水泥攪拌樁和CFG樁復(fù)合地基在軟土路基處理的工程應(yīng)用及對比分析

        摘要:本文介紹了水泥攪拌樁和CFG樁復(fù)合地基兩種常用的軟土路基處理方法,基于地基沉降和承載能力雙重控制考慮,結(jié)合工程實(shí)際情況,從設(shè)計(jì)和施工兩個方面對兩種軟土路基處理方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和對比分析,軟土路基處理要因地制宜綜合利用地基處理方法,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理施工可以減少差異沉降,具有很好的理論價(jià)值和工程實(shí)際意義。

  關(guān)鍵詞:軟土路基,水泥攪拌樁,CFG樁,復(fù)合地基,承載力,沉降

  1前言

  復(fù)合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強(qiáng)或被置換,或在天然地基中設(shè)置加筋材料,加固區(qū)是由兩種不同剛度(或模量)的材料基體(天然地基土體)和增強(qiáng)體兩部分組成的人工地基[1-5]。近些年來,復(fù)合地基技術(shù)在房屋建設(shè)(包括高層建筑)、高等級公路、市政、高鐵、堆場、機(jī)場、堤壩等工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。水泥攪拌樁和CFG樁都是兩種典型的復(fù)合地基處理方法。本文結(jié)合工程實(shí)際情況,基于基于地基沉降和承載能力雙重控制考慮,對軟土路基處理中常用的兩種復(fù)合地基處理方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和對比分析,具有很好的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

  2兩種處理方法的基本概念

  水泥攪拌樁法是利用水泥(或石灰)等材料作為固化劑,通過特制的攪拌機(jī)械,在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌,由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理-化學(xué)反應(yīng),使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土,從而提高地基強(qiáng)度額和增大變形模量。水泥深層攪拌樁加固機(jī)理是通過水泥的水解和水化反應(yīng)、水泥水化物與土顆粒之間的離子交換和團(tuán)粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化學(xué)反應(yīng)而成為具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土樁體[4-7]。

  水泥攪拌樁的布樁形式非常靈活,可以根據(jù)荷載要求及地質(zhì)條件選擇加固形式,根據(jù)地層結(jié)構(gòu)采用適當(dāng)方法進(jìn)行沉降計(jì)算,由構(gòu)筑物對變形的要求確定加固深度,選擇施工樁長。軟土路基處理都是在滿足強(qiáng)度要求的條件下以沉降進(jìn)行控制。根據(jù)土質(zhì)條件、固化劑摻量、室內(nèi)配比試驗(yàn)資料和現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn)選擇樁身強(qiáng)度和水泥摻入量及有關(guān)施工參數(shù)。根據(jù)樁身強(qiáng)度大小及樁的斷面尺寸,計(jì)算單樁承載力;根據(jù)單樁承載力及土質(zhì)條件計(jì)算出有效樁長;根據(jù)單樁承載力、有效樁長和上部結(jié)構(gòu)要求達(dá)到的復(fù)合地基承載力,極端樁土面積置換率;為了對水泥攪拌樁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確定最優(yōu)置換率、最優(yōu)樁體剛度及有效樁長[3,6,8]。

  水泥粉煤灰碎石樁法(簡稱CFG樁),是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和,用振動(錘擊)沉管打樁機(jī)或其它成樁機(jī)具形成高粘結(jié)強(qiáng)度樁,并由樁、樁間土和褥墊層一起組成復(fù)合地基的地基處理方法。CFG樁其主要用來加固地基,和被擠密的樁間土一起,通過褥墊層形成CFG樁復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載。褥墊層是樁與樁間土形成復(fù)合地基的必要條件,其加固軟土地基主要靠樁體作用、擠密作用和褥墊層作用。CFG樁不同于碎石樁,是具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的混合料,在荷載作用下CFG樁的壓縮性明顯比其周圍軟土小,因此基礎(chǔ)傳給復(fù)合地基的附加應(yīng)力隨地基的變形逐漸集中到樁體上,出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,復(fù)合地基的CFG樁起到了樁體作用[4,9,10]。

  每一種地基處理方法,都有其使用的地質(zhì)條件和范圍,以及特定的施工方法,在不同的條件下會遇到不同的問題,都要因地制宜具體分析。對復(fù)合地基進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),合理選用最好的處理方法或幾種方法綜合同時利用,最大限度地提高復(fù)合地基的承載潛力,在保證安全的前提下盡可能地選用經(jīng)濟(jì)合理的地基處理方法,降低工程造價(jià)。

  3兩種地基處理方法的對比分析

  對于處理復(fù)雜軟土路基,必須對每一種地層組合計(jì)算復(fù)合地基的承載力和變形,如果變形滿足要求,則地基承載力也滿足要求,反之則不一定成立,因此變形驗(yàn)算和調(diào)整是復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行復(fù)合地基設(shè)計(jì)與施工的重點(diǎn),但現(xiàn)行規(guī)范中并未給出這種條件下的設(shè)計(jì)方法,而設(shè)計(jì)人員為回避風(fēng)險(xiǎn),常設(shè)計(jì)長30m以上的樁基礎(chǔ),造成了很多的浪費(fèi)。傳統(tǒng)復(fù)合地基理論屬于強(qiáng)度控制理論范疇,假定上部荷載全部由地基增強(qiáng)體來承擔(dān),完全不考慮地基土的承載能力,設(shè)計(jì)中通常采用等代墩基分層總和法計(jì)算,但地基土是能夠分擔(dān)荷載的,隨著地基增強(qiáng)體間距增大,構(gòu)筑物的沉降和差異沉降略有增加,但不迅速增加。由于涉及到兩種或兩種以上性質(zhì)差異較大的材料所組成的復(fù)合地基,其應(yīng)力應(yīng)變協(xié)調(diào)機(jī)理比較復(fù)雜,對復(fù)合地基合理優(yōu)化設(shè)計(jì),就是突破常規(guī)限制,使地基土工作于極限承載力狀態(tài)下,在總體承載力和沉降量雙重控制下,使復(fù)合地基的局部和整體的差異沉降盡可能的小,從而進(jìn)一步控制差異沉降。

  對于水泥攪拌樁:

  單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值

 。1)

 。2)                                  

  復(fù)合地基承載力(3)

  沉降(4)

  對于CFG樁:

  單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值(5)

 。6)

  復(fù)合地基承載力(7)

  沉降(8)

  式中:為強(qiáng)度折減系數(shù),一般取0.3-0.5;為樁身試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值(Kpa),為樁的截面積(m2),為樁的平均直徑(m),為樁長范圍內(nèi)第層土的厚度(m);為第層土的側(cè)壁摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值(Kpa);為樁端土承載力標(biāo)準(zhǔn)值(Kpa);為單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值(KN),為樁端土承載力折減系數(shù),一般取0.3-0.6;為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值(Kpa),為樁間土天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值(Kpa),為樁間土承載力折減系數(shù),反映樁土間共同作用,一般取0-1.0;為樁群體變形(mm),為樁端末加固土層變形(mm),為樁群體的變形模量(Kpa),為樁底面各土層的變形模量(Kpa),為樁群底面寬度(m),為樁長(m);,為樁群底面末加固土層的附加應(yīng)力系數(shù)。為樁體28天立方體試塊強(qiáng)度(Kpa),為面積置換率;為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù);為樁、土應(yīng)力比;為加固區(qū)分層數(shù);為總的分層數(shù);為荷載在第層中產(chǎn)生的平均附加應(yīng)力Kpa)。

  從兩種復(fù)合地基處理方法中單樁承載力和復(fù)合地基承載力的計(jì)算來看,單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值都是在樁本身承載力(受樁身強(qiáng)度控制)和樁土共同作用時承載力(受地基土承載力控制)中取較小值,復(fù)合地基承載力則都通過樁間土承載力折減系數(shù)和面積置換率來考慮樁土共同作用。但是兩種復(fù)合地基處理方法的加固機(jī)理完全不同,水泥攪拌樁主要是靠水化作用、硬凝作用和碳酸化作用等物理化學(xué)作用,而CFG樁主要靠樁體作用、擠密作用和褥墊層作用等物理作用。水泥攪拌樁設(shè)計(jì)時主要確定樁徑、樁長、褥墊層、加固范圍、水泥摻入量,樁的承載力以及樁的布置形式等。水泥攪拌樁適用于路基不穩(wěn)定,軟土厚度較大的地段。施工技術(shù)成熟,工期短,處理效果較好,實(shí)際工程中使用廣泛,在各種復(fù)合地基處治方案中造價(jià)較低,但施工監(jiān)理難度大,對軟基下部攪拌不易均勻,處理的深度有限。而CFG樁設(shè)計(jì)時主要確定樁徑,樁距,樁長,樁體標(biāo)號、褥墊層等;CFG樁適用于軟土厚度大、承載力要求高的橋涵構(gòu)造物及高路堤地段,處理的厚度大于15米。施工工期短,處理效果好,質(zhì)量容易控制,可處理深層軟土,但施工工藝復(fù)雜,工程造價(jià)高,具有沉降量小、承載力高、穩(wěn)定快、工期短等特點(diǎn)。

  4、工程應(yīng)用實(shí)例分析

  本工程位于廣州市海珠區(qū)南洲路,地基軟土為海陸交互淤泥質(zhì)土上分布較廣,埋藏較淺,層頂深度1.50m-8.10m,層厚2.0m-13.10m、平均厚度6.0m,淤泥質(zhì)土均為飽和、流塑狀態(tài),其天然含水性高,孔隙比大,壓縮性高,強(qiáng)度低,滲透系數(shù)小,對于埋藏較淺、較厚的路段對路基和構(gòu)造物承載力都有很大影響。本工程軟土路基處理綜合考慮本項(xiàng)目所在場地的地質(zhì)情況,施工工期、施工工藝、取材、工程造價(jià)等因素,并充分吸取珠三角地區(qū)軟基處理的成功經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行多方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較和合理優(yōu)化設(shè)計(jì),才選擇最佳地基處理方案。對于一般軟土或垃圾填埋路基,當(dāng)處理深度在2.5m以內(nèi)時,采用淺層換填的處理措施,對于超過2.5m處理深度的軟土路基,采用水泥攪拌樁或CFG樁+袋裝砂井兩種地基處理方法。為了在整體承載力和沉降量都滿足要求的基礎(chǔ)上盡量減少差異沉降,本工程實(shí)際施工中采用以下兩種方式,一種是根據(jù)變形的大小調(diào)整各計(jì)算點(diǎn)的置換率調(diào)整樁間距,通過試算變形直到滿足要求為止;另一種是有意布置短樁,在沉降小的部位布置短樁,增加樁端壓縮層厚度。

  本工程采用的水泥攪拌樁樁徑為0.5m,按正三角形布置,處理深度應(yīng)穿過軟土層至少0.5m,樁頂設(shè)置50cm的粗砂墊層采用四噴四攪工藝,樁身強(qiáng)度保證不少于1.0Mpa,對于一般路基,橫向處理范圍為路基坡腳外1m,樁間距為1.5m,對應(yīng)加固后的復(fù)合地基承載力應(yīng)達(dá)到100Kpa。對于橋頭路段,樁間距應(yīng)適當(dāng)減少,根據(jù)具體實(shí)際計(jì)算,有些減少到1.0m。

  對于構(gòu)造物地基軟土處理,本工程采用CFG樁+袋裝砂井處理20m深度以內(nèi)的軟土,采用7cm袋裝砂井,CFG樁直徑0.4m,按矩形布置,樁的立體抗壓強(qiáng)度大于12Mpa,在CFG樁之間插設(shè)Φ7cm袋裝砂井、樁間距縱向2.0m,砂墊層厚50cm,上鋪1層雙向土工格柵,CFG樁和袋裝砂井均穿透軟土層。對于橋頭軟基路段,采用CFG樁和袋裝砂井處理20cm深度以內(nèi)的軟土,采用7cm袋裝砂井,CFG樁直徑40cm,按矩形布置,在CFG樁之間插設(shè)袋裝砂井,樁間距縱向由2.2m逐漸減少到1.8m,砂墊層60cm厚,上鋪兩層雙向土工格柵。

  通過對以上兩種復(fù)合地基處理方法成樁后的單樁復(fù)合地基承載力試驗(yàn)和工后沉降進(jìn)行檢查對比分析,兩種復(fù)合地基處理的單樁復(fù)合地基承載力試驗(yàn)和工后沉降都符合設(shè)計(jì)要求,達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。CFG樁和袋裝砂井兩者結(jié)合使用在軟土地基處理,可以有效的提高地基承載力,并能有效的減少路基加載后深層沉降和側(cè)向位移,滿足了路基工后沉降及穩(wěn)定的要求。廣州地區(qū)地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜,在某些條件下使用水泥攪拌樁復(fù)合地基也能取得預(yù)期的效果。

  水泥攪拌樁和CFG樁復(fù)合地基兩種處理方法在軟土路基中應(yīng)用廣泛,都有自己的優(yōu)點(diǎn)和適用性,工程實(shí)際中要根據(jù)各自特點(diǎn)加以選用或綜合應(yīng)用。復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要充分發(fā)揮復(fù)合地基的承載潛力,在整體承載力和沉降量都滿足要求的基礎(chǔ)上使差異沉降接近于零。復(fù)合地基設(shè)計(jì)時要因地制宜選擇復(fù)合地基方案或綜合利用各種復(fù)合地基處理方案,合理選擇持力層位置,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),在整體安全度和平均沉降量雙重控制下,讓復(fù)合地基在接近極限荷載條件下工作必須堅(jiān)持變形控制和變形協(xié)調(diào)的原則,使構(gòu)筑物在荷載作用下各部分均勻變形和協(xié)調(diào)發(fā)展。減少差異沉降還可以合理優(yōu)化施工來實(shí)現(xiàn),一種是根據(jù)變形大小非均勻布樁調(diào)整各計(jì)算點(diǎn)的置換率;另一種是有意布置短樁,在沉降小的部位布置短樁,增加樁端壓縮層厚度,從而使地基各點(diǎn)均勻沉降。

  

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