CFG桩复合地基处治桥头深厚软基沉降变形分析

王鹏旋

（山西交通控股集团有限公司 晋城高速公路分公司，山西 晋城 048000）

0 引言

高速公路穿越软土地基，如不进行有效的加固处理，运营通车后会产生一定程度的沉降变形，造成道路结构破坏。其中对桥头深厚软基的处治尤为重要，如处治不当会出现较大沉降变形，进而导致桥头跳车或其他破坏，将直接影响行车舒适性和行车安全。在进行软土地基加固处治设计中，应结合软土地基的基本情况选择加固方法，并进行承载力检测和沉降变形监测[1]，确保施工质量和运营安全。

基于高速公路桥头深厚软基CFG桩复合地基处治实践，详细阐述了处治方案的制定、处治后地基承载力的检测、软基施工期和运营后的沉降变形监测，通过数据收集，绘制P-S曲线，说明采用CFG桩复合地基处治后的软基承载力和沉降变形均满足规范要求，达到了预期的加固效果。

1 工程概况

某高速公路沿线穿过冲积平原区，地质条件差，属湿软地基，含水量较高，个别路段超过100%，最大深度超过20 m。该地区软土地基不仅含水量高，还具有高塑性指数、高压缩性、高孔隙比等特点。本文研究路段位于某特大桥桥头，软土地基深度14.5～20 m，长度为120 m。为了提高桥头路段软土地基承载力，采用CFG桩复合地基进行加固处理，并设置碎石褥垫层。为了检测软基处治效果，对软土地基沉降变形情况采取静载试验进行检测，并结合沉降检测结果对桥头深厚软基的加固效果进行对比分析。

2 CFG桩复合地基软基加固方案

为提高桥头深厚软基地基承载力，采用CFG桩对地基进行加固，设计桩径0.5 m，桩长21 m，桩体设计强度R28=6 MPa，深入下卧层1 m，桩间距1.5 m和1.8 m两种，以调整桥头路段的地基刚度，自桥头向正常路段逐步过渡，以解决桥头跳车问题。CFG桩上部铺设褥垫层，以降低基础底面的应力，充分发挥CFG桩的承载能力，褥垫层选用砂石材料，厚度40～50 cm。

3 CFG桩复合地基沉降变形机理

当CFG桩复合地基受到外界荷载时，桩体和桩间土体按面积承受荷载，由于土体的弹性模量相对较小，因此土体相比桩体会产生更大的沉降变形。当CFG桩复合地基上部的桩体和土体出现沉降变形时，褥垫层也会在荷载作用下产生一定的变形，出现桩体刺入褥垫层的情况，使荷载逐步集中到桩身。桩身在受到桩间土摩擦力作用下，变形会向其下部的土体传递[2]。褥垫层变形会随着土体向桩身传递，使桩体承受更大的荷载。土体进一步变形造成中性点下移，进而造成中性点下部土体对桩体的正摩阻力不断增加。随着CFG桩复合地基的沉降变形不断增加，桩端土体侧摩阻力不断增加，直至达到极限值，中性点以下桩端达到极限值的区域不断增加，桩体刺入褥垫层深度不断增加，土体对桩端的摩阻力也不断增加，最终下卧层提供的桩端阻力、正摩阻力、负摩阻力和桩顶荷载达到平衡[3]。

由于土体的固结沉降较大，中性点会不断下移，从而达到一个新的平衡状态。直到最后土体达到一个近似静止的平衡状态，中性点位置相对确定。如果复合地基上部的荷载增大，又会进入一个新的变化循环，直到达到最终的稳定状态为止[4]。CFG桩复合地基的沉降变形示意图如图1所示。

图1 CFG桩复合地基的沉降变形示意图

如图1所示，当P=0时，代表未施加荷载；P＞0时，CFG桩复合地基处于受力状态。图中用hc-h'c代表褥垫层的压缩变形量，λ1代表桩体的上刺入变形，λ2代表桩体下刺入变形。Sp代表桩顶沉降量，S'p代表桩端沉降量，由于CFG桩变形模量较大，其轴向压缩变形量可忽略不计，取Sp=S'p。S1代表桩间土体的沉降量，中性点上部压缩变形量S11=λ1，下部压缩变形量S12=λ2，由此可确定S1=λ1+λ2。由于下卧层沉降量为S2，则复合地基总沉降量S=S1+S2。

4 CFG桩复合地基沉降变形分析

4.1 检测方案设计

为了对CFG桩复合地基对桥台深厚软基处治效果进行检验，分别在桥头软基处治地段布置试验段，选取有代表性的单桩进行地基承载力检测。为了进行对比分析，在对单桩进行静载试验的前提下，分别对设置褥垫层和不设褥垫层两种情况下的地基承载力进行检测，并收集数据进行了对比分析。同时，在施工过程中制作试件，养生后检测其抗压强度。另外，CFG桩养生期满28 d后，取芯检测试件的抗压强度和完整程度。分别对试件和现场取得的芯样抗压强度进行检测，强度均高于桩体抗压强度R28=6 MPa。

4.2 CFG单桩静载试验与分析

图2 CFG单桩静载试验P-S曲线

根据规范要求，分别选取一组桩间距为1.8 m和1.5 m的CFG桩进行静载试验，成桩龄期不得少于28 d，收集试验数据绘制荷载P-沉降量S曲线如图2所示。试验过程中采用逐级加载的方式，每级加载沉降变形稳定后再进行下一级加载，直至达到极限承载力为止，然后再逐级卸载。

通过对图2所示CFG单桩静载试验P-S曲线分析可知，该曲线走势为陡降型曲线，曲线产生明显陡降的起始点荷载2 400 kPa作为极限承载力基本值。承载力基本值为极限承载力基本值的一半，即1200kPa，远远超过地基设计承载力，符合规范要求。

4.3 CFG桩复合静载试验与分析

为了便于进行对比分析，分别选取有褥垫层和没有施作褥垫层的两组CFG桩复合地基进行静载试验，收集试验数据绘制P-S曲线详见图3所示，其中图3a为无褥垫层复合地基，褥垫层施作前检测；图3b为有褥垫层复合地基，褥垫层施作后检测，为施工现场选用的地基类型。

图3 CFG桩复合地基静载荷试验P-S曲线

通过对图3所示两组复合地基静载试验P-S曲线分析，得出有褥垫层的复合地基承载力明显提高，较没有褥垫层的复合地基承载力提高20%以上，桩间距为1.5 m的复合地基承载力为178 kPa，较无褥垫层复合地基提高20%；桩间距为1.8 m的复合地基承载力为142 kPa，较无褥垫层复合地基提高36%；且均满足设计与施工技术要求。

4.4 桥头软基沉降变形监测与分析

为了观察桥头软基在施工和运营使用过程中的沉降变形情况，选取测点布设沉降板进行实时监测。通过长达6个月的沉降监测，地基沉降已基本趋于稳定，监测数据和沉降速率曲线详见表1和图4所示。

表1 CFG桩复合地基沉降监测数据汇总表 mm

图4 不同监测位置沉降速率曲线

通过对表1所示数据和图4沉降速率曲线分析可知，前两个月属于预压期，沉降变形量较大，后4个月沉降变形量逐渐变小，并逐渐趋于稳定。通过对选取两个断面的沉降观测数据进行分析，累计产生的最大沉降量为98 mm，符合设计要求。

5 结语

为提高桥头深厚软基承载力，采取CFG桩复合地基对其进行加固处治，并采用静载试验检测地基的承载力，保证其沉降变形符合设计要求，收集数据整理分析后得出以下结论：

a）通过对单桩开展静载试验，收集数据并绘制P-S曲线，分析后得出单桩地基承载力基本值为1 200 kPa，远远超过地基设计承载力，符合规范要求。

b）分别选取设置褥垫层和没有施作褥垫层的两组复合地基进行静载试验，并绘制P-S曲线，分析后得出有褥垫层的复合地基承载力明显提高，较没有褥垫层的复合地基承载力提高20%以上，且其承载力值均符合设计要求。

c）为进一步检测桥台软基施工和运营施工中的沉降变形情况，选取测点布设沉降板，对施工期和施工后的沉降情况进行监测，得出其最大沉降量为98 mm，满足规范要求。