高速路基CFG桩材料配合比及力学性能研究

2023-08-03叶舒健

城市建设理论研究（电子版） 2023年21期

叶舒健

腾达建设集团股份有限公司上海 300122

随着我国城市人口的日益剧增，居民住宅楼以及其他基础设施的需求越来越大，这时候的城市用地更加紧张。为了解决这一现象，提高城市居民的生活质量，高层、超高层建筑物就应运而生。此时软土地基的处理显得尤为重要，随着复合地基处理方法的日益成熟，在高层、超高层建筑地基上的应用也越来越多。CFG桩复合地基，也就是水泥粉煤灰碎石桩复合地基可以解决上述问题，CFG桩复合地基具有强度高、刚度大、造价低、施工周期短等特点，既能提高地基承载力，又能很好地控制地基变形，目前在工程中已经得到了广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益，现已成为广大岩土工作者的研究热点。

CFG桩材料配合比直接影响CFG桩复合地基的强度是否能满足现场工程需求。因此许多学者对此展开了研究。冯靖[1]结合某铁路客运专线CFG桩复合地基处理，对构成CFG桩的桩身材料进行了一系列物理力学特性试验研究。试验研究结果确定了合理的CFG桩桩身材料配合比，得出的配合比可以满足工程不同的强度要求和施工工艺要求，可供相关工程参考。在实际应用中，应尽早利用立方体试件7d龄期的抗压强度，或棱柱体试件7d龄期的轴心抗压强度，估算28d强度，以缩短建设周期，降低工程成本。试验结果表明，粗骨料粒径对于混凝土试件弹性变形模量的影响不大，只要满足施工工艺要求，不必考虑粗骨料粒径对于桩身强度的影响。

周晨[2]介绍了南京市城东污水处理厂工程CFG桩基配合比选择、试验的过程，并且通过对一组检测数据进行线性回归分析，确定了CFG桩体混合料的鲍罗米公式中的回归系数。

刘再成[3]CFG桩目前具有处理地基技术具有适应性广、承载力高、经济合理等特点。但其理论研究与实际施工过程中仍存在差异，尤其是混合量配合比设计、参数确定、复合地基承载力的计算方法等还有许多不完善的地方。结合某在建工程，通过理论设计、现场试验检验两方面进行了对比分析，提出了设计时相关参数的合理采用。

吴成余[4]为了研究CFG桩在四川广安至南充地区公路工程的适用性,研究了CFG桩的混凝土配合比，保持集料用量不变确定了水泥与粉煤灰的用量，在保证性能的基础上研究了煤矸石的最佳用量。结果表明：CFG桩混凝土抗压强度、抗折强度随水泥用量的增加而增加，抗压强度增幅较为稳定，而抗折强度增幅随水泥用量的增加而降低，应通用折压比确定水泥用量。CFG桩混凝土抗压强度、抗折强随着煤矸石用量的增加而减小，煤矸石替换集料用量不应超过495 kg/m3，提出了满足设计要求与经济性的配合比和施工控制要点。

本文依托北京新机场至德州高速公路京冀界至津石高速段主体工程，针对工程情况进行了分析根据工程需求进行了CFG桩材料配合比试验研究，得到了满足工程要求又经济合理的材料配比，为类似工程CFG桩材料配合比的选取提供参考依据。

1 工程地质及概况

1.1 工程概况

北京新机场至德州高速公路京冀界至津石高速段主体工程主线起自廊坊市固安县纪家庄村东京冀界，与北京段（新机场南北航站楼联络线）顺接，向南经西营、知子营、大辛阁、养马庄、康仙庄，在苏桥镇跨越大清河及赵王新河，后转向西南经大围河乡、文安县城西、大留镇东进沧州市境内，向南经梁召镇，终于任丘市梁召镇与津石高速交叉处，路线全长87.256km。京德高速ZT11标主线采用双向六车道高速公路标准建设，设计速度120km/h，路基宽度34.5m。汽车荷载等级：公路-Ⅰ级。路基、桥涵全长4.2km，包含主线路基、梁辛庄大桥、大河路2号及梁召枢纽互通；其中梁召互通立交长度为1900m、匝道8条，被交津石高速；互通区内设主线桥1303m/1座，匝道桥1795.533m/6座（A、B、C、D、E、F匝道桥）如图1所示。

图1 GK0+619.0~GK0+681.0位置示意图

1.2 工程地质条件

北京新机场至德州高速公路京冀界至津石高速段主体工程施工ZT11合同段箱涵址区工程地质条件简单，土体分布较稳定，场地稳定性较好。

1.2.1 土层物理性质

典型土层分布为：

①粉土：地表出露，层厚3.10m，层底标高3.18m，黄褐色，中密，稍湿～湿，土质均匀，切面稍粗粗，干强度一般。该层的承载力基本容许值[fa]=130kPa，摩阻力标准值qx=30kPa；

②粉质黏土：埋深4.30m，层厚2.30m，层底标高-0.32m，黄褐灰黄色，可塑，土质均匀，切面光滑，干强度及韧性中等，见锈染，局部夹黏土及粉土薄层。该层的承载力基本容许值[Ga]=140kPa，摩阻力标准值qk-35kPa；

③粉土：埋深7.85m，最大揭露层厚1.15m，福黄。黄褐色，中密～密实，稍湿～湿，土质不均，切面粗糙，干强度及韧性低，含粉砂，偶见姜石。该层的承载力基本容许值[fa]=150kPa，摩阻力标准值qu-35kPa。由于大部分是粉土、粉质黏土，可选用CFG桩进行箱涵复合地基的处理。

1.2.2 水文地质条件

（1）地表水：任丘市地处低平原区，地表水多呈自由漫流状态，顺地势由西向东北排泄。境内河流均为大清河水系南支，无自然河，多是利用原来的天然排水沟人工开挖的排灌河道。较大的河道有：东部地区的古洋河，源于献县，境内全长54.89km；西部地区的小白河，源于肃宁，境内全长48.7km；中部地区的任文干渠，西起七间房乡的大树刘庄，东到梁召镇阎家坞而后出境流入文安县，境内全长31.5km。此外，还有北部地区的赵王河、大清河及白洋淀卡河等。

（2）地下水：区内地下水主要赋存于第四系松散地层中，呈现多层结构的含水层系，含水层岩性主要为粉土、粉细砂，局部有中砂。在河道或古河道附近砂层呈多层状分布，总厚度一般在10～20m，河道间砂层多呈薄层状分布，总厚度一般小于10m。拟建场地地下水主要为第四系孔隙潜水，地下水位埋深10.80～12.70m左右，水位年变化幅度1.00～2.00m左右。浅层地下水位埋深变化较大，主要为大气降水补给，径流、排泄方式主要为河流及人工开采。浅层地下水位埋深一般为6～15m。

2 CFG桩配合比及力学性能研究

2.1 试验配合比初定

确定CFG桩水泥混凝土配合比的主要计算参数包括：水泥用量、混合料用量、用水量、粉煤灰用量、矿渣粉用量等。参考现有的资料和施工经验初步确定了上述部分参数，并据此参数设计了多组配合比用以进行试验。试验的主要目的是根据混凝土配合比对CFG桩成桩技术参数展开研究。配合比试验主要原材料如表1所示。

表1 各材料技术指标

各材料用量确定如下：

（1）用水量的确定

未掺外加剂时推定的满足实际塌落度要求的每立方米混凝土用水量为250kg/m3，外加剂减水率为32.0%。

根据公式:mw0=m'w0(1-β)=250×(1-0.32)=170(kg/m3）

（2）胶凝材料、矿物掺合料、外加剂和水泥用量

根据项目文件、技术规范要求及经验得出：①粉煤灰掺量15%，矿渣粉掺量15%；②根据计算及经验取基准水胶比：W/B=0.57。

胶凝材料用量：mb0=mw0/(W/B)=300kg/m3

水泥用量：mc0=mb0×βc=300×(1-0.3)=210kg/m3

粉煤灰用量：mc0=mb0×βf=300×0.15=45kg/m3

矿渣粉用量：mc0=mb0×βf=300×0.15=45kg/m3

外加剂用量：ma0=mb0×βa=300×0.01=3.0kg/m3

（3）粗、细骨料用量

根据施工经验确定砂率βs=45%

采用质量法计算混凝土配合比，假定密度：mcp=2390kg/m3

2.2 混凝土配合比的试配、调整与确定

根据上述配合比计算得基准配合比：试配拌制40L，各材料用量如表2所示。

表2 CFG素混凝土桩基础配合比

初始坍落度190mm，60min后坍落度为180mm，无泌水。测密度为ρ=2380kg/m3，粘聚性良好，保水性良好，工作性满足施工要求。

根据水胶比上下浮动0.03，用水量与试拌配合比相同，砂率与试拌上下浮动0.01，这两个配合比分别试配拌制40L，各种原材料用量如表3所示。

表3 CFG素混凝土桩不同水灰比各材料用量

配置完成后，W/B=0.60，初始坍落度195mm，60min后坍落度为180mm，无泌水，实测密度为2380kg/m3，粘聚性良好，饱水性良好，工作性满足施工要求。

W/B=0.54，初始坍落度190mm，60min后坍落度为185mm，无泌水，实测密度为2400kg/m3，粘聚性良好，饱水性良好，工作性满足施工要求。

2.3 强度试验

CFG桩试块抗压强度设计要求为20.0MPa。如表4所示，水胶比试块的28d抗压强度均符合要求。

表4 各水胶比试块的抗压强度

2.4 不同配比的材料新能对比

根据不同材料用量的配合比参数进行对比，如表5所示，得出W/B=0.54的C20水泥混凝土配合比性能最佳。从表中可以看出，抗压强度在编号3的情况下达到最佳，当龄期达到7d时其抗压强度为24.6MPa，当龄期为28d时其抗压强度达到最高为32.5Mpa。但从实际角度出发，当水胶比从0.60降至0.57后，龄期为28d时最大抗压强度上升5.5MPa，强度增大非常明显。而当水胶比从0.57降至0.54后，龄期为28d时最大抗压强度上升2.3MPa，强度增大值明显小于水胶比从0.60降至0.57的情况。而水胶比的的减小，会导致经济性的下降，所以综合考虑强度特性和经济性，选取水胶比为0.57的配比为最佳配比。