CFG桩在航道护坡挡土墙中的应用分析
2020-05-25陆珍珍
陆珍珍
重力式挡土墙是港口码头、航道护岸中防治边坡失稳常用的支挡结构。进行挡土墙施工时，常常会遇到地基处理的问题。针对此类问题，文章结合某航道护岸挡土墙地基处理工程，分析CFG桩复合地基处理方案的可行性，为类似工程提供参考。
CFG桩;复合地基;挡土墙;航道护坡
U617.8-A-50-179-3
0 引言
重力式挡土墙具有结构安全、施工简易、成本经济等优点，普遍应用于公路路堤、边坡等工程中[1-2]。航道站房一般选址于河流岸边，地形高差较大，场地平整时土方回填量大，形成较陡岸坡，水流冲刷浸泡，易发生失稳滑移，故需要进行加固处理，而重力式挡土墙既能挡水流，又能挡土，是防治边坡失稳的一种经济有效的防护结构。
1 工程概况
某航道站占地面积约4 679.2 m2，布置于河谷岸边，东侧、北侧两面临河，呈南高北低阶梯状。整平场地共回填土方46 640 m3，场地回填后形成5～12 m人工填土，河岸边坡高约13.5 m，坡度约80°。边坡坡面为散落砂岩角砾、岩块，未做任何防护，现状稳定。但是，场地处于河流冲积和特大洪水淹没区域，丰水期水位变幅大，河水对岸坡冲刷侵蚀是影响边坡稳定性的重要隐患。为稳固填土边坡，拟对河岸边坡实施挡土墙防护工程。
1.1 地质情况
经地质勘察，边坡主要土层为：素填土、表层土、粉砂层，下伏基岩为泥质粉砂岩。
（1）素填土：黄色，湿、欠固结，稳定性差，主要是风化泥质粉砂岩，多呈角砾状，揭露层厚6.50～7.60 m。
（2）表土层：稍湿，主要为灰黑、黑色的松散粉砂、粉土，夹杂植物根茎，层厚0.60～1.70 m。
（3）粉砂层：灰黄，呈湿～饱和、松散局部稍密状，厚约12.10～15.60 m。
（4）泥质粉砂岩：该层岩大部分属中风化软岩，局部强风化，难以锤击、重锤有回弹，岩面埋深介于20.5～24.2 m。
岩土层主要物理力学指标参数详见表1。
1.2 设计概况
（1）设计边坡安全系数
挡土墙结构设计使用年限为50年，边坡安全等级为二级，考虑自重（天然状态）+地面荷载，设计边坡安全系数Ks取值≥1.30。
（2）挡土墙形式
沿河岸坡腳设置衡重式挡土墙，墙身总高度均为7 m，上墙高4 m，埋深为1.0 m，顶部宽度为1.2 m，台宽1.2 m，墙顶标高为60.0 m，基底标高为53.0 m，墙脚标高为54.0 m。为防止河水冲刷，墙外抛设块石护脚。岸坡最高水位为63.9 m，特大洪水期间大部分坡体被淹，因此坡面需植草护面，坡顶设置护栏及实施截排水措施。
（3）地基承载力估算
挡土墙类型按浸水地区挡土墙考虑，采用库伦理论计算挡土墙压应力。最大压应力值为160 kPa，最小压应力值为151 kPa，挡土墙基底平均压应力为156 kPa，超过天然地基承载力特征值110 kPa，需要进行处理才能满足使用要求。
1.3 地基处理方案
可用于填土边坡的地基处理方法很多，但是满足深厚填土、工艺成熟、经济可行的方法一般是桩基处理。本工程①～③层土层埋深较浅，承载力较低，采用浅基础不能满足构建物承载力要求，应以下伏基岩为持力层，而桩基础支撑在④层持力岩层，能够改善地基竖向承载力，可用于本工程地基处理。
（1）方案一：钢筋混凝土灌注桩
钻孔灌注桩施工不易受地质条件限制，施工工艺成熟，工期较快，本工程可考虑钢筋混凝土灌注桩基础，长螺旋钻孔成孔，压灌C30混凝土后插入钢筋笼。但是桩体需要配筋，按桩径600 mm、桩长约10 m，初步计算约为800元/m3，工程造价较高。
（2）方案二：CFG桩复合地基
水泥粉煤灰碎石桩是由碎石桩掺加废渣粉煤灰改良而来，粘结性更高。桩间土、褥垫层与桩体协同作用，共同支撑上部荷载，并向深层土传递，可大幅改善地基承载力，适用范围广，在公路、港口护岸加固工程中都有应用[3-4]。CFG桩复合地基桩体无须配筋，节约工程成本，且成桩工艺环保，无须泥浆置换，降振低噪。按桩长10 m、桩径500 mm，初步测算造价为630元/m3。同时考虑该工艺在当地运用较为成熟，本工程推荐采用此方案。
2 CFG桩设计
挡土墙基础采用CFG桩，处理范围是长为15 m、宽为6 m的矩形区域，褥垫层厚300 mm，基础覆土容重为19.00 kN/m3。采用长螺旋钻机成孔后，压灌标号C20混凝土。
2.1 设计参数
采用矩形布桩形式，共4排，纵横向按1.50 m间距布设，桩的有效长度为10 m，桩的直径为500 mm，单桩竖向承载力为700 kN。CFG桩所处土层计算参数见表2。
2.2 复合地基承载力估算[5-6]
（1）单桩竖向承载力特征值计算：
R a=u pq sil i+q pA p（1）
式中：
u p——桩的周长（m）;
q si——桩周第i层土的侧阻力;
q p——桩端阻力特征值（kPa）;
l i——第i层土的厚度（m）;
A p——桩的截面积（m2）。
经计算R a为396.63 kN，取R a值为350 kN。
取桩体试块抗压强度f cu=20.00 MPa，经验算满足f cu≥4λR a/A p。
（2）面积置换率计算：
m=d2d2 e（2）
d——桩身平均直径;
d e——一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径。
（3）复合地基承载力计算：
f spk=λmR a/A p+β（1-m）f sk（3）
式中：
f spk——复合地基承载力特征值（kPa）;
m——面积置换率;
R a——单桩竖向承载力特征值;
λ——单桩承载力发挥系数，取0.8;
f sk——处理后桩间土承载力特征值（kPa），取天然地基承载力特征值，f sk=110.00 kPa。
将式（1）、式（2）代入式（3）计算，f spk值为190 kPa，大于挡土墙偏斜荷载压应力160.3 kPa。可见，处理后的复合地基承载力满足挡土墙压应力要求。
3 CFG复合地基施工
3.1 施工工艺
本工程地质存在粉砂层，沉管钻孔产生振动，为避免发生坍孔，应采用长螺旋钻成孔工艺。工艺流程图详见图1。
3.2 施工注意事项
（1）松散填土、软弱土开挖施工设计
桩基础施工前应把边坡一定范围内松散填土层、软弱土层清除，然后再按设计要求压填。清理范围与压实范围一致，清土与压填均需采取分级施工，分级台阶宽度为3～4 m。
（2）实施跳桩施工
CFG桩设计有效长度均为10 m，应根据地质情况作相应调整。本場地主要为粉砂层，为预防可能发生串孔，采取隔排隔孔跳桩施工，减少对已打桩的扰动。
（3）控制提杆速度
本场地主要为粉砂层，孔壁极易坍塌，钻至设计标
高后，应先压灌入混合料，再缓慢提升钻杆。
（4）避开雨季施工
工程临近河流，受洪水影响，建议在非雨季进行工程施工。如在雨季施工应做好施工期间的流土流泥的临时防治措施，同时应加强巡视。如果有任何与设计有出入的情况应及时反馈给勘查单位、设计单位、建设单位、监理单位及有关单位进行处理。
3.3 地基处理效果
CFG桩基完工28 d后，采用低应变反射波法、单桩及单桩复合地基载荷试验来检测CFG桩桩身完整性、复合地基和单桩承载力特征值。本工程选取15根进行桩身完整性检测，CFG桩2根进行静载试验，最大加载量为700 kN，复合地基荷载试验3个桩点，最大加载量为864 kN。
检测结果显示：低应变检测15根桩，各受检测桩的完整性良好，其中Ⅰ类桩13根、Ⅱ类桩2根，无Ⅲ类或Ⅳ类桩，可见桩身完整性均满足规范及设计要求。复合地基载荷试验桩点分别在达到最大加载量863 kN时，沉降均能达到相对稳定，试桩及周围土体均未达到破坏条件，满足设计值190 kPa的要求。
单桩竖向抗压静荷载试验分别加载至700 kN时，最终沉降达到相对稳定，满足设计值350 kN的要求。
4 结语
CFG桩用于本工程地基处理取得较好的预期效果，可有效改善高填土浸水岸坡地基承载力。在该护岸挡土墙工程完工投入使用的过程中，应加强对挡土墙支护结构及边坡位移等进行监测，以判断挡土结构的稳定性。
参考文献：
[1]黄修奋.道路路基挡土墙防护设计与施工方法探讨[J].西部交通科技，2018（3）：51-53，202.
[2]李中华.高速公路改扩建边坡支护方案对比探析[J].公路交通科技（应用技术版），2018（2）：78-80.
[3]李志杰.公路工程挡土墙CFG桩复合地基病害分析与处理措施[J].路基工程，2015（1）：210-213.
[4]曹 军.水泥粉煤灰碎石桩（CFG）在港口工程护岸加固中的应用[J].水运工程，2018（10）：113-116.
[5]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].
[6]JGJ79-20012，建筑地基处理技术规范[S].
