CFG桩在铁路软土路基中的应用研究
时间：2023-02-03 16:20:09 来源：千叶帆 本文已影响人
【摘要：】文章通过分析CFG桩加固软土地基原理，介绍了CFG桩设计参数确定方法，并依托某铁路软土路基工程，从材料选择、配合比设计、施工工艺、质量检测等方面研究了CFG桩处治软土路基的应用技术。工程应用结果表明，CFG桩处治铁路软土路基效果良好，满足设计规范要求，具有较强的适应性。
【关键词：】铁路工程;软土路基;CFG桩;加固机理;工程应用
U213.1+5A581914
0 引言
近年来，随着我国铁路网密度逐渐增大，线路穿越淤泥、杂填土、湖岸等软弱土地区的比重不断提高[1-2]，建设难度也随之提高，尤其是高速铁路。软土工程技术性质差，天然含水率高，承载能力低，固结性差[3-5]，若软土处治不当就立即填筑路堤填料，在铁路运营阶段路基易产生不同程度的沉降，危害列车运行安全，增加路基养护维修成本。因此，提高软土地基承载能力是减少路基沉降、保证列车安全舒适运行的重要前提。
随着软土路基处治技术的发展和应用经验的积累，针对软土路基地质条件、承载力及施工环境选择合适的处治措施是十分关键的。鉴于此，本文依托某高速铁路对CFG桩加固软土地基开展系统性研究，可为软土地区高速铁路地基处治提供建设性意见。
1 CFG桩加固软土路基
1.1 CFG桩加固软土路基原理
水泥粉煤灰碎石桩（Cementflyashgravel Pile，简称“CFG桩”）是由水泥、粉煤灰、碎石和石屑或砂经加水充分拌和后形成具有一定胶结强度的桩，较碎石桩刚度有所提高，且与土体间的侧向摩阻力大大提高，能显著解决碎石桩、水泥搅拌桩承载能力低、处理深度浅的问题，在黏性土、粉土等软弱地基中应用广泛[6-9]。另外，CFG桩与桩间土、褥垫层共同组成复合地基，可进一步加固路基。其组成形式如图1所示。当路基受到列车和路基自重产生的垂直荷载时，桩间土和CFG桩因荷载作用产生变形，而CFG桩刚度高，其变形量低于土体变形量，可通过褥垫层抵消桩向上的作用力，且桩间土变形量利用垫层材料进行补充，从而增大桩间土和CFG桩的承载力。
CFG桩复合地基各组成部分作用机理如下：
（1）褥垫层。这是CFG桩复合地基的重要组成部分，可对路基所受的垂直荷载调整分布，均匀传递给桩和桩间土，且抵消桩体的反向作用力，改善桩和桩间土的受力状态。桩体以承担竖向垂直荷载为主，褥垫层的设置辅助桩间土抵抗水平荷载，减少水平荷载对桩体的影响，避免桩体断裂，且随褥垫层厚度增加，桩体承担竖向荷载比例提高，水平荷载比例降低，而桩间土则相反。
（2）CFG桩。这是CFG桩复合地基承担竖向垂直荷载的主要部分，至少承担铁路45%～75%的荷载作用力[8-9]，其单桩承载力主要由桩侧向摩阻力和桩端阻力构成。在路基自重及列车荷载作用下，桩体出现下沉，与桩间土形成相对位移，桩侧向摩阻力逐渐发挥作用，使桩体和桩间土共同承担荷载作用力。另外，桩体还起到挤密土体的作用。
（3）桩间土。这是CFG桩复合地基承担外部荷载的重要部分。桩体施工过程中，桩间土受到挤密作用，其承载能力提高，且桩体侧向摩阻力增加，对桩体起到一定约束作用，从而改善桩体整体使用性能。在褥垫层对外部荷载的调整分布作用下，桩间土和桩体按照一定荷载分布比例共同承担外部荷载作用，构成复合地基，保证路基的整体稳定性。
1.2 CFG桩设计参数
在铁路软土路基处治中，CFG桩设计主要确定桩长、桩径、桩间距、桩体强度及材料、垫层材料及厚度等参数[10]。
（1）桩长。桩长由工程建筑物设计要求（承载力和变形）、岩土资料及工艺设备等因素确定，一般情况下CFG桩桩端设在持力层下1.0～1.5 m。
（2）桩径及桩间距。桩径及桩间距的确定需考虑路堤填筑高度、列车荷载、复合地基承载力、地质材料及施工设备等因素。桩径一般为400～600 mm;桩间距一般为3～5倍桩径，宜采用正三角形、正方形或矩形布置。
根据CFG桩复合地基工作机制，可按式（1）估算地基承载力：
CFG桩在铁路软土路基中的应用研究/赵峰光
σsp=mPAp+β1-mσs（1）
式中：σsp——复合地基承载力（kPa）;
m——面積转换率;
[P]——单桩竖向容许承载力（kN）;
Ap——桩身截面面积（m2）;
β——桩间土承载力折减系数;
σs——地基处治后桩间土容许承载力（kPa）。
单桩竖向容许承载力[P]按式（2）计算：
[P]=Pmax/2U∑ni=1qili+Apqp （2）
式中：U——桩身截面周长（m）;
qi、qp——第i层桩间土容许侧阻力、桩尖地层容许端阻力（kPa）;
li——第i层土的厚度（m）。
（3）桩体强度及材料。无侧限抗压强度是控制桩体质量的重要指标，其抗压强度平均值应满足式（3）要求。
Pf≥3[P]/Ap （3）
式中：Pf——边长150 mm的立方体试件室内标准养护28 d抗压强度平均值（MPa）。
CFG桩由水泥、粉煤灰、碎石和石屑或砂经加水拌和后形成。水泥一般选用42.5级及以上强度等级的普通硅酸盐水泥，粉煤灰宜选Ⅲ级及以上等级的粉煤灰，碎石、石屑和砂应满足技术要求和相应级配设计要求。当混凝土泵送性不满足施工要求时，可掺入适量的泵送剂。
（4）垫层材料及厚度。桩顶应设置加筋垫层，增强整体结构稳定性。垫层材料一般选用砂砾石、碎石等，最大粒径≤30 mm，垫层厚度宜取300～600 mm。可根据垫层厚度设置扩大桩头或桩帽。
2 工程应用
2.1 工程概况
某新建高速铁路项目DK435+675～DK435+749段为软土路基，场地表层覆盖有4～16 m黏土，硬塑性，具有弱膨胀性，表层以下为断层角砾岩、白云岩、泥质白云岩、泥岩强风化层、弱风化层。地质资料揭示，下伏基岩岩溶强烈发育，溶隙、溶缝、溶蚀破碎带发育，岩体溶蚀破碎严重。
结合工程建设标准及地质条件、工艺设备等因素，软土路基段设计单桩承载力≥300 kN，设计强度≥10 MPa，桩长为16～20 m，桩径均为500 mm，桩间距为1.8 m，呈正三角形布桩。褥垫层材料采用级配碎石，厚350 mm。
2.2 水泥粉煤灰混凝土配合比设计
2.2.1 原材料
水泥选用海螺牌P·O42.5普通硅酸盐水泥;粉煤灰选用Ⅰ级粉煤灰;细骨料选用中砂，细度模数为2.68;粗骨料选用级配碎石。水选用自来水。
2.2.2 配合比设计方案
水泥粉煤灰混凝土配合比设计如表1所示。按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）容重控制法设计水泥粉煤灰混凝土配合比，根据室内试块28 d抗压强度和抗折强度优选混凝土配合比。试验设计混凝土总容重为2 350 kg/m 水胶比为0.85，粉煤灰掺量为0、15%、30%、45%、60%。粉煤灰掺量为粉煤灰质量与胶凝材料质量的比值。
2.2.3 试验结果
不同配合比的水泥粉煤灰混凝土28 d抗压强度和抗折强度如表2所示。试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。折压比为水泥粉煤灰混凝土抗折强度与抗压强度之比。
由表2可知，水泥粉煤灰混凝土力学强度随粉煤灰掺量增加逐渐降低，且抗折强度较抗压强度降低量小，说明混凝土掺入粉煤灰后抗压强度降低较显著。粉煤灰掺量从0增加至15%，混凝土力学强度降低量最小，抗压强度和抗折强度分别降低1.52 MPa、0.3 MPa;粉煤灰掺量从45%增加至60%，混凝土强度降低量次之;粉煤灰掺量从15%增加至45%，混凝土力学强度降低显著，粉煤灰掺量每增加15%，抗压强度和抗折强度平均分别降低5.91 MPa、1.68 MPa。另外，随粉煤灰掺量增加，混凝土折压比基本不变，即不同配合比的混凝土韧性相当。对此，建议选用F-15配合比。
2.3 CFG桩成桩及检测
2.3.1 CFG桩成桩
施工工艺：
（1）桩机就位。结合地面设计标高清除压实地表土，利用全站仪放样并核实桩位，桩机按设计桩位就位，校核塔身和钻杆垂直度。
（2）沉管。先进行静压沉管，当静压不足时，启动振动锤，采用振动加压沉管，直至设计深度。
（3）混凝土搅拌及灌注。按室内试验确定的配合比拌和混合料，设置拌和时间为120 s。混凝土灌注前，应检测坍落度，坍落度宜控制在100～160 mm，并对浇筑的混合料成型150 mm×150 mm×150 mm的抗压强度试块。
（4）拔管。混凝土加满料斗后，振动5～10 s使混凝土密实，再添加混凝土至料斗顶面，边振动边拔管，拔管速度控制在0.8～1.2 m/min。桩顶标高应比设计标高超出50 cm。
（5）桩机移位。以上施工完成后，桩机移至下一桩位，重复上述施工步骤。
2.3.2 CFG桩质量检测
CFG桩养生龄期达到28 d后，选用单桩竖向抗压静载试验和芯样抗压强度评价CFG桩质量。单桩承载力如表3所示，沉降变化规律如图2所示，芯样抗压强度如表4所示。静载试验最大荷载为600 kN，共检测2根桩。芯样抗压强度按式（4）计算。
fcu=4·P/（π·d2） （4）
式中：fcu——芯样抗压强度，取0.1 MPa;
P——芯样破坏时荷载（N）;
d——芯样平均直径（mm）。
由表3、表4可知，桩顶总沉降量<40 mm，Q-s曲线平缓光滑，无明显陡降变化，故取最大加载值的一半为单桩竖向容许承载力，即300 kN，单桩承载力满足设计要求。另外，芯样抗压强度均大于设计强度10 MPa，即抗压强度满足设计强度要求，且芯样呈柱状，断口吻合，骨料分布均匀。
综上，按以上CFG施工工艺成型的桩身骨料分布均匀、完整连续，且单桩承载力和抗压强度满足设计要求，因此CFG桩复合地基设计参数及施工工艺可应用于DK435+675～DK435+749段软土路基处治施工。
3 结语
本文对CFG桩加固软土地基工作原理及设计参数进行了说明，并依托某高速铁路软土路基段进行试桩试验，从材料选择、配合比设计、施工工艺、质量检测等方面研究了CFG桩处治铁路软土路基的应用技術。工程应用结果表明，采用CFG桩处治软土路基效果良好，沉降量低，满足设计规范要求，且桩身骨料分布均匀、完整连续，具有较强的适应性。
参考文献：
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[3]刘志勇.软土路基中CFG桩复合地基的应用研究[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（11）：84-87.
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[6]刘俊俊，黄新智，任 昆，等.福平铁路软土路基CFG桩加固实验研究[J].铁道勘察，2015，41（5）：44-46.
[7]余景良.CFG桩在高等级公路深厚软基处理中的应用及关键技术研究[J].公路交通科技（应用技术版），2015，11（3）：147-150.
[8]魏雅丽.CFG桩在铁路软土路基加固中的应用[J].资源信息与工程，2016，31（5）：16 165.
[9]李石坚.CFG桩在公路软土路基设计中的应用[J].工程与建设，2019，33（2）：268-270.
[10]TB10106-2010，铁路工程地基处理技术规程[S].
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