CFG 桩复合地基在深层软土路基处理中的应用

2023-02-24 07:39陈愿CHENYuan
价值工程 2023年2期
关键词:层土质土工后

陈愿CHEN Yuan

(昆明市政工程设计研究院(集团)有限公司,昆明 650228)

0 引言

软土是软弱粘性土的简称,主要是海相、河相、湖相的沉积物,基本处于饱和状态,含水量大于液限。软土的特点是:含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透系数小,具有灵敏性和触变性,物理力学性质变化大。

软土的抗剪强度低,填土后受压,可能产生地基剪切破坏或较大的沉降,从而导致路基的破坏。因此,需要对软土路基进行适当的处理,以增加其稳定性、减小沉降。软土路基的处理主要有两类:加速固结沉降或减小沉降量的沉降处理类;提高路基稳定性的稳定处理类[1]。软土路基处理方法的选择是关乎整个工程的质量、进度和投资的重要一点,快速、有效、经济的软土路基处理方法能够使工程获得良好的社会、经济效益。

软土路基的处理方法可以分为浅层处理及深层处理两类:换填法及抛石挤淤法主要用于浅层软土路基处理;堆载预压法、排水固结法、复合地基法主要用于深层软土路基的处理。本文主要讨论深层软土路基的处理。

1 软土路基处理方法

我国针对在软弱地基上修建道路开展了大量的研究工作,形成了多种各种软基处理的工法和技术,如:堆载预压法、竖向排水固结法、复合地基法等,这些方法在提高道路路基稳定性及控制道路工后沉降变形方面取得了较好的成果。

1.1 堆载预压法

路基填筑到超过设计标高的高度,使得软土地基承受超载作用二加速固结沉降,从而使路基较早达到设计荷载下的沉降量,将路面铺筑后的工后沉降控制在容许范围内是堆载预压的目的。然而,堆载量过大,可能超过路基和软土层的承载量,导致路基失稳。

1.2 排水固结法

对于软土层较厚且渗透性较小时,软土地基的自然固结较慢,为了加速其固结可以在软土层内引入排水单元。排水固结法是在地基内设置竖向排水井,对地基原有的排水边界条件进行了改变,缩短了排水距离,加速软土地基的排水固结。排水固结法通常由水平的砂垫层和竖向的排水井组成,竖向排水井的材料可用砂井或塑料排水板。该法对均匀的软土地基效果最好,当土层中含有砂层或泥炭质土时效果较差。

1.3 复合地基

天然地基在地基处理过程中,部分土体得到增强,或被置换,或在天然地基中设置加筋体,由天然地基土体或增强体两部分组成共同承担荷载的人工地基称为复合地基[2]。复合地基有柔性桩复合地基和刚性桩复合地基,常用于深层软土路基处理的复合地基是水泥搅拌桩复合地基、CFG 桩复合地基。

利用水泥作为固化剂,通过深层的搅拌机械在地基深处原位将软土和水泥进行拌合形成的复合地基称为水泥搅拌桩复合地基,该法对于地层中含有泥炭质土、塑性指数大于25 的粘土、有机质含量较高的土处理效果较差。

2 CFG 复合地基

CFG 桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称,CFG 桩桩体通常需达到C15 混凝土的强度,自身具有一定的强度,根据归法属于刚性桩,因此,CFG 桩不仅具有置换桩的特点,还拥有加固土桩的优势。同时,CFG 桩对于处理泥炭质土地基具有明显优势:采用CFG 桩其混合料具有可控性,且本身具有一定的粘结强度,只要施工措施合理很大程度上能保证成桩质量不受泥炭土中有机物的干扰。其次,CFG 桩一旦形成复合地基,便由桩土共同承担上部荷载,桩土应力比可通过褥垫层调整,形成较好的受力体系。最后,CFG桩对地下水没有过多干扰,孔隙水压力在地基抗力方面仍发挥着作用,原有地质环境的干扰比其它地基处理方法小。

CFG 桩不像排水固结法受制于土体本身固结系数的影响需要较长的时间才能达到效果,只要桩体材料根据一定的配合比拌合,养护期到达龄期要求即可进行下一道工序的施工,具有工期优势。同时,CFG 桩混合料含有粉煤灰,对于相同作用机理的混凝土桩、预制桩来说,具有相对较高的造价优势。

通过以上分析可以看出,CFG 桩复合地基在处理含有泥炭质土的深层软土力集中具有稳定性好、施工简便、承载力高、工程沉降控制方面更有优势,有较好的应用价值。

3 实例分析

3.1 工程地质概况

云南某城市一条新建道路,道路全长约2km,红线宽度40m,位于湖湘沉积地带,道路工程地地质情况如下:

①杂填土层,未经充分碾压,均匀性差。

②粘土:褐黄色、黄色为主,带褐色,可塑状态为主,局部软塑,饱和,高压缩性,切面平滑,质细,含少量铁锰质结核颗粒。

③泥炭质土:褐黑色、灰黑色,软~流塑状态,饱和,超高压缩性,高孔隙比,高含水量。有机质含量22.5%-62.6%,平均39.2%,含较多腐烂植物,局部夹淤泥薄层。

③-1 粉土:褐灰、灰色为主,夹褐色。中密为主,局部稍密,湿~很湿。中压缩性。切面较粗糙,不均匀夹粉砂薄层及少量粘土团块,含少量腐烂植物碎片。

④粘土:浅灰色、灰褐色,夹兰灰色,可塑状态为主,局部偏软塑。饱和。高压缩性。夹少量粉土粉砂团块,含少量腐烂植物碎片。

④-1 粉土:灰色、浅灰色,中密为主,局部稍密,湿~很湿。中压缩性。切面较粗糙,不均匀夹粉砂薄层及少量粘土团块,含少量腐烂植物碎片。

④-2 泥炭质土:褐黑色、黑色,软~可塑状态,饱和,高~超高压缩性,高孔隙比,局部高含水量。有机质含量5.8%-37.9%,平均17.3%,含较多腐烂植物,局部夹有机质粘土薄层。

④-3 粘土:浅灰色、灰褐色,夹兰灰色,软~流塑状态。饱和。高压缩性。夹少量粉土粉砂团块,含少量腐烂植物碎片,局部夹淤泥质土薄层。

⑤淤泥质粉质粘土:兰灰色、浅灰色,流塑状态。饱和。中~高压缩性。夹少量粉土、粉砂团块,含少量腐烂植物碎片。

⑤-1 泥炭质土:褐黑色、黑色,软塑状态为主,饱和,高~超高压缩性,高孔隙比,高含水量。有机质含量26.9%-50.8%,平均37.2%,含较多腐烂植物。

⑥粉土:灰色、浅灰色,中密为主,局部密实,湿。中压缩性。切面较粗糙,不均匀夹少量粉砂及粘土团块,含少量腐烂植物碎片。摇振反应中等,干强度低,韧性低。(表1)

表1 各土层主要物理力学指标及承载力特征值建议表

根据地质勘查资料揭示,道路下伏深层软土,层厚可达10m 以上,需对其进行处理。

3.2 天然地基沉降设计算

根据地质勘查单位所提供的地勘资料,对天然地基沉降量,在路堤荷载作用下的沉降量进行了计算。

沉降计算采用应力面积法进行,道路沿线路堤的高度一般路段在2m 左右,路堤荷载(附加应力荷载)取40kPa,选取两个典型断面进行计算。

p0:基础底面处的附加压力值(kPa);

ψ:沉降计算经验系数;

Esi:基础底面下第i 层土的压缩模量(kPa);

zi、zi-1:基础底面下第i 层土、第i-1 层土的厚度(m);

表2 为特征断面的沉降计算结果。

表2 天然地基特征断面的沉降计算

从上述计算可以看出,工后沉降超过规范一般路段工后沉降容许值30cm,需对天然地基进行处理。

3.3 CFG 桩复合地基沉降计算

根据前文分析,对该道路软土路基采用CFG 桩复合地基处理,对于CFG 桩复合地基,根据地质勘查资料,根据规范采用下述公式对单桩承载力和复合地基承载力进行预估。

Ra:单桩竖向抗压承载力特征值(kN);

AP:单桩截面积(m2);

up:桩的截面周长(m);

n:桩长范围内所划分的土层数;

qsi:第i 层土的桩侧摩阻力特征值(kPa);

qp:桩端土地基承载力特征值(kPa);

α:桩端土地基承载力折减系数,可取1.0。

fspk:复合地基承载力特征值(kPa);

fsk:桩间土地基承载力特征值(kPa);

βp:桩体竖向抗压承载力修正系数,可取1.0;

βs:桩间土地基承载力修正系数,端承桩可取0.1-0.4;

m:复合地基置换率。

本项目取桩径0.5m,桩间距1.8m,正三角形布置,置换率为0.07,设计复合地基承载力为140kPa。

复合地基沉降=加固区内的沉降+软弱下卧层的沉降

φp:桩体压缩经验系数,一般可取1/2-1/3;

Q:桩桩顶附加荷载(kN);

l:桩长(m);

Ep:桩体压缩模量(kPa);

△Pi:第i 层土的平均附加应力增量(kPa);

Esi:基础底面下第i 层土的压缩模量(kPa);

li:第i 层土的厚度(mm);

φs2:复合地基加固区下卧土层压缩变形量计算经验系数(m)。

作用在复合地基加固区下卧层顶部的附加压力采用压力扩散法进行计算:

pz:软弱下卧层顶面处的附加压力值(kPa);

l:基础底边的长度(m);

h:复合地基加固区深度(m);

a:基础长度方向桩的外包尺寸;

b:基础宽度方向桩的外包尺寸;

p0:复合地基加固区顶部的附加压力(kPa);

表3 为特征断面的沉降计算结果。

表3 CFG 桩复合地基处理后特征断面的沉降计算

从上述计算可以看出,工后沉降小于城市道路路基设计规范[3]要求的一般路段工后容许沉降值30cm。在实际使用过程中,道路沉降较小,CFG 桩复合地基处理取得良好效果,CFG 桩复合地基处理如图1,图中单位均以cm 计。

图1 CFG 桩复合地基处理图

4 结论

通过以上分析可以看出,CFG 桩复合地基具有稳定性好、施工简便、承载力高、质量容易控制,在工后沉降及造价控制方面更有优势,有较好的应用价值。

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