CFG桩在桥头软基处理中的应用

2017-01-10李传华

湖南交通科技 2016年4期

关键词：桩间褥垫桩体

李传华

(湖南联智桥隧技术有限公司，湖南长沙 410199)

CFG桩在桥头软基处理中的应用

李传华

(湖南联智桥隧技术有限公司，湖南长沙 410199)

针对某桥头高填软基问题，采用CFG桩复合地基处理方式进行试验研究，结果表明，CFG桩复合地基能够在较短时间内提升软基的承载力，工程价值较高。其中，褥垫层的厚度影响桩体的荷载分布，超静孔隙水压力在表层波动较大，但桩间土层均呈现逐渐消散趋势；填土荷载根据桩 — 土刚度分配，单桩静载表明复合地基宜采用桩体的有效工作荷载800 kN，发挥桩 — 土 — 褥垫层的联合作用。

桥头; 软基处理； CFG桩；桩土应力比；超静孔隙水压力；沉降

在桥台高填土软基中，为了缩短施工周期，在短时间内有效提高软基的承载力，CFG桩复合地基工期短，在短时间内对地基的承载力提高有较大帮助，是常见的处置方法之一，碎石桩 — 桩间土 — 褥垫层的组合也受到业内许多专家的探讨研究。褥垫层作为传递上部荷载的过渡层，决定了下层桩土的荷载分布范围[1]；区别于普通碎石桩，CFG桩具备一定的粘结性，解决了碎石桩体强度不足的问题，在不同土质物理性质差异下能够稳定发挥桩侧摩阻力和桩端阻力，提高全桩长的工作效率[2]。

受褥垫层厚度影响，CFG桩对软基处理的影响差异较大，本文结合某山区新建公路桥头路段进行试验研究，确定碎石垫层厚度后对软基的稳定性进行施工监测分析，为CFG桩关于软基处理的实例应用提供有益探索。

1 工程概况

1.1 工程背景

某新建公路桥头连接段K13+020～K13+050路基宽50 m、长30 m，表层填土和淤质黏土层厚度最深可达17 m，下层岩体为粉质砂岩，原计划采用超载预压方法加快软基排水固结，受沿线河水流域的影响地基土层厚度分布差异较大，综合考虑工程工期、施工预算和安全性，确定采用CFG桩方案处理该路段软基问题。表1为高填软基段的土质物理性质。

表1 测验路段土层物理性质状况土层天然含水量/%液性指数天然密度/(g·cm-3)相对密度压缩系数/MPa-1固结系数/(cm2·s-1)杂填土298079201266027145×10-3黏土876183152263151736×10-4

1.2 试验设计方案

试验段全长30 m、填高9 m，由于地基压缩系数较高，承载力不足，方案拟定φ400 mm桩径的CFG桩网复合地基，褥垫层选用碎石材料。为提高软基承载力，联合超载预压法，采用正方形桩体布置，平均桩长21.5 m，桩间距1 200 mm，使用连打法施工；超静孔隙水压力传感器在距桩心400 mm处向下埋设。图1为桩体施工布置和孔隙水压力传感器埋置平面位置分布图。CFG桩材料参数

图1 CFG桩施工布置图(单位： mm)

见表2。考虑到褥垫层对桩土应力分布影响较大[3]，计划通过平板载荷实验确定褥垫层厚度，充分发挥桩体 — 桩间土 — 褥垫层的工作效率。

表2 CFG桩材料配比水泥/(kg·cm-3)碎石/(kg·cm-3)砂子/(kg·cm-3)粉煤灰/(kg·cm-3)桩体强度/MPa1524966351131359C15

2 CFG桩复合地基实验结果与分析

2.1 褥垫层厚度分析

褥垫层厚度将影响桩土应力分布，填土高度较高时，外荷载通过褥垫层传入地基，当桩顶应力较大时会部分嵌入垫层中，调节CFG桩的荷载承担分布，同时桩间土的承载力和桩间阻力也会发生相应改变。试验桥头路基段填土高度较高，软基效应显著，为有效改善桥头地基的承载力，提高工后道路服务质量，先进行了平板载荷试验计算桩土应力：n=pp/ps(pp、ps分别为计算桩顶和桩间土荷载值)，确定工作区范围褥垫层的合理设定值，得到结果如图2。

图2 褥垫层厚度 — 桩土应力比关系曲线

褥垫层厚度对CFG桩复合地基的工作性能有较大影响，由图2可知，桩土应力比随褥垫层厚度增大变化走势大致相同，在0.4 m层厚前后陆续出现转折，桩土应力比变化平缓，垫层厚度对桩土应力分布影响较小。当垫层厚度设置较小时，不利于均化外荷载，桩体容易因应力过大挤入基底，发生冲切效应，而设置厚度层超过适宜值范围，将影响桩体和桩间土的荷载分布，CFG桩无法充分发挥作用。结果表明，本试验软基采用CFG桩复合地基方法宜设置0.35 m层厚的碎石垫层，超过合适值，褥垫层厚度变化对桩体和桩间土的分布荷载调节能力减小，复合地基的承载力将受到削弱。

2.2 软基超静孔隙水压力测试结果与分析

软土路基的孔隙水压力反映了土间的含水变化关系，对地基的承载力有重要影响。根据施工顺序和进程，结合土层分布状况，在试验段每个断面埋设3个孔隙水压力计，在图1平面位置下分别埋深为3、9、15 m，确保压力计在土层性质变化较大处能够较精确测出施工前后的孔隙水压力变化值；桩体施工前期，由于土体扰动较大，施工对孔压数据的收集影响较大，30 min/次，当仪器指数读数较为稳定时，可3次/d。得到动荷载作用下桩间土孔隙水压力变化关系如图3。

图3 桩间土孔隙水压力变化关系曲线

施工期内，随填土荷载的增加，桩间土的孔隙水压力呈现明显波动，由图3可知，在施工前期，填土外荷载变化对土层的扰动影响较大，桩间土的超静孔隙水压力不断呈现上下波动的变化趋势，而且，随孔隙水压力计埋设深度增大，在施工阶段超静孔隙水压力波动越小，荷载响应性较延缓，而表层受施工外界因素影响比较大，故波动范围较大。

当160 d以后，各层超静孔隙水压力平缓下降，与填土荷载预压阶段相适应，当达到填高的施工阶段后，地基所受预压荷载增幅较小，桩间超孔隙水压力也呈现缓慢消散的过程，比较完成外荷载预压阶段后的3、9、15 m土层超静孔隙水压力，深层软基受荷载扰动较浅层小，孔隙水压也变化更为平缓，虽然前期受施工过程桩体布置、仪器埋设等人为因素影响孔隙水压消散缓慢，但同一断面孔隙水压力最终均表现为逐渐消散的状态。

2.3 桩土应力结果分析

CFG桩复合地基在软基处理中主要发挥置换作用，提高地基均匀受力，褥垫层扩散填土的集中外荷载，并将应力按桩土刚度比例分配传递。借助静载荷载试验收集CFG桩顶应力和桩间土应力大小，图4为加载过程桩顶和桩间土应力变化关系曲线。

图4 荷载与应力变化关系曲线

由图4可知，随施加荷载增大，桩顶和桩间土应力值均近线性增加，但桩顶应力的线性变化速率明显更大，表明在外荷载作用下，褥垫层按刚度分配荷载，CFG桩自身刚度较桩间土大，也需分担较大的填土压力，若承受荷载过大桩顶将发生冲切效应而挤入路基底层，调节荷载分布；与此同时，桩体应力的提高，对桩侧土挤密效应也有所增强，桩体自身刚度相对也有所增强，桩间土受侧向荷载影响承载力也因此有所提高，桩体与周间土的桩侧摩阻力增大，故CFG桩复合地基的桩 — 土组合相互影响，能够在一定范围内有效提高地基的承载力。

在试验过程中，为严格控制水泥碎石桩的施工质量，不影响观测研究结果，结合《建筑桩基技术规范》[4](JGJ 94 — 2008)对软基试验段抽样选取的97根桩体进行单桩完整度测评和竖向抗压静载强度试验，得到测验结果如表3、表4。

试验段桩体检验有89根满足I类完整度评价类型，约占91.7%，剩余的8根评价类别为有轻微缺陷，施工段CFG桩体的完整性检验报告满足试验要求。

单桩竖向静载试验终止要求试验总沉降量>40 mm，且能够明确看出桩体承载力的陡降阶段变化。根据慢速维特荷载要求，对试验桩逐级添加100 kN的外荷载，当桩体竖向沉降位移不超过0.1 mm/h，则进行下一级的加载。由表4可知，单桩静载的有效工作荷载约为800 kN，此时桩体处于准破坏的极限边缘，故沉降量在外荷载继续施加后有瞬变，当荷载达到900 kN时桩体的沉降量提高了86%，荷载1 000 kN时又上升了50%，联合观察图5的Q-S变化特征，可知桩体的极限承载力为1 000 kN。在施工期分层填土荷载>800 kN时，桩体就可能发生冲切效应挤入基底，而当荷载超过极限承载力时，桩间土将一并发生剪切破坏等形式的扩大路基沉降的问题。

表3 试验段桩体完整度测验结果桩体完好/%桩体有轻微缺陷/%桩体有明显缺陷有严重缺陷或断桩9188200

表4 单桩竖向抗压静载测验结果级别荷载/kN沉降量/mm历时/min本级累计本级累计11001414505022000923701203300073451654400194960225550012619031566001273854007700269970470880014113655359900972141576101000214245621 注：测验日期为2014-07-26，桩径400mm，桩长190m。

图5 单桩竖向静载试验Q-S曲线

2.4 软土路基沉降观测结果与分析

观测软基的沉降位移能够较直观的显示CFG桩复合地基对路基承载力的改善状况，图6为路基沉降随堆载预压施工过程的变化曲线。

图6 软基沉降量随施工期进展变化曲线

图6表明，随路基填土分层填筑高度的上升，堆载预压荷载对地基的沉降变形最大沉降量约12 cm，CFG桩复合地基对软基沉降量的控制有明显帮助；细观填土高度分期变化曲线，在施工前期，软基沉降速率较恒载预压后期大，0～100 d施工周期内速率约0.3 mm/d，在进行中期填土荷载作用下(100～220 d)沉降速率可达0.7 mm/d；当恒载预压阶段大致结束后，软基的沉降速率基本呈现收敛的趋势(250 d～竣工)，速率约0.1 mm/d，路基竖向变形较为稳定；而在220～250 d前后沉降速率有一个峰值出现，这是受预制梁运输过桥头段，荷载持续瞬增的影响，由观测结果可知，加入CFG桩对桥头高填软基的沉降变形有较好改观，能够承受填土荷载的持续快速填筑，满足施工质量要求。