高速公路海相超软土CFG桩复合地基加固技术试验研究

摘要 高速公路软土土质层路段项目施工难度大，技术不达标直接影响公路的质量系数，项目施工中需要对软土或超软土层进行土层地基加固。文章以CFG桩复合地基作为项目施工技术重点，对CFG桩复合地基的相关施工技术特点进行分析，以某海相超软土高速公路项目建设工程作为实例展开研究，采用公式计算和实验测试的方法，确定CFG桩加固软土时最有利的施工参数和施工技术。改进的CFG桩复合地基，能够实现超软质土层的高速运输。

关键词 超软土;CFG桩;加固;试验

中图分类号 TQ261.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0120-03

引言

科技振兴提高了城市基础设施建设的技术水平，也对高速公路交通运输工程施工有了更高的要求。某高速公路建设项目施工的地质环境为海相超软土土质，由于土质过差，使得高速公路建设的质量欠佳。这些软土区域路段的高速公路很容易受到交通荷载的影响，产生严重的地基变形现象[1]。为了在公路建设施工过程中改变该超软土土质区域的承载压力，就必须采用有效的技术对软土地基实施科学合理的施工处理[2]。

拟采用CFG桩加固技术，对该区段的软土土质实施加固处理，并利用复合地基的方式，降低高速公路承载使用期的沉降量。为了更好地提高CFG桩加固技术的应用效果，通过公式计算与实验测试双重方法，保障计算得到的CFG桩加固参数值合理有效。改进后的CFG桩加固技术应用方案，更适合海相超软土高速公路建设需求，并达到缓解超软土地基不均匀沉降问题的目的，具有一定的实践应用价值。

1 CFG桩复合地基相关概念简述

1.1 CFG桩复合地基概念

CFG桩复合地基高速公路应用与处理技术，在我国城镇的高速公路建设中应用广泛[3]。该技术主要适用于处理黏土（淤泥质类型）、软土（如：海相软土、超软土等）及密实性土层（图层主体的承载力≥200 kPa）。其中，CFG桩是对水泥粉煤灰碎石桩的一个专业化的施工工程技术简称，该技术主要采用的原材料有：1）水泥原材料;2）粉煤灰原材料;3）工地实用碎石;4）中小颗粒的石屑或砂。其对应的加工技术为：把四种原材料进行不同比例的混合，然后加入固定比例的水，通过拌合的方式，形成具有极高物理粘结强度的混凝土桩，并通过多个混凝土桩与桩之间的桩间土融合在一起，并加入褥墊层，进而形成的牢固性较高的软土地基复合型高承载地基。

1.2 CFG桩复合地基的特点

CFG桩技术应用于高速公路的地基建设中，具有强度高、质量好、原材料价格低、承载年限长，且经济效益明显等特点。CFG桩技术最大的优势是，能够利用混凝土桩身的承载力，以及桩与桩之间的桩土因为摩擦而生成的摩擦力，把高速公路路面上的交通工具运输荷载，以传递的方式传递到深层的软土地基，从而有效改善原来土质层软土地基的土质基础结构，改变地基的最高承载压力。

2 某高速公路施工工程项目分析

2.1 某高速公路工程概况

我国某交通枢纽区域的高速公路部分区域，由于沿线的土质层属于软土和超软土土质层，且地质结构呈现海相土质层的特点。经过土质检测发现，该区域的软土层最大深度达到21 m，软土厚度大且呈现不均匀状态。经过力学测试证明，该区域的承载压力能力较差。该段高速公路的地基岩土主要表现为粘土层，在深度、塑形、指数和重度、空隙方面，数值如表1所示。

2.2 某高速公路工程设计要求

针对该段高速公路土质不佳的特点，在公路项目的施工中，土建项目工程的地基处理设计要求，根据国家标准化文件提供的参数，并经过综合考察与研究，最终设定为：1）处理后该段高速公路复合地基软土层承载力特征值≥410 kPa;2）该段高速公路复合地基经过沉降之后，长期最终沉降量<60 mm。

2.3 某高速公路工程施工的设计参数及设计计算

针对某高速公路的软土和超软土土质层个体化特点，考虑到该区域的地基及土质层为粘土+海相+超软土结构，在进行地基施工时，出于安全性和实用性角度考虑，采用CFG桩复合地基来完成该段软土区域地基层的土建施工。其中，部分区域的设计参数和计算方法，如下所示：

桩径Ф450 mm，通过数学计算的方式，计算桩周长：

Up=πd=3.14×0.45=1.413 m

考虑到CFG桩复合地基特点，通过数学计算的方式，计算出桩截面积：

Ap=1/4×πd2=1/4×3.14×0.452=0.158 9 m2

其中，有效CFG桩桩长为24.00 m，CFG桩保护桩长不小于0.50 m，以5层细砂为桩端持力层，桩端进入持力层层顶8.70 m。

2.4 某高速公路工程施工的承载力计算

2.4.1 单桩承载力计算

单桩竖向极限承载力标准值：

Rua==2 001.80 kN

单桩竖向承载力特征值安全系数k取2.0，即：k=2.0。

Ra=Rua/k=1 000.90 kN

2.4.2 复合地基承载力计算

取桩间距1.60 m×1.70 m，则面积置换率：

m===0.058，β=0.9，基础持力层fsk =100 kPa，将相应参数代入下式得fspk的值，其对应计算公式为：

fspk

经过计算，可以获知，fspk的值为415.91 kPa，该数据值>410 kPa，满足设计要求。

2.4.3 桩体强度

桩体混合料试块（边长150 mm立方体）标准养护28 d抗压强度平均值：

=4×415.91/0.158 9≈23.0 MPa

根据现行规范要求，同时考虑工程重要性等级、荷载、地层、桩长及养护条件等影响因素，取桩体强度为C25，施工时以试验室提供的配合比为准。

2.5 褥垫层铺设

基础底板下铺设压实后厚度为200 mm的褥垫层，褥垫层材料选用10～20 mm碎石，用平板振动器振压不少于4遍。

2.6 地基变形计算

根据勘察报告中的地层资料及已有资料，采用CFG桩复合地基方案时，地基沉降按下式计算：

式中：S——地基最终沉降量，单位为mm;

——基础底面计算点至第i层土、第i−1层土底面范围内平均附加应力系数;

——按分层总和法计算出的地基沉降量;

——基础底面至第i层土、第i−1层土底面的距离，单位为m;

——沉降计算经验系数;

n——地基沉降计算深度范围内所划分的土层数;

P0——对应于荷载标准值时的基础底面处的附加压力，单位为kPa;

Esi——基础底面下第i层土的压缩模量，加固区按复合模量计算。

3 项目工程施工相关实验研究

3.1 项目工程施工参数确定

公路的品质和路基质量直接相关，要提高路基的强度，提升高速公路的承载能力和稳定性，当高速公路的施工线路处于不良地质区域时，就需要使用CFG技术来改善地基承载力，提高地基密度，减少地基基底的含水率。该实验在实验过程中采用了两种测试方式，分别是实验室室内测试方式和现场试验测试方式，其主要的实验目的包括以下两点：

（1）在实验室内进行施工路段土质干密度测试试验后，再到施工现场进行二次干密度试验，确定二者之间的内在关系，并获取项目的干密度指标，确定现场施工的桩基基础碾压次数。

（2）在实验室内利用智能化设备，研究该路段土质层处于不同含水率时，干密度和含水率之间的潜在性内联关系。

3.2 实验室的相关实验操作

3.2.1 实验相关内容和步骤

针对高速公路海相超软土CFG桩复合地基的加固技术，在实验室室内的实验现场，为了有效排除实验仪器潜在的一定偶然性特点，对实验仪器需要展开合理地科学性评价。利用压路机发挥实验设备的效率，能够在保证室内实验数据真实度的基础上，提高实验软土基层的压实度。

在实验室中，分别实施6次碾压，并结合现场实验室采集的数据，获得CFG桩的承载压力和限载压力，同时也能够获取CFG桩身的侧边摩擦阻力。在前两次的碾压操作中，CFG桩的两侧摩擦阻力不同，两边呈现不同的承载压力值，通过多次的碾压操作（该次实验为6次），实验室两侧摩擦阻力基本相近。在施工现场的实验步骤与实验室的实验步骤基本相同[4]。

3.2.2 实验獲取相关实验结果分析

通过实验室的实验和施工现场的实验，把两个实验对应的测试数字放在一起，并对实验结果进行有效分析。该实验的实验结果主要包括以下内容：

（1）在高速公路的海相软土地基中，CFG桩在施工过程中产生的孔隙水压力存在增长较快的特点，孔压的增长峰值为105 kPa。同时，从实验过程中可以看出，距离CFG桩越近的时候，孔隙的水压越大，CFG桩海相软土地基的影响就越显著。

（2）CFG桩在处理海相超软土地基时，可以采用振动沉管法对该段地基实施合理有效的处理。与此同时，CFG桩在成桩的过程中，将会对桩周围的软土和超软土造成不同程度的影响，且当沉管法沉管时，CFG桩对地基土会产生较为明显的挤土现象，这种现象的出现，导致CFG桩桩周的孔隙水压力出现不同程度的增强现象，直接促使CFG桩周的土质土表强度在短时间内呈现下降现象。另外，采用振动法时，当拔管时也会对CFG桩周围的土层产生一定的潜在性影响，并导致CFG桩周土层的孔隙水压获得了一定的压力值增长。

（3）CFG桩施工完成后，在施工后的最初一段时间内，孔隙水压呈现消散较快的趋势，在一小时以内，土层的大部分孔隙水压都得到了一定的改善与消散。但是，当时间超过一小时后，水压的消散速度会变慢，且呈现越来越慢的趋势，此时由于CFG桩周围的土层在短时间内难以实现高效率的固结，则极有可能带来CFG桩内强度的恢复效果不良。因此，需要加强对孔隙水压的控制。

（4）在该高速公路施工项目的海相软土地基CFG桩施工中，同一深度的软土层，施工后CFG桩的桩周土在参数锥尖阻力的实验中发现，施工前的土层锥尖阻力随CFG桩与其距离的加大而增加，并渐渐趋向于1.0的锥尖阻力。其中，CFG桩的桩周土层为天然沉积的海相软土和超软土层。

4 CFG桩海相超软土地基加固技术的施工质量控制

从桩基施工的开始阶段，需要针对性地对CFG桩桩基工程进行必要的项目施工质量检测，保证CFG桩基的正常使用，并在高速公路的高承载荷载下，确保工程的使用年限和施工质量。当CFG桩的类型不同或是CFG桩的施工方法不同时，检测的内容和侧重点也不相同，此时需要检测的数据内容基本相同，分别为：1）CFG桩的几何受力相关条件检验;2）CFG桩身质量的测试与检验;3）CFG桩身承载力与其对应的强度检验。其中，CFG桩的抗压强度检验采用钻取混凝土芯样的方式来进行。海相超软土地质条件复杂，需要对CFG桩进行复合地基承载力检测。针对以上三点，控制海相超软土的土质层区域的CFG桩工程施工质量，能够确保高速公路工程项目的安全性和可靠性，也能确保整个工程项目的质量。

5 结论

实验研究证明，CFG桩复合地基荷载应力与运输车辆的荷载应力呈现正比变化规律。在某海相超软土路基填筑施工过程中，针对CFG桩复合地基的特点，计算CFG桩复合地基相关参数数值，用以处理海相超软土土质的地基不稳问题效果明显。同时，从施工质量控制角度出发，解决软土和超软土层高速公路建造的技术问题，能够提升该海相超软土路段的高速公路施工建设质量，提高高速公路的运输安全性。改进后的CFG桩海相超软土地基实施加固技术，为深厚软基土层高速公路施工带来更好的工程应用体验，在强化超软土公路承载压力的同时，满足国家高速公路沉降的控制要求。

参考文献

[1]耿胜楚. 利用煤化工装置含硫化氢酸性气生产甲硫醇钠的工艺研究[J]. 氮肥与合成气， 2019（7）： 16-18.

[2]张秀勇， 王海龙， 李杰. 碎石桩复合地基在大丽高速公路软土地基处理中的应用[J]. 河海大学学报（自然科学版）， 2021（5）： 455-459.

[3]牟琦， 李兵. CFG桩在软土地基施工中的应用[J]. 交通世界， 2021（27）： 91-92.

[4]朱洪志， 李颖， 孙文超， 等. 高效橡胶改性沥青除味剂的研制及应用[J]. 当代化工， 2021（8）： 1831-1835.

收稿日期：2022-01-10

作者简介：赵福（1985—），男，函授本科，工程师，研究方向：公路工程。