CFG樁復(fù)合地基處治橋頭深厚軟基沉降變形分析

王鵬旋

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 晉城高速公路分公司，山西 晉城 048000）

0 引言

高速公路穿越軟土地基，如不進(jìn)行有效的加固處理，運(yùn)營通車后會(huì)產(chǎn)生一定程度的沉降變形，造成道路結(jié)構(gòu)破壞。其中對橋頭深厚軟基的處治尤為重要，如處治不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)較大沉降變形，進(jìn)而導(dǎo)致橋頭跳車或其他破壞，將直接影響行車舒適性和行車安全。在進(jìn)行軟土地基加固處治設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合軟土地基的基本情況選擇加固方法，并進(jìn)行承載力檢測和沉降變形監(jiān)測[1]，確保施工質(zhì)量和運(yùn)營安全。

基于高速公路橋頭深厚軟基CFG樁復(fù)合地基處治實(shí)踐，詳細(xì)闡述了處治方案的制定、處治后地基承載力的檢測、軟基施工期和運(yùn)營后的沉降變形監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)收集，繪制P-S曲線，說明采用CFG樁復(fù)合地基處治后的軟基承載力和沉降變形均滿足規(guī)范要求，達(dá)到了預(yù)期的加固效果。

1 工程概況

某高速公路沿線穿過沖積平原區(qū)，地質(zhì)條件差，屬濕軟地基，含水量較高，個(gè)別路段超過100%，最大深度超過20 m。該地區(qū)軟土地基不僅含水量高，還具有高塑性指數(shù)、高壓縮性、高孔隙比等特點(diǎn)。本文研究路段位于某特大橋橋頭，軟土地基深度14.5～20 m，長度為120 m。為了提高橋頭路段軟土地基承載力，采用CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行加固處理，并設(shè)置碎石褥墊層。為了檢測軟基處治效果，對軟土地基沉降變形情況采取靜載試驗(yàn)進(jìn)行檢測，并結(jié)合沉降檢測結(jié)果對橋頭深厚軟基的加固效果進(jìn)行對比分析。

2 CFG樁復(fù)合地基軟基加固方案

為提高橋頭深厚軟基地基承載力，采用CFG樁對地基進(jìn)行加固，設(shè)計(jì)樁徑0.5 m，樁長21 m，樁體設(shè)計(jì)強(qiáng)度R28=6 MPa，深入下臥層1 m，樁間距1.5 m和1.8 m兩種，以調(diào)整橋頭路段的地基剛度，自橋頭向正常路段逐步過渡，以解決橋頭跳車問題。CFG樁上部鋪設(shè)褥墊層，以降低基礎(chǔ)底面的應(yīng)力，充分發(fā)揮CFG樁的承載能力，褥墊層選用砂石材料，厚度40～50 cm。

3 CFG樁復(fù)合地基沉降變形機(jī)理

當(dāng)CFG樁復(fù)合地基受到外界荷載時(shí)，樁體和樁間土體按面積承受荷載，由于土體的彈性模量相對較小，因此土體相比樁體會(huì)產(chǎn)生更大的沉降變形。當(dāng)CFG樁復(fù)合地基上部的樁體和土體出現(xiàn)沉降變形時(shí)，褥墊層也會(huì)在荷載作用下產(chǎn)生一定的變形，出現(xiàn)樁體刺入褥墊層的情況，使荷載逐步集中到樁身。樁身在受到樁間土摩擦力作用下，變形會(huì)向其下部的土體傳遞[2]。褥墊層變形會(huì)隨著土體向樁身傳遞，使樁體承受更大的荷載。土體進(jìn)一步變形造成中性點(diǎn)下移，進(jìn)而造成中性點(diǎn)下部土體對樁體的正摩阻力不斷增加。隨著CFG樁復(fù)合地基的沉降變形不斷增加，樁端土體側(cè)摩阻力不斷增加，直至達(dá)到極限值，中性點(diǎn)以下樁端達(dá)到極限值的區(qū)域不斷增加，樁體刺入褥墊層深度不斷增加，土體對樁端的摩阻力也不斷增加，最終下臥層提供的樁端阻力、正摩阻力、負(fù)摩阻力和樁頂荷載達(dá)到平衡[3]。

由于土體的固結(jié)沉降較大，中性點(diǎn)會(huì)不斷下移，從而達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。直到最后土體達(dá)到一個(gè)近似靜止的平衡狀態(tài)，中性點(diǎn)位置相對確定。如果復(fù)合地基上部的荷載增大，又會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的變化循環(huán)，直到達(dá)到最終的穩(wěn)定狀態(tài)為止[4]。CFG樁復(fù)合地基的沉降變形示意圖如圖1所示。

圖1 CFG樁復(fù)合地基的沉降變形示意圖

如圖1所示，當(dāng)P=0時(shí)，代表未施加荷載；P＞0時(shí)，CFG樁復(fù)合地基處于受力狀態(tài)。圖中用hc-h'c代表褥墊層的壓縮變形量，λ1代表樁體的上刺入變形，λ2代表樁體下刺入變形。Sp代表樁頂沉降量，S'p代表樁端沉降量，由于CFG樁變形模量較大，其軸向壓縮變形量可忽略不計(jì)，取Sp=S'p。S1代表樁間土體的沉降量，中性點(diǎn)上部壓縮變形量S11=λ1，下部壓縮變形量S12=λ2，由此可確定S1=λ1+λ2。由于下臥層沉降量為S2，則復(fù)合地基總沉降量S=S1+S2。

4 CFG樁復(fù)合地基沉降變形分析

4.1 檢測方案設(shè)計(jì)

為了對CFG樁復(fù)合地基對橋臺(tái)深厚軟基處治效果進(jìn)行檢驗(yàn)，分別在橋頭軟基處治地段布置試驗(yàn)段，選取有代表性的單樁進(jìn)行地基承載力檢測。為了進(jìn)行對比分析，在對單樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)的前提下，分別對設(shè)置褥墊層和不設(shè)褥墊層兩種情況下的地基承載力進(jìn)行檢測，并收集數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。同時(shí)，在施工過程中制作試件，養(yǎng)生后檢測其抗壓強(qiáng)度。另外，CFG樁養(yǎng)生期滿28 d后，取芯檢測試件的抗壓強(qiáng)度和完整程度。分別對試件和現(xiàn)場取得的芯樣抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測，強(qiáng)度均高于樁體抗壓強(qiáng)度R28=6 MPa。

4.2 CFG單樁靜載試驗(yàn)與分析

圖2 CFG單樁靜載試驗(yàn)P-S曲線

根據(jù)規(guī)范要求，分別選取一組樁間距為1.8 m和1.5 m的CFG樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，成樁齡期不得少于28 d，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制荷載P-沉降量S曲線如圖2所示。試驗(yàn)過程中采用逐級加載的方式，每級加載沉降變形穩(wěn)定后再進(jìn)行下一級加載，直至達(dá)到極限承載力為止，然后再逐級卸載。

通過對圖2所示CFG單樁靜載試驗(yàn)P-S曲線分析可知，該曲線走勢為陡降型曲線，曲線產(chǎn)生明顯陡降的起始點(diǎn)荷載2 400 kPa作為極限承載力基本值。承載力基本值為極限承載力基本值的一半，即1200kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地基設(shè)計(jì)承載力，符合規(guī)范要求。

4.3 CFG樁復(fù)合靜載試驗(yàn)與分析

為了便于進(jìn)行對比分析，分別選取有褥墊層和沒有施作褥墊層的兩組CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行靜載試驗(yàn)，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制P-S曲線詳見圖3所示，其中圖3a為無褥墊層復(fù)合地基，褥墊層施作前檢測；圖3b為有褥墊層復(fù)合地基，褥墊層施作后檢測，為施工現(xiàn)場選用的地基類型。

圖3 CFG樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)P-S曲線

通過對圖3所示兩組復(fù)合地基靜載試驗(yàn)P-S曲線分析，得出有褥墊層的復(fù)合地基承載力明顯提高，較沒有褥墊層的復(fù)合地基承載力提高20%以上，樁間距為1.5 m的復(fù)合地基承載力為178 kPa，較無褥墊層復(fù)合地基提高20%；樁間距為1.8 m的復(fù)合地基承載力為142 kPa，較無褥墊層復(fù)合地基提高36%；且均滿足設(shè)計(jì)與施工技術(shù)要求。

4.4 橋頭軟基沉降變形監(jiān)測與分析

為了觀察橋頭軟基在施工和運(yùn)營使用過程中的沉降變形情況，選取測點(diǎn)布設(shè)沉降板進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過長達(dá)6個(gè)月的沉降監(jiān)測，地基沉降已基本趨于穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)和沉降速率曲線詳見表1和圖4所示。

表1 CFG樁復(fù)合地基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總表 mm

圖4 不同監(jiān)測位置沉降速率曲線

通過對表1所示數(shù)據(jù)和圖4沉降速率曲線分析可知，前兩個(gè)月屬于預(yù)壓期，沉降變形量較大，后4個(gè)月沉降變形量逐漸變小，并逐漸趨于穩(wěn)定。通過對選取兩個(gè)斷面的沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，累計(jì)產(chǎn)生的最大沉降量為98 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

為提高橋頭深厚軟基承載力，采取CFG樁復(fù)合地基對其進(jìn)行加固處治，并采用靜載試驗(yàn)檢測地基的承載力，保證其沉降變形符合設(shè)計(jì)要求，收集數(shù)據(jù)整理分析后得出以下結(jié)論：

a）通過對單樁開展靜載試驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)并繪制P-S曲線，分析后得出單樁地基承載力基本值為1 200 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地基設(shè)計(jì)承載力，符合規(guī)范要求。

b）分別選取設(shè)置褥墊層和沒有施作褥墊層的兩組復(fù)合地基進(jìn)行靜載試驗(yàn)，并繪制P-S曲線，分析后得出有褥墊層的復(fù)合地基承載力明顯提高，較沒有褥墊層的復(fù)合地基承載力提高20%以上，且其承載力值均符合設(shè)計(jì)要求。

c）為進(jìn)一步檢測橋臺(tái)軟基施工和運(yùn)營施工中的沉降變形情況，選取測點(diǎn)布設(shè)沉降板，對施工期和施工后的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測，得出其最大沉降量為98 mm，滿足規(guī)范要求。