基于CFG桩处理的硬壳软土路基变形特性研究

黄 静

(宜宾市投资集团有限责任公司，四川宜宾 644000)

1 工程概况

该工程路线穿越段为耕地，为一缓坡地带，局部见基岩出露，有较强烈的侵蚀、溶蚀作用；相对高差最大约72.3m。轴线所跨地段地形相对最大高差13m。本地段内分布着淤泥质黏土等软土，软土具有含水量高﹑孔隙比大和低透水性等特点，最深处达14m，工程性质较差，是典型的硬壳软土地基。此软土地基经过稳定性计算和沉降计算均不能满足规范要求，其承载力低，变形大，必须进行软基处理后才能进行路基的填筑。

根据地质勘查探明的路段软基性状，结合现场实际、工期以及施工单位设备能力，决定采用CFG桩复合地基。因此，弄清CFG桩加固硬壳软土路基的变形特性，成为正确使用CFG桩的必备条件。

2 CFG桩复合地基的作用原理

CFG桩主要是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑、砂加水拌合，通过专门机械施工而成的低标号混凝土桩。其主要骨料是碎石，石屑以及砂等；粉煤灰主要起细骨料和低标号水泥的作用，提高CFG桩桩体的承载力；水泥则主要起粘结作用。CFG桩体强度大小应在C10～C25之间，高低直接受水泥的掺量多少影响。褥垫层是由级配碎石和砂等集料构成的。CFG桩与桩间土以及褥垫层共同作用组成了CFG桩复合地基。

经设计计算分析，本段CFG桩桩长为桩尖埋入软基下承载力较好的碎石土层内50cm，桩顶至整平后的原地面；桩径为40cm；桩间距为140cm，按照正三角形形式布置；桩身采用抗压强度不小于15MPa水泥粉煤灰碎石混合料；为综合利用桩间土以及硬壳层的承载力，避免桩顶刺入回填路基体，造成桩体单独承担上部荷载，桩顶设置厚度为40cm、公称最大粒经不超过20mm的满铺级配碎石褥垫层。

3 CFG桩复合地基处理检测

CFG桩复合地基施工结束后21～28d，便可通过检测来评判CFG桩的质量以及处治效果。下面依次介绍CFG桩桩身强度检测、桩身完整性检测、CFG桩承载力检测，通过检测数据获得桩和土以及地基的强度特征，来总结CFG桩复合地基对于软土地基的加固情况。

3.1 CFG桩桩身强度检测

3.1.1 桩身混凝土试块的制作和养护

混凝土的强度检验评定按照国家标准《混凝土强度检验评定标准》(GB/T50107-2010)的规定进行。混凝土强度评定的试块分为标养试块和同养试块，标养试块是指在标养室养护的试块，规范规定标养试块是在温度20±3℃，湿度差异小于10%，标准养护28d；同养试块是指在浇注现场随机抽取混凝土制作的试块，同养试块是在施工现场随机抽取并在现场依现场养护条件日平均温度累积至600℃的试块。同时，还规定了等效的养护周期不宜小于14d也不宜大于60d。

3.1.2 混凝土强度检验评定方法

本试验段混凝土强度以标准养护、龄期为28d的试块抗压试验结果为准。每组试件为三块150mm×150mm×150mm的标准试块。其强度评定方法有以下两种。

(1)对于小批量零星混凝土的生产方式，其数量有限，不具备按统计方法评定混凝土强度的条件，可用非统计方法评定混凝土强度。用此法评定混凝土强度时，试件组数n≤9组成一个检验批，其强度应同时满足下列公式的要求。

mfcu≥1.5fcu,k

(1)

fcu,min≥0.95fcu,k

(2)

式中：mfcu为同一批次混凝土抗压强度的平均值；

fcu,k为混凝土抗压强度标准值；

fcu,min为同一验收批次混凝土抗压强度的最小值。

(2)当同强度混凝土试件不少于10组，可按照统计法进行混凝土强度的评定，其强度应同时满足下列公式的要求:

mfcu-λ1sfcu≥0.9fcu,k

(3)

fcu,min≥λ2fcu,k

(4)

式中：Sfcu为同一批次混凝土抗压强度的标准差，当Sfcu计算值小于0.06fcu,k时，取Sfcu=0.06fcu,k；

λ1，λ2为判定系数，按表1取值。

表1 混凝土抗压强度合格性判定系数

本工程于2012年10月依托工程试验段进行CFG桩施工，分别于2日、9日和13日在CFG桩现场施工期间取样，制成(150×150×150)mm模块分别置于室温20℃相对湿度63%、室温20℃相对湿度62%和室温19℃相对湿度58%的环境下进行实验室养护28d，并通过试验测得CFG桩桩身试块平均抗压强度为21.5MPa，符合设计指标。详细试验数据见下表2、表3以及表4。

表2 室温20℃相对湿度63%抗压强度统计

表3 室温20℃相对湿度62%抗压强度统计

表4 室温19℃相对湿度58%抗压强度统计

3.2 CFG桩桩身完整性检测

根据CFG桩质量检测标准，本次检测仪器采用美国PDI公司生产的PIT检测仪，检测方法为低应变无破损反射波法检测桩身完整性以及桩长。

其检测原理为：

在被测桩头施加一个瞬时激振力，使桩身产生压缩应力波，应力波通过并沿桩身向下作质点运动，同时把桩看作一个一维弹性杆件，应力波在桩身中的运动规律满足一维波动方程，即：

(5)

(6)

式中：u为桩身轴线位移；E为弹性模量；c为应力波传播速度；ρ为桩身密实度。

当桩身存在明显波阻抗界面(如桩底、断桩)或桩身截面积变化(如缩径或扩径)部位，将产生反射波。经接收放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。检测分析反射波的传播时间、幅值、相位和波形特征，得出桩身缺陷的位置、大小、性质等信息，最终对桩基的完整性给予评价。

通过对依托工程试验段CFG桩基进行的桩身完整性检测，根据对实测数据的整理、分析认为：本次所检测的400根桩基中，Ⅰ类桩241根，占总桩数的60.25%，Ⅱ类桩159根，占总桩数的39.75%。

根据《公路工程基桩动测技术规程》(JTG/TF81-01-2004)规定，桩身完整性类别应按表5划分。

表5 桩身完整性类别划分

3.3 CFG桩复合地基承载力检测

在CFG桩施工完21～28d后，即使CFG桩周围土体充分固结后，再进行CFG桩复合地基承载力的检测，检测方法为静载试验法。

下面选择典型断面上的一个CFG桩桩基进行单桩复合地基载荷试验，其CFG桩单桩复合地基载荷试验数据如表6所示，根据由实验数据生成的曲线图1、图2、图3进行详细说明检测复合地基承载力试验的过程。

表6 CFG桩单桩复合地基载荷试验记录

图1 P-S曲线

图2 S-lgP曲线

图3 S-lgt曲线

统计实验数据，通过单桩复合地基载荷试验Q～S关系曲线可得，在加载至496KN时，地基总沉降量为44.22～66.71mm，且未超出承压板直径的6%(1 260×6%=75.6mm)，Q-S曲线未出现明显陡降，从时间沉降曲线看，各级荷载所对应的时程曲线均较平坦，未见明显下弯。以上情况表明，该试验点地基受压尚未进入极限状态，承载能力有少许余量。根据JGJ79-2002规范中复合地基荷载试验要点，该试验点地基的极限承载力应取末级荷载(496/1.24=0.4MPa)，承载力特征值应取极限承载力的一半(0.4/2=0.2MPa)与S/b=0.015对应荷载值二者中小值。详细CFG桩检测表结果见表7。

表7 CFG桩检测结果

通过表2可知，10个试验点的地基承载力特征值极差未超过平均值(0.20MPa)的30%，所以可取平均值作为该工程单桩复合地基的承载力特征值依据实验数据，该工程单桩复合地基承载力特征值为0.20MPa，达到设计要求，满足设计规范。

3.4 桩土应力比检测

桩土应力比是反映复合地基工作性状的一个重要参数，对地基稳定性验算和地基承载力计算均十分重要，它反映了复合地基中应力的集中情况。桩土应力比的确定无外乎试验法、数值分析和解析法三种。试验法是通过在试桩现场试桩桩顶、土层表面预埋土压力盒，借助静载荷试验直接测试桩顶与桩间土应力，根据定义求出桩土应力比值，此方法结果最接近实际情况。

本试验段在做单桩复合地基静载试验的同时，也检测了在不同荷载作用下时的桩土应力比。分别选取两个断面CFG桩桩顶以及桩间土埋设土压力计进行桩土应力观测，各级荷载下的桩土应力比平均值见图4所示。

图4 桩土应力比

通过图4可以看出在刚开始加载阶段，桩土应力比随着荷载的增大而增大；当荷载达到一定值时，桩土应力比稳定在某一个区域，大约在18～23，通过试验验证可以看桩土应力比检测值基本上符合设计要求值15。说明CFG桩施工基本上达到设计要求，CFG桩上有应力集中现象，提高了地基的承载力。

4 结束语

通过工程现场检测以及工后变形观测可以看出，经过CFG桩复合地基处理后的硬壳软土路基承载力有了大幅度的提高，达到了设计要求，满足设计规范。根据桩土应力比检测，可见CFG桩复合地基对于这个软基工程的处理效果是明显的，CFG桩起到了应力集中的作用。同时根据标准贯入试验和重型动力触探试验可知桩周边土的密实程度以及均匀性都达到了设计要求。通过试验段工后变形观测数据与土工离心模型试验结果相结合考虑分析，可得CFG桩能很好的处理硬壳软土地基路基，其工后变形主要集中在路基固结期内(大概100d)，离心模型试验结果(大概90d)与实体工程实测结果偏差不大，能很好的反应实体工程的真实情况。