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(duì)比分析
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(jí)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(duì)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(duì)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)�；饔谩⒛沧饔�、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(duì)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(duì)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(dòng)（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(huì)遇到不同的問題，都要因地制宜具體分析。對(duì)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(shí)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(duì)比分析
對(duì)于處理復(fù)雜軟土路基，必須對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)主要確定樁徑，樁距，樁長，樁體標(biāo)號(hào)、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(duì)于埋藏較淺、較厚的路段對(duì)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(duì)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(shí)，采用淺層換填的處理措施，對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)加固后的復(fù)合地基承載力應(yīng)達(dá)到100Kpa。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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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