CFG桩加固某软土路基的病害分析

2012-01-24黎爱清

铁道标准设计 2012年6期

黎爱清

(中铁十六局集团第五工程有限公司,河北唐山 064000 )

CFG桩加固软基具有施工方法简单、施工周期短、成本低、适用范围广、处理地基后承载力高、易于保护施工环境等众多优点,已在软基处理中得到了广泛的应用。但由于在极软弱地基中存抗横向力弱、施工工艺要求高、影响成桩质量的因素多、检测手段的局限性等众多不利因素,使得CFG桩在极软弱地基的软土路堤中使用一直处在争议之中。

1 影响CFG桩成桩质量的因素

1.1 地质地层的影响

软土含水量过大呈流塑状时易造成CFG桩缩颈影响成桩质量；持力层岩面坡率过大易使桩尖滑移造成单桩失稳。

1.2 施工过程的影响

根据施工管理的经验,主要影响因素如下。

(1) CFG桩混合料施工质量,尤其要注意混合料的坍落度要符合设计要求,坍落度过大易使桩顶浮浆过多,影响桩身质量。

(2) CFG桩没达到设计预定的持力层,导致不均匀沉降而使局部桩受力过大破损。在施工过程中,由于地质情况复杂,施工操作人员对地质情况的认知水平低,难于准确判断,采用抬架和电流等方法控制不好,常导致桩没有进入设计预定的持力层。

(3)施工缩颈现象。成孔完毕,投放混合料的过程也是难于控制,振动沉管CFG桩是边提管、边投料,投放的混合料是否均质、密实不好掌握,且在投料过程中配合提管,提管速度要求在各种土质中的速度不一样,但在施工中机械操作手不可能对每个孔的各种地层的长度记清楚,容易产生缩颈现象。

(4)成桩破损。由于CFG桩钻机较重,在施工移机中混凝土没有达到一定强度,易使桩折断。

1.3 CFG桩抗横向力弱

CFG桩为素混凝土,桩径又小,很难承受横向力作用。沉管法CFG桩因桩间距、成桩顺序不当而产生挤土效应,导致桩破损。

2 CFG桩检测方法缺陷

CFG桩常见的检测方法有小应变无损检测、单桩承载力试验、取芯试验。在这3种检测方法中只有小应变无破损检测是对桩进行100%测定,后2种方法由于施作不方便,只是抽样检验,特别是取芯试验只是一种验证试验,不能作为真正意义上的检测手段。但目前小应变无损检测尚不能检测桩有多个缺陷的情况,能反映桩身质量仅靠有局限性的小应变无破损检测,所以成桩之后的质量得不到完整验证与评价。

3 CFG桩的破坏特征

软土路堤地基破坏都是按圆弧曲线考虑的,CFG桩的加固是提高了地基的竖向承载能力,但在极软弱地基中,其抗横向力弱,由于不确定因素的影响一旦软基滑移,CFG桩抗横向力弱的缺点就暴露出来,就会由于地基的变形加剧使CFG桩折断。

4 案例分析

在国内某条铁路客运专线上采用了CFG桩加固软基,当路基填到一定高度时出现了大面积的滑移,详细情况介绍如下。

4.1 工点工程地质及水文地质概况

本工点地处瑞安市境内,属海积平原地貌,地形较平坦,均为水田、河网密布,交通发达,地面高程在3.60～9.77 m。

表层为素填土,灰黄、褐黄色,厚约1.0～1.4 m；下为Qm4黏土、粉质黏土,软塑,灰黄色,厚0～1.0 m；其下为统淤泥,深灰色,流塑,含有机质、腐殖质及少量贝壳碎屑,局部夹少量砂及卵石,厚0.5～11.3 m,土质松软饱水,具有高压缩性和高触变性、低承载力特点；其下为第四系上更新统冲洪积土层状黏土,粉质黏土,(局部粉土)；褐黄色、灰褐色,软～硬塑,厚0～9.3 m；再下为粗角砾土,灰褐色、灰黄色,稍密～中密,厚0～5.6 m；下伏侏罗系上统磨石山组凝灰岩,全风化至弱风化。

区域地下水主要为第四系松散岩类孔隙水,含水层为冲洪积、坡洪积砂、砾石、卵石层，具承压性质。地下水的补给来源主要靠大气降水渗透补给,排泄以大气蒸发为主。

根据工点环境及水质情况,结合《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》,本工点在陆地环境下,作用等级为D2,地下水对混凝土有中等侵蚀性。

4.2 施工设计情况

设计范围:DK18+591.34～DK18+929.19,长337.85 m,小里程接水渠大桥,大里程接中桥,路堤填高9.56～9.81 m。

软土路堤工后沉降控制值：正线为ΔS≤15 cm,沉降速率<4 cm/年；桥路过渡段ΔS≤8 cm；最小稳定安全系数：考虑列车荷载为1.25。

填料：r=19.0 kN/m3,C=10 kPa,φ=35°；

〈2〉淤泥：r=15.0 kN/m3，Cu=10.04 kPa,φu=1.96°,φcu=6.8°,Ccu=9.71 kPa；

〈3〉-1卵石土:桩周土极限侧阻力f=90 kPa；

〈3〉-2黏土：r=18.5 kN/m3，Cu=38.0 kPa,φu=15.1°,桩周土极限侧阻力f=40 kPa；

〈3〉-3粉质黏土:r=18.7 kN/m3，Cu=50 kPa,φu=19.1°,桩周土极限侧阻力f=55 kPa,桩尖土极限端阻力R=2 200 kPa；

〈3〉-4砾砂：桩周土极限侧阻力f=70 kPa,桩尖土极限端阻力R=3 500 kPa；

〈4〉-2碎石土：动探标准值5～6击/10 cm,桩周土极限侧阻力f=90 kPa,桩尖土极限端阻力R=4 000 kPa；

〈5〉-2凝灰岩,强风化:桩尖土极限端阻力R=10 000 kPa。

地基采用CFG桩加固,桩直径0.5 m,间距1.6 m,呈正方形布置,桩长6.0～22.0 m。桩底嵌入硬底深度：碎石土、角砾土不宜小于2.0 m；凝灰岩,强风化不宜小于0.2 m。CFG桩施工完成后于桩顶铺设0.6 m厚碎石垫层,垫层内铺设1层土工格室。其中DK18+673.82～DK18+755右侧设反压护道,宽7.0 m,高3.0 m。

当路堤填筑高度达到4.85 m时,一段长50 m的路基在左线中心附近产生弧状裂缝宽15 mm,发生失稳坍滑。坍滑形式自左线中心附近开始,右半幅路堤扇形滑移坍塌,在路基填筑范围内形成两级下沉,路堤右侧坡脚施工便道隆起0.74 m。从左向右依次,第1级下沉量为0.8 m,第2级与第1级下沉量为1.64 m,路基坡脚与第2级高差为2.37 m；台阶处形成多条环状垂直裂缝,裂缝最大宽度约0.2 m。

图1 DK18+752断面荷载-时间-沉降曲线

从图1中可以看到该段路基在4月13日至以后的放置期间,沉降量过大,并出现陡降现象。

(1)缷载检查

滑移发生后对DK18+790.4断面进行开挖检查。DK18+790.4的桩顶断面见图2及图3。

图2 DK18+790.4桩顶实测断面(单位：m)

图3 桩位验证布置(单位：m)

①挖断面成台阶形,共形成2个台阶。从左侧起第1个陡坎位于线路中心处,陡坎高1.4 m,陡坎坎壁垂直,陡坎上下2排桩的间距为2.1 m；第1级陡坎右侧9.0 m处为第2个陡坎,陡坎高1.9 m,陡坎坎壁垂直,陡坎上下2排桩的间距为4.47 m；土工格室在陡坎处断裂。

②第1级台阶为平面,平台顶面宽9.0 m,共有5排CFG桩,下沉1.4 m,桩体基本没有倾斜,桩头外观尚好。

③第2级台阶为斜面,斜面水平宽度为13.75 m,斜面坡度约14°,CFG桩向线路外侧倾斜,桩身倾斜约18°。

(2)CFG桩小应变检测

滑移发生后对路基塌陷地段DK18+790.4处CFG桩采用低应变反射波法进行了桩基完整性检测。DK18+790.4断面2排桩共有54根,共检测CFG桩50根。其中6根桩在浅部开裂为Ⅲ类桩,未发生变形沉降和位移平台3根,第1个下沉1.4 m的平台3根,第2个倾斜坡面台阶没有；有6根桩在浅部存在缺陷为Ⅱ类桩,未发生变形沉降和位移平台3根,第1个下沉1.4 m的平台1根,第2个倾斜坡面台阶2根；其余38根桩未发现桩身缺陷,桩身完整为Ⅰ类桩。

(3)CFG桩挖桩检测

在DK18+790.4断面上开挖出2排CFG桩,挖出坑深约2.3 m。上部桩身为直立,长度为0.6 m,第2节桩身长度1.5 m,桩身斜。第3节桩身1.45 m,桩身直立。其中第1节和第2节连接处折断,第2节和第3节之间有钢筋相连,但整个桩身错开。

4.3 塌陷原因分析

(1)施工便道离路堤坡脚较近,施工运输土石方的重载汽车经过,来回振动,对初凝阶段CFG桩造成部分断桩,影响地基稳定。

(2)对DK18+790.4断面共进行了50根桩低应变检测和4根取芯及6根挖探检查,通过对比发现,低应变检测确定的Ⅰ～Ⅱ类桩而钻探取芯检查时存在严重缺陷；低应变检测确定的桩长与钻探取芯桩长严重不符,目前小应变无损检测尚不能检测桩有多个缺陷的情况。因此,CFG桩桩身质量及完整性尚缺乏有效检测方法,低应变检测不能完全反映桩身质量,使得对有缺陷的桩未能及时发现,施工工艺没有得到及时调整。

(3)CFG桩大面积施工经验不足,造成部分CFG桩单桩承载力不足,部分桩没有达到设计持力层,沉降不均匀使局部桩受力过大而破损；移机过程没有考虑到混凝土龄期强度,使部分桩过早受力而破损。