CFG桩复合地基在公路工程地基处理中的应用
——以南充嘉陵大道B段为例
2018-07-11孙冰洋杨顺生
孙冰洋， 杨顺生
(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)
南充化学工业园文峰片区一期基础设施建设项目二标段(嘉陵大道B段)位于南充市嘉陵区文峰镇，道路全长5 776.530 m，设计路面宽32.00 m，道路为城市次干道，该道路路面设计使用年限20年。里程K0+940～K1+220段道路东侧高填方路基以粉土及细砂为主，该层压缩性高，承载力低，属于软土地基，未经处理不能作为天然地基土。
现根据里程K0+940～K1+220段道路东侧高填方路基勘察情况，该范围内基底持力层范围内以粉土及中砂为主，承载力不能满足上部荷载的设计要求。根据道路填方高度，将本次处理范围划分为3个区域，其中区域1为直接路基土，区域面积约3 589 m2，填方高度最大14 m，根据设计要求，该区域处理后复合地基承载力特征值fspk≥260 kPa，复合土层的压缩模Es≥10.0 MPa；区域2为道路护堤土，区域面积约4 873 m2，填方高度最大14 m，根据设计要求，该区域处理后复合地基承载力特征值fspk≥175 kPa，复合土层的压缩模量Es≥8.0 MPa；区域3为道路护堤土，区域面积约3 228 m2，填方高度最大达到25.5 m，根据设计要求，该区域处理后复合地基承载力特征值fspk≥280 kPa，复合土层的压缩模量Es≥12.0 MPa。根据业主、设计及相关专家意见：需对基底附近软弱土层进行复合地基加固处理，增加软弱地基土层承载力的同时削除不均匀沉降。本设计经有关单位审批后，可作为设计依据，严格实施。
根据勘察报告及设计要求，本工程需对基底下软弱地基土进行地基处理。根据设计单位承载力要求，同时满足地基沉降相关要求，区域1处理后复合地基承载力特征值fspk≥260 kPa，复合土层的压缩模量Es≥10.0 MPa；区域2处理后复合地基承载力特征值fspk≥175 kPa，复合土层的压缩模量Es≥8.0 MPa；区域3处理后复合地基承载力特征值fspk≥280 kPa，复合土层的压缩模量Es≥12.0 MPa。由于场地地下水位埋深较浅(约2.5 m)，而软土地基埋深较大(最大约13.5 m)，故不能采用插塑板结合堆载预压进行处理；由于场地内软土地基以粉土为主，其状态为稍密，粘聚力C值为16，故采取粉喷桩、高压旋喷桩等处理措施难以保证达到影响范围，效果不好。根据设计文件要求，结合相关规范及我院成功经验，综合考虑本工程地基处理方式拟采用CFG桩复合地基方案对基底面以下软弱土层进行加固处理，采用长臂螺旋结合沉管处理施工工艺。
1 CFG桩复合地基处理
1.1 设计取值及计算公式
1.1.1处理深度
设计桩顶标高为265.00 m。CFG桩处理深度应穿过粉土及中砂，以稍密卵石或强风化砂岩为桩端持力层，桩端进入稍密卵石或强风化砂岩不小于1.0 m，持力层厚度不小于3.0 m。根据剖面形态，桩长按各各区域划分如下：1区域的桩长最短为6.8 m，最深为14.4 m，平均桩长10.5 m，由于该段桩长变化较大，按平均桩长10.5 m计算；2区域的桩长最短为10.5 m，最深为14.7 m，平均桩长13.1 m，按最短桩长10.5 m计算；3区域的桩长最短为10.8 m，最深为14.9 m，平均桩长14.2 m，按最短桩长10.8 m计算。
1.1.2桩径
根据所采用的成桩设备和结合已有施工经验，CFG桩桩径确定为400 mm，桩身材料采用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、石屑等硬质材料，其含泥量小于5 %，填料粒径不大于50 mm。
1.1.3桩间距的确定
根据设计要求，分为3个区域进行计算。区域1处理后复合地基承载力特征值fspk≥260 kPa，复合土层的压缩模量Es≥10.0 MPa；区域2处理后复合地基承载力特征值fspk≥175 kPa，复合土层的压缩模量Es≥8.0 MPa；区域3处理后复合地基承载力特征值fspk≥280 kPa，复合土层的压缩模量Es≥12.0 MPa。
通过对本工程项目技术经济比较，本方案采用三角形布桩，桩径400 mm。以强风化泥质砂岩层或稍密卵石作为桩端持力层，桩端进入持力层不小于1.0倍桩径。
根据下列公式进行计算：
(1)
(2)
(3)
de=1.05s(等边三角形布桩)或de=1.13s(正方形布桩)
(4)
(5)
式中：fspk为复合地基承载力特征值(kPa)，设计要求340 kPa；fsk为处理后桩间土承载力特征值(kPa)；取处理后承载力，粉土、中砂分别取80 kPa(桩间土压缩模量综合考虑取4.0 MPa)、100 kPa；fak为基础底面下天然地基承载力特征值(kPa)；Ap为桩的截面积(m2)；Ra为单桩竖向承载力特征值(kN)；β为桩间土承载力折减系数，取0.90；λ为单桩承载力发挥系数，取0.70；αp为桩端端阻力发挥系数，取1.00；m为桩土面积置换率；de为1根桩承担的处理地基面积的等效圆影响直径；s为桩间距；d为桩直径(m)，取0.40 m；μp为桩的周长；fcu为桩体试块(边长为150 mm立方体)标准养护28 d的立方体抗压强度平均值，本工程取值为20 MPa；qp为计算Ra时的最小桩端土承载力特征值，按人工挖孔桩取强风化泥质砂岩层为750 kPa；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值；Ipi为桩长范围内第i层土的厚度；
1.2 针对不同区域的设计
1.2.1区域1
(1)单桩承载力计算。
根据式(3)：
故取Ra=700.00 kN。
(2)桩间距S计算
由式(1)得：
按三角形布桩，由式(2)和式(4)得：
(3)复合地基承载力验算。
取桩间距：s=1.6 m，分别代入式(1)～式(4)验算复合地基各参数。
fspk=313.1 kPa>260 kPam=0.05668>0.04460
故当s=1.6 m时，复合地基承载力满足设计要求。
(4)复合地基的压缩模量。
当：fspk=313.1 kPa时，根据式(5)得：
(5)桩体材料强度计算。
CFG桩按三角形布桩，桩间距取1.6m，处理区面积约3 589 m2，共1 707根，桩号1～1 707。
1.2.2区域2
(1)单桩承载力计算。
根据式(3)。
故取Ra=700.00 kN。
(2)桩间距S计算。
由式(1)得：
按三角形布桩，由式(2)和式(4)得：
(3)复合地基承载力验算。
取桩间距：s=2.2 m，分别代入式(1)～式(4)验算复合地基各参数。
fspk=190.14 kPa>175 kPam=0.02998>0.02526
故当s=2.2 m时，复合地基承载力满足设计要求。
(4)复合地基的压缩模量。
当：fspk=195.75 kPa时，根据式(5)得：
(5)桩体材料强度计算。
CFG桩按三角形布桩，桩间距取2.2 m，处理区面积约4 873 m2，共1 189根，桩号1 708～2 896。
1.2.3区域3
(1)单桩承载力计算。
根据式(3)。
故取Ra=710.00 kN。
(2)桩间距S计算。
由式(1)得：
按三角形布桩，由式(2)和式(4)得：
(3)复合地基承载力验算。
取桩间距：s=1.6 m，分别代入式(1)～式(4)验算复合地基各参数。
fspk=316.69 kPa>280 kPam=0.05668>0.04845
故当s=1.6 m时，复合地基承载力满足设计要求。
(4)复合地基的压缩模量。
当：fspk=316.69 kPa时，根据式(5)得：
(5)桩体材料强度计算。
CFG桩按三角形布桩，桩间距取1.6 m，处理区面积约3 589 m2，共1 516根，桩号2 896～4 412。
1.3 设计结论
综上，该工程采用CFG桩复合地基处理，1区域CFG桩按三角形布桩，桩径取400 mm，平均桩长为10.5 m，桩间距取1.6 m，处理区面积约3 589 m2，共1 707根，桩号1～1 707；2区域CFG桩按三角形布桩，桩径取400 mm，平均桩长为13.1 m，桩间距取2.2 m，处理区面积约4 873 m2，共1 189根，桩号1 708～2 896；3区域CFG桩按三角形布桩，桩径取400 mm，平均桩长为14.2 m，桩间距取1.6 m，处理区面积约3 589 m2，共1 516根，桩号2 896～4 412。具体桩长见各里程段横断面图，施工过程中如发现和地勘报告土层描述相差较大时及时上报设计单位，变更设计。
2 地基变形计算
根据JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》的7.7.2中的第8条规定，地基变形计算按GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》计算。根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》第5.3.5、5.3.6及5.3.6公式，地基变形计算深度Zn应符合下式的规定，
ΔSi′为计算深度范围内，第i层土的计算变形值(mm)；ΔSn′为计算深度向上取厚度Δz的土层计算变形值(mm)。
根据《建筑地基基础设计规范》，计算地基变形时，地基内的应力分布，可采用各项同性均值线性变形体理论，其最终的变形量可按照下式进行计算：
1区域变形量：S=60.75 mm<300 mm
2区域变形量：S1=110.54 mm<300 mm，S2=107.04 mm<300 mm
3区域变形量：S=66.04 mm<300 mm
根据JTG D30-2015《公路路基设计规范》表7.6.4-2规定，一级公路一般路段的容许工后沉降量小于300 mm。因此满足规范的相关要求。
3 边坡稳定性分析
考虑到K1+200断面地形坡度较大，坡角约34°(剖面12-12′～18-18′)，为评价填土边坡可能沿现有地形线或基岩面滑动的可能性，选取代表性剖面1-1′(道路里程桩号K1+200.00东侧)计算分析。
选用折线滑动法计算模式： 假设填土沿整平后地形线滑动，计算公式如下：
工况：①自重；②自重+暴雨
计算参数见表1。
表1 材料参数
若按设计分别采取1∶2.0、1∶2.0、1∶1.75和1∶1.5四级放坡后，①自重：经计算，稳定系数为1.97，边坡稳定。②自重+暴雨：经计算，稳定系数为1.64，边坡稳定。
4 检测要求
(1)试桩：在桩正式施工前须进行试桩，试桩检测结果完成，并经我院认可后才能进行工程桩的施工。
(2)桩身强度检验，应对桩体进行取芯试块强度试验，桩体试块标准养护28d的立方体抗压强不小于20.0 MPa，数量不低于总桩数的2 %且不小于6点。
(3)桩身完整性检验，可采用低应变法进行，检测数量不低于总桩数的10 %，并作为静载选点的依据之一。
(4)承载力检测试验宜在施工结束28 d后进行，其桩身强度应满足试验荷载条件；复合地基静载荷试验和单桩静载荷试验的数量不应少于总桩数的0.5 %，且每个单体工程的复合地基静载荷试验的试验数量不应少于3点。
5 CFG桩施工工艺
本工程CFG桩拟采用长螺旋钻机施工工艺，其优点是施工造价低、设备行动灵活、施工方便、噪音低、无环境污染，可大规模同时作业，施工工期短、效率高。
桩施工工艺流程为定位放线→桩位测量布置→机械钻孔(钻孔前先沉管)→检查桩径及垂直度→钻孔至设计孔深→浇灌桩身混凝土。
6 结论
(1)以复合地基设计计算结果数据看，本道路工程复合地基的承载力得到大幅度的提高，地基变形得以降低和控制。
(2)由于CFG桩系高粘结强度的水泥粉煤灰碎石桩，其刚性桩性状明显，不配钢筋，并可充分发挥桩间土的承载力，工程造价仅为桩基的 1/3～1/2，经济效益和社会效益显著。
(3)本文根据道路的填方高度不同，对道路的直接路堤和道路护堤土采取分别设计，较大地节约了工程造价。
