铁路海相软基CFG桩加固试验研究.pdf

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—文章编号:10094539(2018)04一叭14一05・线路/路基工程・铁路海相软基CFG桩加固试验研究王东旭(武九铁路客运专线湖北有限责任公司湖北武汉430000)摘要:针对CFG桩复合地基加固海相软土的适用性问题,在铁路正线进行了应用试验。采用CPTU孔压静力触探原位测试方法确定地基土状态指标、强度和变形指标;分别对CFG桩施工过程中的桩土扰动和成桩质量,路基填筑期及静置期CFG桩复合地基的桩土应力分布、孔隙水压力变化、沉降和变形进行了现场监测分析。结果表明:CPTU可以为软基加固处理提供更多的地基土参数;CFG桩复合地基适用于苏北地区海相深厚软土加固;CFG桩复合地基方案对加快地基沉降收敛和减小地基的沉降量效果显著,丰富了海相深厚软土复合地基处理技术与工程实践。关键词:铁路海相软基CFG桩复合地基加固孔压静力触探中图分类号:U416.1文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2018.04.027ExperimentalStudyonMarineSoftGroundImprovementbyCFGPileinRailwayWangDongxu(Wuhan-JiujiangRailwayPassengerTransportation(Hubei)Co.Ltd.,WuhanHubei430000,China)Abstract:InordertoidentifythesuitabilityofcompositefoundationreinforcedbyCFGpileformarinedeepsoftgroundimprovement,theexperimentalstudywascarriedoutinmainlinerailway.CPTUWasadoptedtoconfirmstateindex,strengthindexanddeformationindex;fieldmonitoringandanalysiswerecarriedouttoobtainandevaluatedisturbancestateofsoilsurroundingpiles,pilequality,loaddistribution,excessporewaterpressure,settlementanddeformationduringtheperiodofCFGpileconstruction,embankmentconstructionandstanding.TheresultsdemonstratethatmoreclayindexescanbeprovidedbyCPTUforsoftgroundimprovement;CFGpilecompositefoundationissuitableformarinedeepsoftgroundimprovementinnorthernJiangsuarea;marinedeepsoftsubgradereinforcedbyCFGpileCansignificantlyreduceembankmentsettlementandaccelerateconvergencedisplacement.Furthermore,foundationtreatmenttechniqueandengineeringpracticeformarinedeepsoftgroundcompositefoundationreinforcementhavebeenenrichedbythisexperimentalstudy.Keywords:marinesoftgroundofrailway;CFGpile;compositefoundationreinforcement;CPTU1概述以苏北为典型的沿海地区沉积深厚滨海相软土,地层主要由第四系松软地层与中元古界变质岩‘构成1。。其中全新世Q。地层主要为受多次海侵、海退的影响而形成的以滨海相沉积为主的淤泥、淤——收稿日期:20180228基金项目:连盐铁路深厚海相软土路基地基加固技术现场试验研究—(DL一14100919)作者简介:王东旭(1984一),男,工程师,主要从事地质、路基专业相关铁路建设管理工作。泥质软土。软土层厚度变化范围大,天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、渗透性低、强度低,并其有∞触变性、流变性j。铁路工程建设时由于海相软土地基承载力不足,必须对其进行加固处理。其中路基工程多采用复合地基加固处理海相软土地基,常∞用方法主要有搅拌桩。j、旋喷桩H∞J、CFG桩。8J、预应力管桩旧。和薄壁筒桩¨叫等。CFG桩复合地基具有地基承载力高、变形小、稳定快、施工简单易行等特点,且工程造价低,经济和社会效益明显。《铁路工程地基处理技术规程》114铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018fD4J万方数据・线路/路基工程・(TB—101062010)规定CFG桩可用于处理黏性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基,不适用于淤泥和泥炭土地基。对淤泥质土及夹有块石或碎石、卵石层的地基,应按地区经验或通过现场试验确定其适用性¨1|。为满足轨道交通基础安全、稳定、经济的要求,在沿海地区某客货共线铁路路基试验段开展了CFG桩复合地基加固海相深厚软基的现场试验研究。2试验段概况试验段深厚软土地层具有高压缩性、低强度、高含水量、大孔隙比等特点。如图1所示,该区域地层主要为第四系冲海积和冲洪积淤泥质黏土、粉质黏土、粉土和粉砂等地层。试验段软土地层最大可达22m厚,其中高含水量的淤泥质黏土层具有较低的锥头摩阻力及较大的天然孔隙比,属典型的海相软土¨2。。试验段CFG桩设计桩径0.5m,桩长22m,顶部为直径1.0m、高0.6m倒圆锥台桩帽;采取正方形1.7in(I区)和1.8m(II区)两种桩间距布置。直N蝗‘>.寸暑一(2)-3-1ao--90kPa§!笼嚣殇(3)-5-i00=40kPaj蓁”—”一"(2).13旷100a眵缓(2)-2-1Oo=140kPa》褫s亡亨弋彰篓臻一2e.。u一!舯÷鲤楚a>>::::::=::=?i:二(5)-2-2Oo=150kPai};一绥跨磐;‘Ⅲ荔.1i5J5Oo=160—la系数及渗透系数等土层的工程性质参数。在调查收集已有地质资料的基础上,通过多功能CPTU测试手段对场地工程地质条件作出评价,为试验段的稳定与变形评价提供可靠的地质依据和土层设计参数。3.1土层划分、状态参数及强度根据该场地CPTU试验,在试验揭露深度内,对场地土层自上而下分为粉土(层厚2.5m)、淤泥及淤泥质黏土(层厚14.0m)、黏土(层厚5.6m)及细砂层(未揭穿)。土层划分、状态参数及强度见表1。表1场地土层划分、状态参数及强度∥容重锥尖阻侧壁阻超固结灵敏承载力土名(kN・m一3)力g。/MPa力f,/kPa比OCR度S。A/kPa1一粉土18.32.6l35.732.淤泥及淤泥16.20.736.481.35.160.O质黏土3一黏土18.O2.7975.691.51.3236.24一细砂19.411.71183.073.2土的固结特性根据CPTU试验,对场地软土地层的固结系数(水平)进行测定,结果见表2。表2试验场地固结系数测定结果固结系数/孔号测点深度/mtso/min—(103cm2・s一1)6.O11.O4.4CPTUl10.O3.O5.816.020.O3.28.04.O5.6Cl,兀J214.O6.54.8万方数据・线路/路基工程・4试桩试验4.1试桩目的(1)确定工艺参数,验证混合料的施工配合比是否符合设计强度要求。(2)对实际CFG桩混合料用量与设计用量对比分析,确定混合料充盈系数是否满足设计要求。(3)通过在与工程桩施工相同或相似地层情况下的试桩,对地质资料进行补充验证,并对机械设备及人员台班进行优化配置。(4)满足龄期要求后,对试桩进行完整性和承载力检测,根据测试结果对CFG桩复合地基的设计参数进行复核及修正,为工程桩的大面积施工提供试验支撑。4.2试桩工艺CFG桩地基处理施工工艺要点包括:施工准备、配合比设计、混合料的拌合、桩位测设、长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩、桩头桩间土开挖、桩头处理和桩基检测等。图2为CFG桩试桩布置图。⑨⑨⑨⑨⑨⑨◎⑨⑨◎图2CFG桩试桩布置(隔桩跳打)⑨⑨⑨⑥⑥4.3试桩成桩质量检测4.3.1低应变动力检测—Ⅱ采用PITW基桩检测仪,对I区1#~8#桩及区1#~5#桩进行了桩身完整性检测,未见明显缺陷反射波,桩身完整,都为I类桩。4.3.2单桩承载力试验CFG桩设计单桩承载力为345kN,最大试验极限荷载采用两倍承载力设计值690kN。试桩现场取ⅡI区和区各l根CFG桩进行慢速荷载法单桩静荷载试验。由静载试验曲线可得:荷载分级加载后总沉降116铁道建筑技术量都约为15.0mm,分级卸荷后最终沉降量都约为12.0mm,回弹约为3.0mm,回弹率为20.0%。CFG桩单桩承载力满足设计要求。4.3.3取芯检测CFG桩现场试桩采用长螺旋钻孑L及管内泵压混合料成桩工艺,施工过程操作不当可导致出现桩头下沉、断桩、夹泥、混合料离析、缩径、扩径及桩体强度不足等成桩质量问题。为检验桩身完整性及强度,可以通过更直观的取芯及无侧限抗压试验进行验证。如图3所示通过取芯检测未见断桩、离析、扩径、缩径、夹泥等现象。芯样无侧限抗压强度试验结果为大于16MPa,表明CFG桩桩身强度满足设计要求。陲毫■赣:====:=急j—k__-一-_一'r~、j—●●I・。一1・---___-__-1图3试桩芯样(I区一3性)4.4成桩扰动分析长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩虽然属于不挤土或微挤土工法,但是在高灵敏度的淤泥质土中旋挖叶片的切割扰动仍会在地层中产生孔隙水压力的集聚和消散,扰动周围土层。如图4和图5中,通过现场试桩时布设孔隙水压力计对施工过程中的孔压进行监测,可以得到CFG桩施工过程中的孔压变化规律及后期的消散规律:(1)施工过程中4In埋深孔压由于覆盖层薄,—孔压只小幅增加;桩身中部816m埋深孔压增加迅速且消散缓慢,在复合地基施工时易受到叠加影响,是扰动的重点区域;桩身底部24m埋深孑L压几乎不受影响。(2)在下钻过程中由于旋挖非挤土成孔,孔压变化较小;在提钻过程初期会产生负压,孔压可为负值;提钻后期由于成桩材料的泵送灌注作用,产生一定的超静孔压。(3)由于挤土效应不明显,在CFG桩跳桩施工后,超静孔隙水压力在2个月内快速消散到低值,复合地基加固区快速稳定。RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018肼J万方数据・线路/路基工程・—|OOr-+.-z=4m-.a.-z=8mi挣鞠增萝辫■■!啮藩jF商j_二F亨1商1赢2钻头与桩端距离/m图4CFG桩施工过程中的孔压变化(¨区一2摊施工】钡4试日期e图5CFG桩复合地基孔压消散过程(¨区)4.5试桩结论CFG桩采用长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩法。通过现场试桩工艺性试验,得出:22m的CFG桩理论用量4.32m3,充盈系数1.23左右;在该地质条件下,CFG采用长螺旋钻孔管内泵压桩体材料灌注成桩工艺符合要求;施工工程中打)畦J颐序宜采用隔桩跳打方式。5工程桩成桩分析5.1成桩参数Ⅱ试桩成功后,在I区和区共进行剩余747根CFG桩施工。工程桩设计桩长22m,加上移机时间,单桩施工时间控制在30min左右。平均充盈系数为1.25左右。大面积CFG桩施工表明实际工程桩施工参数与试桩成果一致。5.2成桩质量CFG桩中抽取5根进行静荷载试验,抽取77根进行低应变检测,抽取4根进行取芯抗压强度试验。成桩质量检测结果表明:在极限试验荷载情况下(690kN)磁环高程/m”是将&曼2=2=口一g堪框醛趣最终沉降量都小于13mm,满足单桩承载力设计要求;低应变检测显示所有抽取的试验桩都为I类桩;所取芯样连续完整、无侧限抗压强度满足设计要求。5.3加固效果评价为研究CFG桩试验段路基填筑过程中基底地层沉降、孔压和深层水平位移等变化规律,验证CFG桩加固高含水量深厚海相软基效果,在下卧层、加固区、基底和路基表层设置了沉降板、剖面管、磁环沉降管、孔压计和测斜管等元器件进行现场监测分析。5.3.1孔隙水压力如图5所示,路基填筑期整体孔压变化较小,孔压变化与深度成反比,孑L隙水压力在路基填筑荷载增加时随之逐渐增大,且在填筑暂停期逐渐减小;路基静置期随着下卧层固结过程,超静孔隙水压力降低到较小水平并逐步消散。5.3.2基底沉降由路基填筑过程沉降监测结果可得基底沉降规律为:沉降曲线在每次路基填筑后都会出现明显拐点,沉降值与填土高度成正比;填筑初期桩顶沉降速率小于桩间土沉降速率,荷载通过CFG桩复合地基垫层在桩顶和桩间土间调整,后期速率趋于一致;沉降在填筑间歇期有明显收敛趋势。从实际沉降监测结果可以看出1.7m和1.8m桩间距都可以满足沉降控制要求。考虑到1.8m桩间距可以节省13.7%地基加固费用,所以推荐在该地层条件下的CFG桩复合地基采用1.8m桩间距布设。5.3.3分层沉降最大沉降发生于基底磁环(91mnl),沉降量随着埋设深度增加而减少(见图6);桩底处磁环沉降量和桩顶沉降量之间有着对应关系(见图7一图8);填筑间歇期,各磁环沉降速率迅速减小,表现出明显的收敛趋势,Ⅱ缸缸叮缸缸缸口皿缸口缸缸口|n、。No口n”o口o.nn卜一“__N霹一H匠一一N一N一一咬丐毒瓯吒^咬《叵匠匠《《《nn寸寸∞v、In口卜蕾。一时间一一墨一堪一幄一媾。凝一时间。。缸缸一口皿一缸缸缸口口口一r-一In、。口。小口。拿onIn.^=“一唑一一.n一一NN一一霹正—霉霉《雹匠《耳吒《叵雹墨S∞n一寸寸寸InInn寸卜奇一一图6不同埋深磁环沉降值(16年3月一11月)图7地表【桩顶)磁环沉降图8桩底磁环沉降铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018f04J117OOOOOOOOOOOOOO00OOOOO864224芷芒逍砖难裂万方数据・线路/路基工程・5.3.4深层水平位移Ⅱ图9为区CFG桩加固区深层水平位移曲线,可以看出:深层水平位移主要发生在路基填筑期;6结论路基分层填筑过程中,地基土深层水平位移变化较小,路基侧向变形被CFG桩复合地基较好地限制;填筑期和静置期路基都比较稳定。—…,'llll.,菇笔蕊艘~一…’——蕊弦胪一1V一帆嘏獬V‘;;二二i:i:;:;ji:j:i:;;;:二:i:,;5:;i:i:j:i;;:;:!!::::;;i:::j:i:;;i:二:深度,m图9CFG桩复合地基深层水平位移曲线(¨区)通过该CFG桩试验段现场试验,得到以下结论:(1)采用cFru孑L压静力触探原位测试方法能更有效地确定了地基土状态指标、强度和变形指标的取值范围,明确了试验区域软土是在海侵、海退作用下形成的具有高含水量、高塑性、大孔隙比、低强度和高灵敏度等工程地质特性的海积及冲海积软土,且多呈千层饼互层结构。(2)荷载试验、低应变和取芯检测结果表明:该地层条件下,CFG桩成桩质量满足设计要求。(3)通过路基填筑期和静置期孔压、变形和沉降监测表明:长螺旋钻孔管内泵压桩体材料灌注成桩工艺挤土效应微弱,且超静孔压可在短时间内消散;深层水平位移和路基沉降均较小,路基在静置期内快速稳定。(4)根据CFG桩复合地基加固淤泥质软土试验研究,CFG桩加固类似含水量的深厚海相深厚淤泥质软土是可行的,并且采用3.6D的桩间距具有较好的性价比。(5)CFG桩复合地基方案加固苏北地区深厚海相软土,对加快地基沉降收敛和减小地基的沉降变形量效果显著。通过试验段现场试验研究,取得了深厚海相软土地区CFG桩成桩工艺、质量控制检测、施工扰动、荷载传递、沉降变形监测及评价等成果,为苏北沿海地区铁路软基加固工程实践提供了有益借鉴。参考文献[1]钱国超,赵1疆,陈功,等.高速公路海相软土地基水泥118铁道建筑技术十20I5年12月+2016阜1月+2016#-3月+2016年4月—卜2016年6月+20I6年7月+2016年8月+20I7年7月土搅拌桩加固技术[M].北京:人民交通出版社,2008:20一22.[2]缪林昌.软土力学特性与工程实践[M].北京:科学出版社,2012:13.[3]卞保宽.深厚软土铁路路基钉型搅拌桩加固设计方法—探讨[J].铁道建筑技术,2016(4):8083.[4]江涛.双向搅拌粉喷桩技术在连盐铁路软基处理中的—应用[J].建设科技,2017(9):108109.[5]毛忠良.旋喷搅拌桩在软土地基处理工程中的应用—[J].铁道建筑技术,2016(11):5660.[6]张海涛.高速公路海相超软土CFG桩复合地基加固技术∥试验研究[c]中国公路学会第四届全国公路科技创新高层论坛论文集[上卷].北京:中国公路学会,2008:8.[7]许开毕,胡建国.CFG桩在江苏省连云港地区的应用—[J].西部探矿工程,2007(2):45.[8]吴培荣.CFG桩在沿海高铁的应用与体会[J].铁道—勘察,2015,41(3):6063.[9]余闯,杜广印,刘松玉.预应力薄壁管桩群桩施工引起的超静孔隙水压力试验研究[J].工业建筑,2009,39—(8):6971.[10]时洪斌,毛忠良.薄壁筒桩复合地基在铁路深厚软基加固中的试验研究[J].铁道建筑技术,2016(11):61—65.[11]中华人民共和国铁道部.铁路工程地基处理技术规程:rib—101062010[s].北京:中国铁道出版社,20lO:62.[12]连盐铁路深厚海相软土路基地基加固技术现场试验研究中期报告第二分册[R].北京:中铁第五勘察设—计院集团有限公司,2014:1011.[13]刘松玉,蔡国军,童立元.现代多功能CPTU技术理论—与工程应用[M].北京:科学出版社,2013:3031.RAILWAyCo~S丁RUC丁f0~仰HNof0Gy2DT8饼)万方数据
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