏土，可塑态，Ⅱ级，σ0为120 kPa，厚约2.2 m。

(4)中砂，淡黄色，中密-密实，Ⅰ级饱和土，σ0为150 kPa，厚约2.8 m。

(5)粉质黏土，软塑态，Ⅱ级，σ0为100 kPa，厚约5.1 m。

(6)花岗岩，全风化，Ⅲ级，σ0为250 kPa。

2现场CFG桩低应变检测

2.1　检测设备及过程

采用低应变反射波法进行检测，检测CFG桩的成桩质量和桩身完整性，分析桩身缺陷情况。使用的仪器设备应满足《基桩动测仪》JG/T3055的相关规定。根据桩径的不同，在桩中心两侧对称布置2个检测点；每个检测点记录3个有效信号。

采用的低应变反射波检测仪器为美国PDI公司研制的PIT-V动测仪。检测设备及检测过程见图1，用力锤以一定的力度和频率敲击受检桩，桩中的应力波向下传递，当桩体截面发生变化或变化存在明显的波阻抗界面时，该处会产生反射波，通过桩顶传感器将反射波信号传回检测仪器，再经过信号处理和数据分析，来判定成桩质量和桩身的完整性。

2.2　检测结果分析

在DK82+075～DK82+275段共对166根CFG桩进行了低应变检测。检测结果表明，由于在桩头开挖过程中大型机械的影响，使得该段CFG存在少量的Ⅱ类和Ⅲ类桩，且缺陷位置多处于桩顶下1～2 m处，属浅部缺陷。总之，该段CFG桩桩体质量合格，符合相关规范标准，且该段软土层对CFG桩的成桩质量基本无不良影响，CFG桩低应变检测典型曲线如图2所示。

3CFG桩单桩载荷试验

3.1　加载方式

现场单桩载荷试验采用慢速维持荷载法，分10级加载和5级卸载，用自动油泵千斤顶逐级施加荷载，每级加载量为60 kN，卸载量为120 kN。由箱梁搭成堆载平台，堆载混凝土块和箱梁自重共同提供反力，施加的最大荷载重量为700 kN。

3.2　荷载及沉降测量

通过压力传感器将荷载的压力信号转化为电信号，传递到测试仪进行量测记录；通过均匀布置于钢板上方的的4个位移传感器来采集桩体沉降数据，不同位移传感器采集的数据通过不同的通道传递回测试仪，测试仪自动记录桩体沉降并进行数据处理。

在DK82+075～DK82+275试验段中选择DK82+175、DK82+200、DK82+250断面处进行单桩荷载检测，共计3根桩，试验采用原位桩。结果表明，3根单桩承载力均满足设计要求的300 kN。其中DK82+175处单桩荷载结果为：最大沉降量为18.23 mm，最大回弹量为8.12 mm，回弹率44.5%，Q-S曲线如图3所示。

4数值模拟

利用ANSYS有限元软件进行数值模拟，为了方便接触单元的设置和网格的划分，将三维问题简化为二维平面问题，将土层简化为上下两层土，具体参数设置为：桩长13 m，桩径0.5 m，容重20 kN/m3，泊松比为0.2；表层土厚8 m，弹性模量为15 MPa，容重15 kN/m3，泊松比为0.38，c=149.1 kPa，内摩擦角为23.8°；底层土厚6 m，弹性模量为30 MPa，容重17.5 kN/m3，泊松比为0.37，c=160.7 kPa，内摩擦角为33°，摩擦系数0.35。

考虑到对称性，取1/2桩侧土体进行分析，土体边界距桩3.5 m(6d，d为桩径)，桩土模型侧面施加水平约束，底部为固定约束，上部为自由端，建立有限元模型(如图4所示)。

加载后的桩体最大沉降量为23.17 mm，应力图如图5所示。

5结论

(1)利用设计尺寸的CFG桩加固处理福平铁路软弱路基，能较好地满足路基承载力和变形要求，成桩质量稳定，加固效果明显。

(2)通过ANSYS有限元软件模拟的沉降结果(23.17 mm)以及现场单桩载荷试验的沉降结果(18.23 mm)对比，两者能较好吻合，同时也从不同角度说明了CFG桩在软弱路基加固处理中能够有效地控制变形沉降。

参考文献

[1]赵明华，杨明辉，刘煜，等.软土路基固结沉降机理及其预测方法研究[J].铁道科学与工程学报，2005，2(4):16-20

[2]詹学启，郭建湖.武广铁路客运专线乌龙泉至韶关段无砟轨道路基过渡段设计[J].铁道建筑，2010(1):106-110

[3]孙红林，李丹.京沪高速铁路路基工程主要技术标准研究[J].铁道建筑，2009(7):5-10

[4]赵静.高速客运专线天然黄土地基工后沉降数值模拟[J].科学技术与工程，2012(5):3362-3366

[5]任鹏，邓荣贵，于志强.CFG桩复合地基试验研究[J].岩土力学，2008，29(1):81-87

[6]林晖.CFG桩复合地基土分担荷载比研究[J].土工基础，2004，18(14):50-53

中图分类号：U213.1+5

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)05-0044-03

作者简介：第一刘俊俊(1990—)，男，硕士研究生。

收稿日期：2015-04-27