机场高填方红黏土地基GC-CFG组合桩处理试验研究

刘维正 ，吴民晖，冯瑜，徐阳

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 中南大学 高速铁路建造技术国家工程研究中心，湖南 长沙 410075；3. 民航机场规划设计研究总院有限公司，北京 100002)

随着我国经济社会的快速发展，国家不断推进基础设施的建设，例如在中西部地区大规模建设的山区机场。由于我国幅员辽阔，地形复杂，工程建设中不可避免会遇到特殊地基。在我国，红黏土广泛分布于云贵高原、四川东部、两湖和两广北部，是一种区域性特殊土。红黏土具有高含水率、高孔隙比、高液限等不良物理性质，同时却表现出高强度、低压缩性等良好力学特性，常作为建筑地基和铁路与公路的持力层，但红黏土失水易干裂、遇水强度骤降的强水敏性，以及在竖直剖面上常呈现上硬下软和横剖面上厚度变化大的特征，导致红黏土地基在上覆荷载作用下产生过大的工后沉降与差异沉降，造成上部建筑开裂、边坡坍塌和路基破坏等问题[1-2]。而山区机场常形成填挖交替的高填方和高边坡，机场道面对不均匀沉降要求又严格，其下卧红黏土地基沉降控制面临较大挑战。因此，对高填方荷载下红黏土地基加固处理的研究具有重要意义。对于红黏土地基的处理方法，一般有冲压法[3]、强夯法[4]、强夯置换法[5]、碎石桩法[6]等。由于对沉降要求的日益提高，强夯法或单一桩型复合地基等工法不再满足需求，因此提出了多桩型复合地基，可以避免单一桩型的不利因素，形成优势互补，发挥出各桩型的优势[7]。如排水桩-不排水桩组合[8]，刚性桩与柔性桩的组合[9]。在不同的软弱地基上，多桩型复合地基都有广泛的应用。如在黄土区域，王旭等[10]采用振动沉管碎石桩与CFG桩，通过采用桩身重型动力触探和复合地基静载试验等，探讨了复合地基承载特性；马天忠等[11-12]研究了黄土地区的长短组合桩，通过室内试验全面分析了不同工况下桩身承载力和变形特征，认为桩身轴力与侧摩阻力的发挥具有异步性，指出桩长比、桩间距对沉降影响较大；在软土地区，李继才等[13-14]分析了采用GC-CFG桩时的受力特性，并建立了复合地基优化设计方案，结合软土路基填筑工程，运用解析法推导出了分级加载下组合渗流GC-CFG桩复合地基的固结解答；XIAO等[15]使用CFG桩与土工格栅联合加固，重点研究了地基置换率对路堤荷载引起桥台桩响应的影响，得到该方法能够显著改善桥台桩的性能，但置换率的阈值约为4.9%，超过该阈值则CFG桩的效果有限。在硅藻土地区，韩建文等[16]基于单桩静载、复合地基承载性能等现场试验，研究不同桩型加固硅藻土地基的适宜性以及硅藻土桩筏复合地基特性等，认为CFG桩、素混凝土桩及钢筋混凝土桩适用于硅藻土地基加固。除了现场试验方面的研究，在数值模拟方面，JIE等[17-18]分别使用有限元模拟了高填方机场的地基沉降和超高填方路堤荷载下传统刚性桩和柔性桩复合地基的加固机理和效果，分析了填筑体等因素对地基沉降的影响，提出2种提升复合地基安全系数的优化方案。WU等[19]研究了高填方软土地基上使用PHC桩加固的性能，通过现场试验和数值模拟得到了土体最大水平位移发生在路堤坡脚和中心线之间，软土绕桩周流动导致桩体弯曲破坏的结果。其余针对多桩复合地基的研究，也大多集中于桩长、桩径、桩的弹性模量以及褥垫层厚度、弹性模型对多桩型复合地基性状的影响，或CFG桩复合地基承载力计算等[20-23]。国内外学者在工程实践和理论等方面的研究都具有一定的借鉴意义，但目前仍然存在一些问题：对于GC-CFG桩的应用也多应用于黄土、软土等地区，较少应用于深厚红黏土区域，因而对工程实践的指导较少。本文结合贵阳机场三期扩建项目试验段，对GC-CFG桩复合地基进行动力触探、静载试验，标准贯入等原位试验，并结合土压力、孔隙水压力、地基沉降的监测结果，分析GC-CFG组合桩复合地基处理高填方红黏土地基的效果，探讨多桩型复合地基桩土承载特性，为今后在类似地区进行地基处理设计提供一定的借鉴。

1 试验段概况

1.1 工程地质条件

贵阳机场位于贵州省贵阳市东郊龙洞堡地区，是中国西部地区重要航空枢纽。2015年，机场三期扩建工程获批，新建一条近距离跑道，跑道长度4 000 m，且现状跑道向北延长300 m，达到3 500 m。鉴于该扩建工程地质、地形条件较为复杂，实施前拟开展试验段工程，试验段位于新建第2跑道中部靠东，图1为试验区段位置。

图1 试验区段分布Fig. 1 Distribution of airport test section

试验段位于机场跑道边坡影响区，场地地层结构自上至下可分为4个地层，如图2为试验区段地质剖面图，其性状为：

图2 试验段地质剖面图Fig. 2 Geological profile of test section

①素填土：厚度一般为0.5～3 m，承载力特征值80 kPa。②耕植土：分布于场地表面，厚度一般0.5～2.5 m，承载力特征值为50 kPa。③1硬塑红黏土：厚度一般为3～6 m，最厚达11.1 m，承载力为230 kPa。③2可塑红黏土：厚度一般为3～8 m，局部较大，最厚达12.7 m，承载力为180 kPa。④1强风化白云岩：厚度一般 3.0～6.0 m，承载力为400 kPa。④2中风化白云岩：一般埋藏厚度约为8.0～15.0 m，局部埋藏较深，约21.3 m，承载力标准值为3 000 kPa。其中对场地影响较大的为③1硬塑红黏土和③2可塑红黏土，其物理力学参数如表1所示。红黏土含水率高、孔隙比大，且基岩起伏不平造成其厚度分布不均，如对该区的软弱土采取措施不当，在建筑物、填筑土及飞机起降等荷载作用下，极易造成房屋建筑、跑道、滑行道等的不均匀沉降。

表1 红黏土物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of lateritic clay

1.2 地基处理方案

根据机场建设要求，跑道的工后沉降、工后差异沉降率不宜大于20 cm和1.0‰，滑行道的工后沉降、工后差异沉降率不宜大于30 cm，1.5‰。根据钻孔取样资料，存在27个钻孔剖面的沉降计算结果不能满足设计要求，对于不满足设计要求的区域，需采取适宜的方法进行地基处理。考虑到试验段区域红黏土地基厚度较大，强夯法和强夯置换法不再适用，拟采用单一CFG桩和GCCFG组合桩复合地基进行加固。

选取5个典型钻孔，采用分层总和法对单一CFG桩和GC-CFG组合桩复合地基沉降进行计算，桩间距均为1.2 m。根据土层性质把地基分成若干土层，把填筑体和道面荷载作为附加荷载，沉降计算深度取至下部岩层顶面。由于地基沉降使得原地面下沉，填筑体实际高度相应增加。考虑地基沉降引起的填筑体增高，土石方施工期为12个月，间歇期12个月，道面施工6个月；填筑体采用硬质石灰岩进行填筑，压实后容重根据该试验段勘察报告取为22.2 kN/m3；道面结构层厚度取0.8 m，重度为25 kN/m3；CFG桩复合土层模量约16.0 MPa，GC-CFG组合桩复合土层模量约12.0 MPa；其余参数见表2。计算结果如图3所示，其中工后沉降是根据一维固结理论计算道面完工时的固结度，再结合总沉降计算得到。对比2种复合地基，组合型复合地基处理后的总沉降比CFG桩复合地基总沉降大，但由于组合型复合地基有利于红黏土固结，组合型复合地基处理后工后沉降比CFG桩复合地基要小。故使用GC-CFG组合桩复合地基，碎石桩主要为增加排水通道便于地基固结，CFG桩主要减小地基变形沉降量。

表2 沉降计算参数Table 2 Settlement calculation parameters

图3 CFG桩和GC-CFG组合桩计算沉降对比Fig. 3 Comparison of calculated settlement between CFG pile and GC-CFG composite pile

试验区GC桩与CFG桩桩径均为500 mm，呈梅花形布置，桩长穿透红黏土层至基岩，如图4所示。按桩间距不同分为1.0 m(C1区)、1.2 m(C2区)和1.4 m(C3，C4区)，如图5所示。碎石桩施工完成后再施工CFG桩，CFG桩身混凝土强度等级C25，采用长螺旋钻机成孔和泵送混凝土成桩工艺，混凝土坍落度180～220 mm；最后在桩顶铺设60 cm厚碎石垫层。

图4 CFG-GC组合桩布置图Fig. 4 Layout of CFG pile + gravel pile

图5 监测点平面布置图Fig. 5 Layout plan of monitoring points

1.3 检测与监测方案

GC-CFG复合地基施工后分别采用重型动力触探检测碎石桩桩长、采用载荷试验检测CFG桩和复合地基承载力，并在载荷试验和填筑过程中埋设土压力盒测定桩土应力，且对复合地基处理前后红黏土进行全深度标贯试验。采用的主要仪器设备为重型触探仪LDBJC-YQ021，静力触探仪LDBJC-YQ046和标准贯入仪LDBJC-YQ015。

图5为试验区段内监测点布置图，分别用来监测孔隙水压力、水位的变化，桩顶面与桩间土压力的变化，填筑期间每天监测1次。其中，孔隙水压力计采用LXS-Z型孔隙水压力计，其测量精度为0.1 kPa；地下水位计采用电测水位计，测量精度为±10 mm；土压力盒采用TYJ-21型土压力计，测量精度为0.05 kPa。

2 试验结果分析

2.1 重型动力触探试验结果

在碎石桩施工完成28 d后采用重型动力触探检测，桩长应不小于设计值，桩长全深度内修正后动力触探击数(N63.5)当量值不低于5击，检测数量不小于总桩数1%。图6为3根典型碎石桩深度-锤击数关系曲线。可见：桩体在0.5～2.0 m范围内锤击数较大，密实度较好，这与垫层有直接关系，垫层施工采用挖方区强风化石料，可产生较大的侧向压力，约束碎石桩鼓胀变形的发展，故锤击数大；在2.0～3.0 m范围内锤击数约为15～20击，锤击数较高，比较密实；3.0～5.0 m锤击数约为5～10击，相对松散；6.0 m以下桩体随着深度的增加锤击数增大，说明桩体密实度较好。

图6 碎石桩深度-锤击数关系曲线Fig. 6 Relationship curve between gravel pile length and blow count

2.2 载荷试验结果

对复合地基中28 d龄期的CFG桩体进行载荷试验。因条件所限，P-S曲线不存在比例极限，未能加载至极限荷载，取实际加载荷载的一半确定单桩承载力特征值，可知CFG单桩承载力特征值大于480 kPa。共对28 d龄期的复合地基进行了22组复合地基实验，图7为桩间距1.4 m的CFG桩单桩及其组合桩复合地基载荷试验P-S曲线。得到组合桩复合地基承载力特征值介于391.7～488.3 kPa，满足复合地基承载力特征值不小于280 kPa的要求；平均为443.7 kPa，而红黏土原状土承载力标准值约为180 kPa，地基承载力提高幅度约为246%。这说明采用碎石桩联合CFG桩处理红黏土地基效果十分明显。如图8，对桩间距为1 m的复合地基进行多次试验取得承载力特征值平均为440.3 kPa，桩间距为1.2 m的复合地基承载力特征值平均为449.7 kPa，桩间距为1.4 m的复合地基承载力特征值平均为436.6 kPa。3种桩间距都能满足设计要求。但1.2 m桩间距承载力大于1 m桩间距区域，其可能原因为该处土层的表层硬壳层相对较厚，对碎石桩桩身约束效果更好。

图7 CFG桩载荷试验P-S曲线Fig. 7 P-S curves of CFG pile load test

图8 复合地基承载力特征值Fig. 8 Characteristic value of bearing capacity of composite foundation

通过查阅文献，得到在不同地质条件下复合地基承载力较单桩或原地基提高值，总结如表3所示。从表中可以看出采用CFG单桩或者GC-CFG组合桩，在不同地质条件下复合地基承载力都得到了提升。其提升幅度在246%至666%左右。这说明采用CFG桩对提高地基承载力具有较大作用，且适用于多种地质条件，在红黏土地层中效果较好。仅采用碎石桩作用不大：如在饱和黄土地基中，采用CFG桩加固，地基承载力提高幅度可达458%，而采用碎石桩时，仅提高110%，说明碎石桩主要起排水作用，对承载力提高效果不强。对比软土地基，其原地基承载力较小，采用GC-CFG组合桩处理后，复合地基承载力提升幅度更大。复合地基承载力的提高幅度主要受原状土承载力与地基处理参数的影响，地基处理工艺不同也会影响其提高幅度。

表3 CFG单桩和多桩型复合地基承载力Table 3 Bearing capacity of CFG single pile and multi pile composite foundation

2.3 标准贯入试验结果

对地基处理前后桩间土采用标准贯入试验，其检测结果如图9所示。当深度小于2 m时，标准贯入击数随深度变化不大。随深度增大，标准贯入击数随深度增加有较明显提高。表明复合地基能有效提高红黏土的全深度内标贯击数，桩间土性质得到明显改善。图中复合地基采用的桩间距分别为1.0，1.2和1.4 m，可以看出处理后桩间土的标贯击数当量值分别提高59.3%，69.5%和74.2%。通过静力触探试验得到复合地基的比贯入阻力结果如图10。分析可得，桩间距为1.0，1.2和1.4 m的桩间土比贯入阻力相对于原地基分别提高23.8%，28.9%和20.9%。当桩间距较小时，桩间土的强度增长并非最大，可能与桩间土受施工扰动，结构破坏有关系。因此建议采用1.4 m桩间距。

图9 处理前后标准贯入击数对比Fig. 9 Comparison of SPT blow counts before and after treatment

图10 处理前后比贯入阻力对比Fig. 10 Comparison of specific penetration resistance before and after treatment

3 监测结果分析

3.1 复合地基桩土压力

在复合地基载荷试验中，图11和图12为监测点实测桩顶与桩间土应力和应力比随荷载变化曲线，综合分析可得出以下规律：随着荷载从168 kPa增至336，504和672 kPa，复合地基中CFG桩顶、碎石桩顶、桩间土承受的应力都明显增大，且三者应力增长率关系为：CFG桩＞碎石桩＞桩间土，桩间土应力近线性增长。同时，CFG桩、碎石桩与桩间土的应力比也随着荷载的增大而增大。这说明对于不同的桩，桩顶应力大小与桩体的材料和承载特性有关，相对刚度越大，应力越集中。

图11 实测桩顶与桩间土应力-荷载曲线Fig. 11 Measured stress load curves of soil between pile and pile top

图12 应力比随荷载变化的关系曲线Fig. 12 Relation curves of stress ratio with loading

图13为填筑过程中不同桩间距的复合地基桩土应力情况，可以从曲线中发现土压力的增长与填筑高程同步变化。桩间距越小，CFG桩顶、碎石桩顶的土压力越大。图14为监测点的应力比随填筑过程的变化曲线。监测点区域桩间距分别为1.0，1.2和1.4 m。桩土应力比在填筑施工期，迅速变大，在预压期随时间增长逐渐降低并趋于稳定。其中桩间距1.0 m的最终桩土应力比约为7.0，桩间距1.2 m区域桩土应力比约为4.5，而桩间距为1.4 m区域桩土应力比约为2.9。说明桩土置换率越高，CFG桩承担荷载占比越大。填筑过程中的桩土应力比相对于载荷试验的结果偏小，说明桩承担的荷载仍有提高的空间，按桩间距1.4 m计算，达到载荷试验的桩土应力比时，CFG桩、碎石桩、桩间土的荷载分担比例为37%，12%和51%。显然，复合地基可以大幅减小桩间土承担的荷载，相应的减小沉降量。

图13 桩土压力随时间变化曲线Fig. 13 Pressure of piles and soil between piles with time

图14 桩土应力比随填筑高度的变化曲线Fig. 14 Variation curves of pile-soil stress ratio with filling height

桩土荷载分担比反映桩土共同作用特性，即加载的各个阶段桩所承受的荷载与桩间土承受的荷载的变化情况。图15为填筑过程中桩间距1.0 ，1.2和1.4 m区域测得的桩土荷载分担比变化曲线，随着填筑高程的逐级增加，荷载分担比随时间逐渐变化。随荷载增加，CFG桩荷载分担比逐渐减小，桩间土荷载分担比增加，而碎石桩荷载分担比不产生明显变化。说明随着荷载的增大，桩间土下沉，从而达到桩土共同承担上覆荷载的效果。

图15 桩土荷载分担比随填筑高度变化的关系曲线Fig. 15 Relation curves of pile-soil load sharing ratio with filling height

表4为不同地质的土层中GC和CFG桩对地基承载力的贡献度，其中CFG桩对地基强度增长的贡献度达到了67.5%至72%，这说明CFG桩对提高GC-CFG桩复合地基承载力起控制作用，且作用效果显著。主要在于地基处理中CFG桩多为长桩，压缩模量大于碎石桩，因而对地基承载贡献率大，对控制地基沉降也能起到较大作用。此外，相较于软土地基，处理后的红黏土复合地基承载力更高，CFG桩贡献率也更大。

表4 GC桩和CFG桩在组合型复合地基中的作用Table 4 Affect of GC pile and CFG pile in composite foundation

3.2 孔隙水压力分析

图16和图17分别为桩间距1.0，1.2和1.4 m 3种桩间距的复合地基不同测点孔隙水压力、地下水位随时间与填筑高度的变化曲线。从图中可以看出，当外部荷载不变时，孔隙水压力随着地下水位的波动而变化。随着填筑高程的增加，外部荷载增加，导致附加压力增加，土体内部的超静孔隙水压力迅速增长。停止加荷后，孔压并没有立刻消散，而是有一定的滞后性。随静置时间的增长，超静孔隙水压力快速消散，但消散速率逐渐减缓，整体上逐渐趋于初始孔压。孔压的快速消散表明有效应力不断增加，地基强度和抗变形能力得到了提高，该工法对红黏土地基的处理有效。

图16 孔隙水压力随时间变化曲线Fig. 16 Variation curves of pore water pressure with time

图17 地下水位和孔隙水压力变化曲线Fig. 17 Variation curves of groundwater level and pore water pressure with time

3.3 地基沉降观测分析

对复合地基处理区域进行沉降观测，桩间距采用1.4 m，监测点C125和C112填筑高度分别为24 m和25 m，监测结果如图18所示。其中，C125和C112累计沉降量为5.69 cm和6.48 cm，沉降速率为0.085 mm/d和0.081 mm/d。根据实测结果，时间取设计年限30年，采用双曲线法预测工后沉降分别为5.27 cm与5.65 cm。实测沉降和沉降速率的结果均表明工后沉降满足《民用机场岩土工程设计规范》(MH/T 5027—2013)对跑道和滑行道工后沉降分别为0.2 m和0.3 m的要求。

图18 GC-CFG桩加固红黏土地基沉降曲线Fig. 18 Settlement curve of lateritic clay foundation reinforced by GC-CFG piles

4 结论

1) 由于施工垫层侧向约束作用，碎石桩的重型动力触探锤击数在表层达到最大值，而后随深度的增加呈“C”型，整体较密实；CFG单桩承载力特征值大于480 kPa；GC-CFG组合桩的承载力相对原地基提高了2.46倍。

2) 3种不同桩间距复合地基加固后，桩间土的标贯击数当量值分别提高59.3%，69.5%和74.2%，锥尖阻力分别提高23.8%，28.9%和20.9%；桩间距较小时，由于受施工扰动导致土结构破坏，桩间土的强度增长并非最大；综合承载力特征值，桩间距可优化为1.4 m。

3) 载荷试验中，CFG桩、碎石桩与桩间土的应力随着荷载的增大而增大，桩体刚度越大，应力增加速率越快，同时随着荷载的增大和地基置换率的提高，CFG桩桩土应力比越高；实际填筑加载过程中，CFG桩土应力稳定在5.0左右，碎石桩桩土应力稳定在2.0左右，相对于载荷试验的结果偏小，表明CFG桩和碎石桩在实际承载过程中仍有较大发挥空间。

4) 孔隙水压力与沉降实测结果表明：静置期孔压快速消散，红黏土强度和抗变形能力提高，地基沉降逐渐趋于收敛，采用桩间距1.4 m的GCCFG组合桩可有效减小高填方工程的工后沉降。