客运专线铁路CFG桩加固软土地基.doc

浅析客运专线铁路CFG桩加固软土地基施工技术
刘 鹏
（中铁十一局集团第二工程有限责任公司）
摘要：目前CFG桩在房屋、公路的地基加固中得到广泛运用。但CFG桩在我国铁路软土路基地基加固工程中未大面积应用，尚无成熟的设计方法及施工工艺并缺乏试验研究数。本文从工法特点、适用范围、工艺原理、工艺流程及操作要点几个方面详细介绍了CFG桩的基本概念和原理，并从材料、机具、组织安全、环境、效益各方面分析CFG桩加固软土地基的利弊要求，最后举例分析了客运专线铁路CFG桩加固软土地基施工工法。
关键词：铁路CFG桩；软土地基；质量检验；效益分析
一、前言
水泥粉煤灰碎石桩（Cement Flyash Gravel pile）简称CFG桩，处理软弱地基的一种新方法，它是在碎石桩的基础上掺入适量石屑、粉煤灰和少量水泥加水拌和后制成的一种具有一定强度的桩体。其骨料仍是碎石，用掺入石屑来改善颗粒级配，掺入粉煤灰来改善混合料的和易性，并利用其活性减少水泥用量，掺入少量水泥使其具有一定的粘结强度，具有某些柔性桩特点的高粘结强度桩。CFG桩、桩间土、和褥垫层一起构成柔性桩复合地基。
CFG桩90年代应用在多层和高层建筑地基处理工程，被列为建设部重点推广技术和国家科委重点推广研究成果。经过十多年的研究和推广应用使其在我国的基本建设中起了非常主要的作用。目前CFG桩在房屋、公路的地基加固中得到广泛运用。
但CFG桩在我国铁路软土路基地基加固工程中商不成熟，尚无成熟的设计方法及施工工艺并缺乏试验研究数据，在高速铁路加固软土地基是不成熟的。
二、工法特点
CFG桩通过振动沉管成桩和桩间土通过碎石褥垫层形成CFG复合地基，弥补了碎石桩和素混凝土桩的缺陷：
1 特点：
1.1 改变桩长、桩径、桩距等设计参数，可使承载力在较大的范围内调整。
1.2 有较高的承载力，承载力的提高幅度在250％～300％之间，对软土地基承载力提高更大。
1.3 沉降量小，变形稳定快，如将CFG桩落在较硬的土层上，可较严格地控制地基沉降量。
1.4 工艺性好，由于大量采用粉煤灰，桩体材料具有良好的流动性与和易性，灌筑方便，成桩质量好，易于控制施工质量。
1.5 可大量节约水泥、钢材，利用工业废料，消耗大量粉煤灰，降低工程费用。
三、适用范围
本工艺适用于加固砂土、粉土、松散粘土、粘土和淤泥质粘土，一般深度小于25m的软土地基加固。当天然地基土是具有良好的挤密效果的砂土、粉土时，有时承载力可提高2倍以上。对塑性指数高的饱和粘土，挤土作用微乎其微。由于桩间土承载力小，土的荷载分摊比低，会严重影响加固效果。对于强度很低的饱和软粘土，要慎重对待。在使用前要现场做试桩，进行试验，来确定其适用性。
四、工艺原理
1 CFG桩同时具有对地基的挤密加固作用和对地基的置换加固作用的双重作用，由于CFG桩桩体强度较高，在粘性土地基上，挤密效果不佳时，CFG桩可有效地将地基荷载传递到深处土层，确保对地基的置换加固作用。
2 CFG桩复合地基通过在桩和基础间设置柔性褥垫层，使调整桩土相对变形的问题从根本上得到解决。
3 CFG桩复合地基的强度和模量比较均匀，对上部结构受力和抗震极为有利。
4 褥垫层使桩间土的有效接触应力增加，提高了桩周土的抗剪强度，使的桩体承载力得到提高。
5 褥垫层对于地基的不均匀沉降也有一定的补偿作用。
五、工艺流程及操作要点
1 施工工艺流程
成桩工艺流程图
测量放线并复核
场地布置，安装桩机等设备
原材料进场、检验
混合料搅拌
桩尖预制与埋设
桩机桩位对中
确认施工顺序
沉管至设计标高
试桩确定工艺参数和终孔条件

检查
灌注混合料至预定标高
边拔管边投混合料
移至下一根桩
铺设工作垫层
分区与编号

2 操作要点：
2.1 施工前铺设一层0.5～1.0m工作垫层（C组以上填料）,碾压平整、稳定,确保桩机施工的需要。
2.2 把预制好的桩尖按现场放样桩位就位埋好，确保桩尖顶面水平。
2.3 桩机就位保持水平、稳固，调整沉管与地面垂直，确保垂直偏差不大于1%；
2.4 沉管过程中作好记录，激振电流每米记录一次，对土层变化处应特别说明，直至桩机反复抬起，电流明显增大，沉管无法继续,待沉管至设计标高并抬架时应开动马达，原地留振不小于10s；
2.5 终孔后须尽快用料斗进行空中投料，直到管内混合料面与钢管料口平齐，如上料量不够，须在拔管过程中补充投料，以保证成桩桩顶标高满足设计要求；
2.6 拔管时速度尽量匀速提升，一般控制在1.0～1.5 m/min，遇淤泥或淤泥质土，拔管速率可放慢至0.6～0.8m/min。边振动边拔管，在拔管过程中不允许反插；
2.7 由于设计满堂布桩且间距较小，一般采取连打跳排的施打工序。但施工新桩时与已打邻桩的间隔时间不应小于7d，必要时可在混合料内掺入缓凝早强剂；
2.8 当桩管拔出地面，确认桩符合设计要求后，其上部可用粒状材料或粘土进行封顶并做好标记；
2.9 在确定桩顶标高施工扩大桩头前，应先凿除桩体保护桩长至扩大桩头底部标高。砍桩头前桩周工作垫层碎石土为避免机械扰动造成断桩宜采用人工进行开挖。砍桩头可采用风稿自上而下凿除混凝土至指定标高，也可用錾子截桩至指定标高；
2.10 当CFG桩在凿除浮浆后或由于浅部断桩（1.5m之内，超过1.5m接桩挖开桩土体可能会导致相邻CFG桩断桩）造成桩体顶面标高低于扩大桩头底面标高时，应采用强度高出桩身一级的混凝土进行接桩。接桩部分的桩径应比设计桩径大20cm，与既有桩体的咬结长度不小于20cm。如下图：

2.11 施工完成后14天内不得上重型机械碾压桩顶。
3 测量与试验
3.1 施工过程中应有计划地进行打新桩时对已打但尚未结硬桩的桩顶位移测量，以估算顶部桩径的缩小量；对已打并结硬桩进行桩顶位移测量，以判断是否断桩。一般当桩位移超过10mm，需开挖进行查验；
3.2打桩过程中应随时测量地面是否隆起,是否有浮桩，浮桩量大小如何；
3.3 试验人员每工班都应对混凝土坍落度进行一次抽检；
3.4 混合料搅拌均匀后，应随机对每台桩机每一个台班做一组试块，测定其28d抗压强度R28。
4施工注意事项
4.1堵管
堵管是长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩工艺常遇到的主要问题之一。它直接影响CFG桩的施工效率,增加工人劳动强度,还会造成材料浪费。特别是故障排除不畅时,使已搅拌的CFG桩混合料失水或结硬,增加了再次堵管的几率,给施工带来很多困难。以下为产生堵管的原因和具体的预防措施：
①、混合料配合比不合理。当混合料中的细骨料和粉煤灰用量较少时,混合料和易性不好,常发生堵管。
预防措施：要注意混合料的配合比,尤其要注意将粉煤灰掺量控制在70kg/m3～90kg/m3的范围内,坍落度应控制在160mm～200mm之间。
②、混合料搅拌质量有缺陷。在CFG桩施工中,混合料由混凝土泵通过刚性管、高强柔性管、弯头最后到达钻杆芯管内。混合料在管线内借助水和水泥砂浆润滑层与管壁分离后通过管线。
预防措施：严格控制坍落度。坍落度太大的混合料,易产生泌水、离析,泵压作用下,骨料与砂浆分离,摩擦力加剧,导致堵管。坍落度太小,混合料在输送管路内流动性差,也容易造成堵管。
③、施工操作不当。钻孔进入土层预定标高后,开始泵送混合料,管内空气从排气阀排出,待钻杆内管及输送软、硬管内混合料连续时提钻。若提钻时间较晚,在泵送压力下钻头处的水泥浆液被挤出,容易造成管路堵塞。
预防措施：严格控制提钻时间，在钻杆内管及输送软、硬管内混合料连续时必须提钻。
④、冬期施工措施不当。冬期施工时,混合料输送管及弯头均需做防冻保护,防冻措施不力,常常造成输送管或弯头处混合料的冻结,造成堵管。
预防措施：冬季施工时,会采用加热水的办法提高混合料的出口温度,但要控制好水的温度,水温最好不要超过60℃,否则会造成混合料的早凝,产生堵管,影响混合料的强度。
⑤、设备缺陷。弯头曲率半径不合理也能造成堵管。
预防措施：严格控制弯头曲率半径，弯头与钻杆不能垂直连接。混合料输送管要定期清洗,否则管路内有混合料的结硬块,还会造成管路的堵塞。
4.2窜孔
在饱和粉土、粉 细砂层中成桩经常会遇到这种情况,打完X号桩后,在施工相邻的Y桩时,发现未结硬的X号桩的桩顶突然下落,当Y号桩泵入混合料时,X号桩的桩顶开始回升,此种现象称为窜孔。
①、发现窜孔的三个条件：
a)被加固土层中有松散饱和粉土、粉细砂;b)钻杆钻进过程中叶片剪切作用对土体产生扰动;c)土体受剪切扰动能量的积累,足以使土体发生液化。由于窜孔对成桩质量的影响。
②、施工中采取的预控措施:
a)采取隔桩、隔排跳打方法;
b)设计人员根据工程实际情况,采用桩距较大的设计方案,避免打桩的剪切扰动;
c)减少在窜孔区域的打桩推进排数,减少对已打桩扰动能量的积累;4)合理提高钻头钻进速度。
4.3桩头空芯。
①发生桩头空芯的原因：主要是施工过程中,排气阀不能正常工作所致。钻机钻孔时,管内充满空气,泵送混合料时,排气阀将空气排出,若排气阀堵塞不能正常将管内空气排出,就会导致桩体存气,形成空芯。
②预防措施：为避免桩头空芯,施工中应经常检查排气阀的工作状态,发现堵塞及时清洗。
4.4桩端不饱满。
①发生桩端不饱满的原因：主要是因为施工中为了方便阀门的打开,先提钻后泵料所致。这种情况可能造成钻头上的土掉入桩孔或地下水浸入桩孔,影响CFG桩的桩端承载力。
②预防措施：为杜绝这种情况,施工中前、后台工人应密切配合,保证提钻和泵料的一致性。
六、材料要求
1 水泥采用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥，水泥进场时应有出厂合格证并在现场取样检验；
2 粉煤灰一般采用细度不大于25%的Ⅰ级或Ⅰ级以上的粉煤灰，粉煤灰进场时同样要求必须有合格证,并在现场取样检验；
3 碎石粒径采用20～40mm级配，其含泥量不大于3%且符合国家现行标准。《普通混凝土用碎石或卵石质量标准检验方法》JGJ53的规定；
4 石屑一般采用粒径2.5～20mm含泥量不大于5%，细模度符合中砂要求。当石屑缺少时，可采用中砂或粗砂代替石屑；
5 为控制成桩后桩顶浮浆厚度不超过200mm，混凝土的坍落度应控制在30-60mm之内。混合料应严格计量，强制搅拌，每盘混合料的搅拌时间不得小于1 min。
七、机具设备要求
CFG桩成孔、灌筑一般采用振动式沉管打桩机，配DZJ90型变矩式振动锤，主要技术参数为：电动机功率90KW、激振力0～747KN、质量6700Kg。也可根据现场土质情况和设计要求的桩长、桩径，选用其他类型的振动锤。亦可采用履带式起重机、走管式或轨道式打桩机，配有挺杆、桩管。此外配备混凝土搅拌机及电动气焊设备及手推车或机动翻斗车，吊斗等机具。
八、活动组织及安全要求
1 工作班组
每套CFG桩施工设备，施工班组一般需要8个人，其中：领工员1名；机长1名；搅拌机操作人员1名；机动翻斗车司机1名：技术人员2名；普通操作人员2名。详细分工见下表
序号
工种
人员数量
分工负责
1
领工员
1
负责场地内施工准备、协调、进度
2
机长
1
操作机械，调配，组织机械的保养维修
3
搅拌操作员
1
混凝土的搅拌施工
4
司机
1
混凝土从搅拌机运至施工料斗
5
技术员
2
现场的施工记录及施工放样工作
6
普工
2
施工中相关配合。
2 施工安全
2.1 进场的机械必须进行安全检查，配有合格证；
2.2 进场的电气设备必须由专业的电工进行安装，试机前要仔细检查电路的联接和安全。联接的电缆要满足用电荷载要求；
2.3 电气、钻机等设备非专业人员不得进行操作；
2.4 钻机在施工作业的过程中必须有专人指挥协调；
2.5 施工人员施工过程中必须配戴安全帽；
2.6夜间施工时，照明要满足施工和安全需要，操作人员要有良好的视线；
2.7 施工作业过程中，要保证尚未拆除管线的安全；
2.8钻机在施工过程中，要求离尚未拆除的高压线和照明线路一定的安全距离；
2.9 振动沉拔桩机安全操作规程
作业前，测定电机绝缘电阻不得小于0.5MΩ。长期停用的震动锤在低于此值时，应进行干燥处理；检查电源接线及控制系统接触的可靠性，连接的电缆应无破损，必要时进行维修或更换；检查震动锤减震器与连接螺栓的坚固性，不得在螺栓松动或缺少的状态下起动；检查振子箱中的油位，应在规定范围内，不得在缺油或超油位状态下起动运行；检查每根传动带的松紧程度，用一个手指压下各传动带上缘，低于相邻传动带下缘时应进行调整，超过张紧轮调整量，应更换；实际施工中桩锤与桩管采用螺栓连接，要求螺栓上满，每个螺栓都要有牢固的止动销，施工中每天要对螺栓连接情况进行检查；
3安全措施
3.1 健全组织
项目经理为安全生产第一责任人。施工现场设立专职安全员负责工地安全工作。各工种、班组设兼职安全员，形成横向到边，纵向到底的安全组织网络。
3.2 建立制度
根据工程项目特点，要建立健全行之有效的安全生产管理制度，如岗位责任制、安全检查制度、安全教育制度、安全奖励制度等，并在施工中认真执行。
3.3 安全教育和培训
对新入场的作业人员进行入场前安全教育和培训，未经培训或考核不合格者不准上岗作业。
3.4 执行规程
施工过程中要严格执行各项安全操作规程，作业人员有权拒绝执行违章指令，杜绝违章指挥和违章作业。
3.5 加强防护
相关作业人员必须做好劳动保护工作，进场必须穿工作服、劳保鞋，戴安全帽。要做好机械设备的安全防护，夜间施工做好照明工作，做到整个工地照明无死角。
3.6 安全用电
做好安全用电，配备持证专业电工值班。现场要有漏电保护装置，电缆或电线架设，严格执行用电制度。
3.7现场警示与标志
施工现场要设置安全警示牌和文明施工标语。各危险点或危险部位要设置防护围栏和警示标志，桩头标高在地面以下的工程，对桩头上部要及时回填，并做好标志，防止发生机械伤害和人身伤亡事故。
九、质量要求
1、CFG桩质量检验标准及方法见表：
CFG桩质量检验
序号
检验项目
允许偏差
检验数量
检查方法及说明
1
桩位(纵横向)
50mm
抽样检验桩总数的10%，且每检验批不少于5根
经纬仪或钢尺丈量
2
桩身垂直度
1%
经纬仪或吊线测钻杆倾斜度
3
桩体有效直径
≮设计值
开挖50～100cm后，钢尺丈量
4
桩长
≮设计值
每根桩
测量沉管长度，查施工记录
5
桩身混合料强度
≮设计值
每班一组试块
28d标准养护试件抗压强度检验
6
桩身质量、完整性
符合设计要求
抽样检验总桩数的10%
低应变检测
7
单桩承载力
≮设计值
抽验检验成桩数量的2‰，且不少于3根
平板载荷试验

十、环境要求
1 施工中容易产生土体三角隆起，对周围环境及建筑物产生影响。控制措施:减少单位时间内打桩的数量,2台桩机距离不小于100m。
2 施工中或风力大于4级水泥、粉煤灰的粉尘造成环境污染和危害工人的身体健康。控制措施：采用密目网覆盖水泥及粉煤灰。作业人员戴口罩。
十一、效益分析
1 CFG桩经济分析
CFG桩的主要优势是造价低廉，在施工中由于粉煤灰的使用，大量减少了水泥的用量，振动沉管机械简单，安全隐患小，质量易于控制，沉桩效果好，采用CFG桩复合地基处理可比混凝土复合地基处理费节省成本30%~40%，可获得显著的经济效益。
2 施工进度
施工进度300m/机/昼夜，施工速度相对较快，能在短时间内进行大面积软土地基的加固。28天龄期检测合格后就可以进行路基的填土施工。
十二、应用实例
某工程Ⅰ标段DK234+750～DK235+755软土地基加固采用CFG桩，混凝土标号采用C15，其中在CFG桩的顶部采用C30钢筋混凝土整体式筏板，在混凝土筏板内设置双层钢筋，路基坡脚位置未设筏板地段，采用扩大桩头。桩径0.5m,桩间距1.6m,呈正方型布置,设计承载力660KN。设计桩长为13.5m至24m。从2009年1月开工,本段工程数量为碎石垫层25680m3、土工格栅91115m2、土工格室40706m2、CFG桩299113m/17234根。
1材料及配合比
水泥:海螺P.O 42.5；粉煤灰: Ⅰ级 （乐清电厂）； 碎石 :瑞弯采石厂 (最大粒径26.5mm)；1.4 石屑 :平阳黑牛采石厂；外加剂:HL高效缓凝减水剂；水:井水；配合比:水泥:石屑:碎石:粉煤灰:外加剂 =1：4.17：5.31：0.25：0.02 水胶比0.74
2 地质情况
自地面以下依次为：黏土，软塑、灰黄色；淤泥，流塑、灰色；黏土，软～硬塑、褐黄色、局部夹砂及碎石；含卵石，碎石粉质黏土，硬塑，灰黄色～灰绿色。
3 检测情况
目前该段路基CFG桩施工完成16352根,施工完毕后28天，对CFG桩进行低应变对桩身质量的检测和静载荷试验对承载力的检测，小应变的抽检比例为总桩数的10%，共检测1640根，其中Ⅰ类桩1215根，Ⅱ类桩425根，未出现Ⅲ类桩；静载的试验比例为总桩数的2‰，共32根，均达到设计对承载力要求。其中：DK234+750～DK235+755段已填土1.0cm，路基中心沉降4.3mm。水平位移坡角外2m位移量6mm；坡角外10m位移量0.8mm,沉降及位移趋于稳定，填筑过程路基中心沉降量每昼夜最大0.8mm。

参考文献：
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