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摘要:本文就CFG桩在高速公路软基路段处理中的应用进行了探讨,通过对某具体工程的勘察,得出软土地层的工程地质特征,并从几种处理方案中选取了CFG桩为最终方案,还对CFG桩作了设计计算分析,以期能为CFG桩更好地应用在高速公路软基处理中而提供参考。
关键词:CFG桩;高速公路;软基路段处理;设计计算
1引言
所谓的CFG桩,是英文Cement Fly-ash Gravel的缩写,意为水泥粉煤灰碎石桩,由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和,用各种成桩机械制成的可变强度桩,是我国20世纪80年代末开发的一项新的地基加固技术。随着社会经济的快速发展和工业化进程的不断加快,CFG桩被应用在了高速公路软基路段的处理中。本文就CFG桩在高速公路软基路段处理中的应用进行了探讨,以期能为CFG桩更好地应用在高速公路软基处理中而提供参考。
2软基的工程地质勘察
本文依托某沿海高速公路第三标段项目,施工过程遇到大面积软土地段,针对此处进行了软基的勘察设计。
2.1软土路段勘察点的布设
根据工可资料以及现场调查,软土范围为K30+778~K32+595约2km,实际钻探后进行了路基方式和桥梁方式对比,初定路基段约为1km。该段软土为滨海相沉积,表层广泛分布一层冲海积成因可塑状粉质粘土,下部为海积成因流塑状淤泥质土,区域内地形较平缓,水系较发达,多处有塘,池塘段积水较多。该处填土高度为6m采用路基方案,则需要进行路基处理。
软基初步勘察的目的,主要为查明软土分布范围、厚度及其物理力学性质,为地基沉降与滑移的计算防治提供指标及参数。根据《公路工程地质勘察规范》对软土初勘的要求,并结合路线内的桥梁钻孔布设情况,进行了勘探点的布设,布设原则为:路基中线每500~700m布置一钻探点。一般性钻孔可穿过软土层进入下卧硬层2~3m终孔;配合钻孔,1km设3~4个静力触探点,用以划分横、纵向软土范围及地层分界;1km1~2个静力触探参数点布置在钻孔附近5m以内。深度达到软土分布的底层;每个代表性段落沿深度方向软土层进行十字板剪切测试,每一深度测2个以上剪切指标。
根据以上原则,对该段软基共布设钻孔3个,因为要做路基方案与桥梁方案对比,因此深度按桥梁钻孔深度要求控制;布设静力触探点4个;布设十字板剪切试验点2个。
2.2软基段地层的工程地质特征
该段软土的地层的工程地质特点为:地表为一层粉质粘土或素填土,下为淤泥,之后为巨厚层粉-细砂,最下面为卵石层;淤泥的主要成分为粘粒,含少量有机质,含水量大于液限,软塑~流塑,高压缩性,性质差,强度低。淤泥层厚度变化比较大,为冲海积成因可塑状粉质粘土,层厚约4.5~12.00m。
3软基处理方案对比
深层软基处理技术常用的手段有袋装砂井法、挤密砂桩法、振冲碎石桩法、粉喷桩、塑料排水板、加筋土工布、钢渣桩法、CFG桩、深层搅拌等方法。项目实施过程中,我们收集了广东省内处理软基的常用手段和经验,对常用方法进行了对比,结合本项目软基特点,最终选择处理方案。
(1)排水固结法(+预压法):本处软土的渗透系数较小,因此,插塑料排水板的排水效果不理想,只能采用堆载预压,但该方法的施工周期较长,堆载时间需1.5年,加上路面结构和附属设施的施工约0.5年,基本在2.0年左右。而真空预压法的施工设备和施工工艺较为复杂,对施工队的施工要求较高,综合处理费用也较高。该方法因施工简单,费用相对较低,曾一度被当地广泛采用,但从已建成的公路来看,处理段路面不均匀变形较严重,因此不推荐采用排水固结法。
(2)深层挤密法:考虑到碎石桩在淤泥质土层、泥炭质土层等较差土层中成桩能力比较差,影响碎石桩处理地基的效果。不推荐采用此方法。
(3)水泥搅拌桩:水泥土搅拌桩对有机质含量高的地基土处理效果不佳。由于有机质使土体具有较大的水溶性和塑性,较大的膨胀性和低渗透性,并使土具有酸性,这些因素都阻碍水泥水化反应的进行。同时,如果地下水含量较高或者流动性较大,同样也会影响水泥搅拌桩的成桩质量,水泥土的抗压强度随着原状土含水量的增加迅速降低,因此在泥炭质土层比较厚的路段,深层水泥搅拌桩的处理效果就比较差。不推荐此方法。
(4)高压喷射注浆法(旋喷):旋喷法适用于粉质粘土、淤泥质土、新填土、饱和的粉细砂(即流砂层)及砂卵石层等的地基,针对本方案比较适用,但该方法施工工艺很复杂,造价较高,所以不建议此方法。
(5)CFG桩:在碎石桩中加入水泥和粉煤灰,又称水泥粉煤灰碎石桩,是在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤灰和少量水泥,加水拌和制成的一种具有一定粘结强度的桩,这种地基加固方法吸取了振冲碎石桩和水泥搅拌桩的优点。第一,施工工艺与普通振动沉管灌注桩一样,工艺简单,与振冲碎石桩相比,无场地污染,振动影响也较小。第二,所用材料仅需少量水泥,便于就地取材。第三,受力特性与水泥搅拌桩类似。因此推荐使用此方法。
4 CFG桩设计计算
CFG桩加固软弱地基,桩和桩间土一起通过褥垫层形成CFG桩复合地基。CFG桩在受力特性方面介于碎石桩和钢筋混凝土桩之间。与碎石桩相比,CFG桩桩身具有一定的刚度,不属于散体材料桩,其桩体承载力取决于桩侧摩阻力和桩端端承力之和或桩体材料强度。地基处理价格也相对适中。
根据场地的地层情况,初步选择粉细砂为持力层,桩长初拟为14m,CFG桩的施工方法采用振动沉管法形式,桩径初拟为500mm。假设路堤填石(土)的平均重度为25kN/m3,计算得出基础地面的平均压力Pk为150kPa。
(1)单桩承载力的计算
Rk=upΣqsihi+qpAp (1)
式中:Rk为单桩承载力标准值,kN;up为桩的周长,m;qsi,qp为第i层土的极限摩阻力,桩端极限端阻力,kPa;hi为第i层土厚度;Ap为桩的截面面积。
由表1可知桩穿越的3个土层———粉质粘土、淤泥和粉细砂各自的摩阻力,粉细砂桩端阻力取值为300kPa,代入公式(1)求得Rk=495kN。
(2)复合地基承载力的计算
pk≤fspk+γm(d-0.5)(2)
式中:fspk为复合地基承载力标准值,kPa;γm为基础底面以上土的加权平均重度,地下水位以下取浮重度;d为基础埋置深度,m;一般自室外地面标高算起,对条基和独立基础自室内地面标高算起。计算得出γm=9.6kN/m3,由公式(2)
计算得出fspk≥154.8kPa,代入(3)。
fspk=m(Rk/Ap)+αβ(1-m)f0 (3)
式中:fspk为复合地基承载力标准值,kPa;M为面积置换率;αa为桩间土提高系数,1.0~1.5,此处取1;β为桩间土承载力折减系数0.75~0.9,此处取折减系数为0.75;f0为天然地基承载力,由表1查得,为100kPa;
可以得出m为≥0.0326。
当采用正方形布桩时,桩间距s为
桩间距的选择是CFG桩处理公路软基的热点问题,目前经验采用的间距经常为1.6~1.8m,因此,虽然该处理论计算值结果可将间距扩大,但考虑到间距过大会产生桩应力集中问题,因此根据地区经验进行调整,取间距为1.8m,此时m为0.06,复合地基承载力特征值fspk=222kPa。
(3)沉降计算
在初步确定桩长、桩径和桩间距之后,也就是说在满足复合地基承载力要求之后,需验算这3个参数是否能满足变形要求。
关键词:CFG桩;高速公路;软基路段处理;设计计算
1引言
所谓的CFG桩,是英文Cement Fly-ash Gravel的缩写,意为水泥粉煤灰碎石桩,由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和,用各种成桩机械制成的可变强度桩,是我国20世纪80年代末开发的一项新的地基加固技术。随着社会经济的快速发展和工业化进程的不断加快,CFG桩被应用在了高速公路软基路段的处理中。本文就CFG桩在高速公路软基路段处理中的应用进行了探讨,以期能为CFG桩更好地应用在高速公路软基处理中而提供参考。
2软基的工程地质勘察
本文依托某沿海高速公路第三标段项目,施工过程遇到大面积软土地段,针对此处进行了软基的勘察设计。
2.1软土路段勘察点的布设
根据工可资料以及现场调查,软土范围为K30+778~K32+595约2km,实际钻探后进行了路基方式和桥梁方式对比,初定路基段约为1km。该段软土为滨海相沉积,表层广泛分布一层冲海积成因可塑状粉质粘土,下部为海积成因流塑状淤泥质土,区域内地形较平缓,水系较发达,多处有塘,池塘段积水较多。该处填土高度为6m采用路基方案,则需要进行路基处理。
软基初步勘察的目的,主要为查明软土分布范围、厚度及其物理力学性质,为地基沉降与滑移的计算防治提供指标及参数。根据《公路工程地质勘察规范》对软土初勘的要求,并结合路线内的桥梁钻孔布设情况,进行了勘探点的布设,布设原则为:路基中线每500~700m布置一钻探点。一般性钻孔可穿过软土层进入下卧硬层2~3m终孔;配合钻孔,1km设3~4个静力触探点,用以划分横、纵向软土范围及地层分界;1km1~2个静力触探参数点布置在钻孔附近5m以内。深度达到软土分布的底层;每个代表性段落沿深度方向软土层进行十字板剪切测试,每一深度测2个以上剪切指标。
根据以上原则,对该段软基共布设钻孔3个,因为要做路基方案与桥梁方案对比,因此深度按桥梁钻孔深度要求控制;布设静力触探点4个;布设十字板剪切试验点2个。
2.2软基段地层的工程地质特征
该段软土的地层的工程地质特点为:地表为一层粉质粘土或素填土,下为淤泥,之后为巨厚层粉-细砂,最下面为卵石层;淤泥的主要成分为粘粒,含少量有机质,含水量大于液限,软塑~流塑,高压缩性,性质差,强度低。淤泥层厚度变化比较大,为冲海积成因可塑状粉质粘土,层厚约4.5~12.00m。
3软基处理方案对比
深层软基处理技术常用的手段有袋装砂井法、挤密砂桩法、振冲碎石桩法、粉喷桩、塑料排水板、加筋土工布、钢渣桩法、CFG桩、深层搅拌等方法。项目实施过程中,我们收集了广东省内处理软基的常用手段和经验,对常用方法进行了对比,结合本项目软基特点,最终选择处理方案。
(1)排水固结法(+预压法):本处软土的渗透系数较小,因此,插塑料排水板的排水效果不理想,只能采用堆载预压,但该方法的施工周期较长,堆载时间需1.5年,加上路面结构和附属设施的施工约0.5年,基本在2.0年左右。而真空预压法的施工设备和施工工艺较为复杂,对施工队的施工要求较高,综合处理费用也较高。该方法因施工简单,费用相对较低,曾一度被当地广泛采用,但从已建成的公路来看,处理段路面不均匀变形较严重,因此不推荐采用排水固结法。
(2)深层挤密法:考虑到碎石桩在淤泥质土层、泥炭质土层等较差土层中成桩能力比较差,影响碎石桩处理地基的效果。不推荐采用此方法。
(3)水泥搅拌桩:水泥土搅拌桩对有机质含量高的地基土处理效果不佳。由于有机质使土体具有较大的水溶性和塑性,较大的膨胀性和低渗透性,并使土具有酸性,这些因素都阻碍水泥水化反应的进行。同时,如果地下水含量较高或者流动性较大,同样也会影响水泥搅拌桩的成桩质量,水泥土的抗压强度随着原状土含水量的增加迅速降低,因此在泥炭质土层比较厚的路段,深层水泥搅拌桩的处理效果就比较差。不推荐此方法。
(4)高压喷射注浆法(旋喷):旋喷法适用于粉质粘土、淤泥质土、新填土、饱和的粉细砂(即流砂层)及砂卵石层等的地基,针对本方案比较适用,但该方法施工工艺很复杂,造价较高,所以不建议此方法。
(5)CFG桩:在碎石桩中加入水泥和粉煤灰,又称水泥粉煤灰碎石桩,是在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤灰和少量水泥,加水拌和制成的一种具有一定粘结强度的桩,这种地基加固方法吸取了振冲碎石桩和水泥搅拌桩的优点。第一,施工工艺与普通振动沉管灌注桩一样,工艺简单,与振冲碎石桩相比,无场地污染,振动影响也较小。第二,所用材料仅需少量水泥,便于就地取材。第三,受力特性与水泥搅拌桩类似。因此推荐使用此方法。
4 CFG桩设计计算
CFG桩加固软弱地基,桩和桩间土一起通过褥垫层形成CFG桩复合地基。CFG桩在受力特性方面介于碎石桩和钢筋混凝土桩之间。与碎石桩相比,CFG桩桩身具有一定的刚度,不属于散体材料桩,其桩体承载力取决于桩侧摩阻力和桩端端承力之和或桩体材料强度。地基处理价格也相对适中。
根据场地的地层情况,初步选择粉细砂为持力层,桩长初拟为14m,CFG桩的施工方法采用振动沉管法形式,桩径初拟为500mm。假设路堤填石(土)的平均重度为25kN/m3,计算得出基础地面的平均压力Pk为150kPa。
(1)单桩承载力的计算
Rk=upΣqsihi+qpAp (1)
式中:Rk为单桩承载力标准值,kN;up为桩的周长,m;qsi,qp为第i层土的极限摩阻力,桩端极限端阻力,kPa;hi为第i层土厚度;Ap为桩的截面面积。
由表1可知桩穿越的3个土层———粉质粘土、淤泥和粉细砂各自的摩阻力,粉细砂桩端阻力取值为300kPa,代入公式(1)求得Rk=495kN。
(2)复合地基承载力的计算
pk≤fspk+γm(d-0.5)(2)
式中:fspk为复合地基承载力标准值,kPa;γm为基础底面以上土的加权平均重度,地下水位以下取浮重度;d为基础埋置深度,m;一般自室外地面标高算起,对条基和独立基础自室内地面标高算起。计算得出γm=9.6kN/m3,由公式(2)
计算得出fspk≥154.8kPa,代入(3)。
fspk=m(Rk/Ap)+αβ(1-m)f0 (3)
式中:fspk为复合地基承载力标准值,kPa;M为面积置换率;αa为桩间土提高系数,1.0~1.5,此处取1;β为桩间土承载力折减系数0.75~0.9,此处取折减系数为0.75;f0为天然地基承载力,由表1查得,为100kPa;
可以得出m为≥0.0326。
当采用正方形布桩时,桩间距s为
桩间距的选择是CFG桩处理公路软基的热点问题,目前经验采用的间距经常为1.6~1.8m,因此,虽然该处理论计算值结果可将间距扩大,但考虑到间距过大会产生桩应力集中问题,因此根据地区经验进行调整,取间距为1.8m,此时m为0.06,复合地基承载力特征值fspk=222kPa。
(3)沉降计算
在初步确定桩长、桩径和桩间距之后,也就是说在满足复合地基承载力要求之后,需验算这3个参数是否能满足变形要求。