CFG桩处治软土地基效果分析

田 静

(山西交科公路勘察设计院有限公司,山西 太原 030012)

0 引言

CFG桩复合地基是一种常见的软土地基处治方法,其具有施工速度快、施工工艺简单、处治效果好、施工成本低等技术优势[1-2]。但在CFG桩施工过程中,由于选用的原材料配合比控制不当会出现堵管、桩间距布置不合理导致串孔、甚至施工过程控制不当造成断桩等严重质量问题[3-4]。因此,不仅要在施工过程中做好质量管理,还要在完工后做好质量检验,确定处治效果。文章以某高速公路软土地基CFG桩加固处治为研究背景,通过现场监测确定施工方案的合理性,并在完工后对单桩复合地基承载力、桩土应力比进行检测,同时在施工过程中和完工后开展变形监测,观测地基的水平位移和竖向沉降,综合分析确定处治效果。

1 工程概况

某高速公路设计全长36 km,采用双向四车道,设计车速为80 km/h。公路沿线有多座桥梁、隧道,整体式路基设计宽度为24.5 m,单幅分离式路基宽度为12.25 m。在道路沿线分布有多处软土地基,地基土含水率高、承载力差,软土地基深度为7.5～14.5 m。地基土在外部荷载作用下易产生变形,各路段根据现场地质情况和水文情况制定方案进行加固。本文选取K9+325～K9+537段作为研究对象,该路段软土地基上部主要为软塑、可塑粉质黏土,下部为粉砂质泥岩、泥质砂岩,软土地基厚度为4.5～8.0 m。粉砂质泥岩为强风化(厚度为3～6 m),岩体结构破碎,泥质砂岩自上而下为强风化、中风化、微风化。为提高软土地基承载力,拟采用CFG桩进行加固处理。

2 软土地基CFG桩处治方案

K9+325～K9+537段软土地基采用CFG桩处治,设计桩径为0.5 m,采用正方形布置,桩距为1.5 m,长度为8.5～15 m,置换率为0.087,并深入持力层1 m以上。原材料选用P.O 42.5R普通硅酸盐水泥,粉煤灰等级为Ⅲ级或Ⅲ级以上,20～50 mm碎石和石屑。桩体混凝土配合比为水泥∶粉煤灰∶石屑∶碎石=1∶1.528∶3.532∶8.786,28 d抗压强度≥12 MPa。桩顶上填30 cm厚粗砂层,其上部摊铺40 cm厚碎石垫层,并铺设双向土工格栅。CFG桩桩位布置如图1所示。

图1 CFG桩桩位布置示意图

3 CFG桩复合地基软土地基加固效果分析

3.1 单桩复合地基承载力

K9+325～K9+537段软土地基CFG桩加固后,拟采用静载试验检测单桩复合地基承载力。该路段地基承载力要求≥200 kN,本试验选用荷载板为φ1.42 m的圆形钢板,最大加载值为400 kN,分9级加载,一级加载为80 kN,而后每级加载递增40 kN。加载前后使用百分表记录沉降量,而后每30 min记录一次数据,本级加载60 min内沉降量≤0.1 mm,即可进行下一级加载。卸载分5级,每级间隔90 min,卸载过程中读取回弹量。分级加载和卸载过程中记录加载时间和累积沉降量,选取K9+405断面静载试验结果作为研究对象,收集检测数据绘制P-s曲线如图2所示。

图2 K9+405断面静载试验P-S曲线图

分析图2静载试验数据和曲线变化趋势,随着试验荷载的增加,监测前期累积沉降量增加速率大体一致,加载到第7级(320 kN)累积沉降量增加速率变缓,加载后累积沉降量达到46.24 mm;卸载后累积沉降量下降到40.02 mm,回弹率为13.45 %,回弹量较小。根据设计文件,地基总沉降量为57.6 mm,第9级(400 kN)加载后最大沉降量为46.24 mm,低于设计值,满足设计要求。

根据《公路工程基桩检测技术规程》(JTGT 3512-2020)的相关规定,取s/d=0.01对应的荷载为复合地基承载力特征值,该测点地基承载力特征值为0.36 MPa。结合其他测点单桩复合地基承载力检测结果,得出10个测点复合地基承载力特征值,最小值为0.35 MPa,最大值为0.42 MPa,平均值为0.36 MPa。由于各测点复合地基承载力特征值极差(0.07 MPa)不超过平均值的30%,因此取平均值(0.36 MPa)作为该路段的复合地基承载力特征值。根据设计要求,处治后地基承载力≥0.32 MPa,满足设计要求。

3.2 桩土应力比

选取K9+400、K9+500两个监测断面作为研究对象,在静载试验过程中开展桩土应力比试验。通过在桩顶和桩间土布置土压力盒,在各级试验荷载下检测桩顶和桩间土的土压力。收集试验数据,通过分析确定各级荷载下两个监测断面的桩土应力比如图3所示。

图3 各级荷载下桩土应力比变化曲线图

分析图3可知,试验荷载从0 kPa增加到280 kPa,桩土应力比与荷载总体呈正比例增长,试验荷载超过280 kPa,桩土应力比随试验荷载增加而下降。分析原因是在达到这一试验荷载前,主要由桩体承受荷载,超过这个荷载后由桩间土和桩体共同承受荷载,桩间土承载性能得到了充分发挥。

3.3 路基工后沉降监测与稳定性分析

CFG桩完工后,分别在路基中心、路肩和边坡位置设置布设沉降板、底边水平位移桩(边桩),对路基水平位移和沉降进行监测,沉降板和边桩布置如图1所示。施工期间每填筑一层监测一次,完工后根据地基变形情况,半月或一个月监测一次,通车后每月监测一次。本文选取C1、C2、C3、C4四个测点监测结果作为研究对象,其中C1点位于路基中心位置,C2、C3点位于路肩部位,C4点位于边坡外3 m位置,监测60 d后路面施工完成。收集各测点监测数据绘制各测点水平位移和工后沉降量随时间变化曲线如图4和图5所示。

图4 路基水平位移随时间变化曲线图

图5 路基竖向沉降随时间变化曲线图

分析图4可知,路基在施工期间各测点水平位移变形量较大,监测80 d以后各测点变形量明显下降,并逐步趋于稳定。施工期间水平位移变形速率较大,C1、C2、C3、C4四个测点沉降速率分别为0.04 mm/d、0.05 mm/d、0.05 mm/d和0.06 mm/d,工后变形速率下降至0.002 mm/d左右,监测完成后基本趋于稳定。

分析图5可知,路基在施工阶段随监测时间的增加沉降量不断增加,后期变形速率逐渐趋缓,并逐步达到稳定。在施工阶段,由于受到施工荷载和路基土自重的影响,路基沉降量增速快,C1、C2、C3、C4四个测点沉降速率分别为0.11 mm/d、0.13 mm/d、0.14 mm/d和0.16 mm/d。完工后竖向沉降变化速率逐步趋缓,并在监测120 d后基本趋于稳定。施工期间沉降速率较大,完工后沉降速率较低。路基中心部分沉降量最小,路基边坡外3 m沉降量最大,路肩位置居中。在通车120 d后路基沉降基本稳定,且通车后沉降增量很小,基本可以忽略,说明该路段软土地基采用CFG加固后地基变形得到了有效控制,稳定性良好,达到了预期加固效果。

4 结语

本文以高速公路软土地基CFG桩加固处治为施工背景,根据施工地质情况确定施工方案,并在完工后进行单桩地基承载力试验、桩土应力比试验,同时布置测点进行沉降监测分析,得出以下结论:

(1)静载试验加载到7级后累积沉降量增加速率变缓,累积沉降量为46.24 mm,卸载后回弹率为13.45 %,且各测点复合地基承载力均高于设计要求的0.32 MPa,满足设计要求。

(2)桩土应力比在试验荷载达到280 kPa后逐渐变小,分析原因是由于桩间土和桩体共同承受荷载,充分发挥了桩间土的承载能力。

(3)施工阶段路基水平位移和沉降速率相对较大,完工后逐步趋缓,通车后120 d后路基沉降基本稳定,说明采用CFG加固后有效控制了地基变形,路基结构稳定性好,达到了预期效果。