CFG桩施工技术.doc

CFG桩的施工技术(振动沉管工艺)

福建省榕圣市政工程股份有限公司

陈文瑜

CFG桩施工技术(振动沉管)

摘要：水泥粉煤灰碎石桩（Cement Fly-ash Gravel，Pile），简称CFG桩。用于处理软基具有施工工艺简单，挤密效果好，全桩发挥侧阻力，端阻力明显，对地基承载力提高幅度大且有很好的调控性，本文主要介绍采用振动沉管桩施工工艺及有关质量控制措施。
关键词：振动沉管 CFG桩 地基处理
1 工程概况

CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和而成的高粘结强度桩，它与桩间土、褥垫层共同形成复合地基，对软基产生桩体作用、挤密作用与褥垫层作用。CFG桩作为软基处理技术，具有施工工艺简单、挤密效果好、全桩发挥侧阻力，端阻力明显，对地基承载力提高幅度大且有很好的调控性等优点。
本工程西起南塘大道，向东经瓯海区、龙湾区、永中镇接温州机场路口，为温州市东西向的城市快速路，全长16.9Km。主车道为双向八车道，设计车速80Km/h，辅道设计车速40Km/h。本合同段内共有主线桥1座，辅道桥2座，主线起点K0+606,终点至K1+125,全长519米；辅道：K0+000～k1+125，全长1125。
本合同段内所处的三垟段，海拔高程一般为3~5米左右，多为河网区，地势平坦，河道众多，所在区域有较多区段属于软土地基。上部软土层厚度较大，至上而下土质为杂填土、淤泥、卵石、粉质粘土、强风化岩等，软基厚度一般在9至15米，工程地质条件差。
2 施工准备

2．1施工机具和配套设备
目前，国内常用的CFG桩施工工艺为：振动沉管施工工艺、长螺旋钻管泵压施工工艺以及其它组合施工工艺。振动沉管有操作简便、施工费用较低、对桩间土的挤密效果显著等优点；其缺点为难以穿透厚的硬土层、振动及噪声污染严重、对临近建筑物可能产生不良影响、易出现振动断桩等。该标段的CFG桩处理地段粘土及淤泥质土层较厚，地处远离居民区的旷野地段，加之考虑降低成本等因素，我们选用了振动沉管CFG桩施工工艺，振动沉管管径40㎝，管长17m，桩尖选用外购的预制钢筋混凝土桩尖。主要施工机械如表1。
表1 主要施工机械表
机械名称
规格型号
性能指标
产地
数量
振动沉管打桩机
LC60
60t
浙江
4台
发电机
东风120ZD
120kW
湖北
3台
混凝土滚简搅拌机
JS350
350L
山东
2台
振动沉管打桩机见图1。

2.2 施工场地平整
根据设计资料及施工调查，对CFG桩施工地段的管线作合理拆迁，并在施工场地处征临时用地，作为CFG桩粉煤灰混凝土搅拌场地及砂石料场。施工场地需大致整平，并做好抄平记录，以确定桩顶标高及保护桩长。
2.3 材料及其检验
根据设计及规范要求，确定原材料的种类及品质，并将原材料送至试验室进行化验和做水泥粉煤灰混凝土配合比试验。根据选定的配合比，经监理工程师同意后材料进场。根据现场实际情况，选用材料见表2。
表2 主要材料表
材料名称
规格型号
产地
普通硅酸盐水泥
32.5R
浙江红狮
粉煤灰
II级
福建华能
破碎卵石
10~40
本地
砂
中砂
本地
2.4 CFG桩桩位编号及施打顺序
根据设计图纸对桩位,按排列逐根编号,如Z1-1,Z1-2,Z1-3…，并在施工时，按布置图做好标识，以防因桩位过多而漏打或超打。
在选定CFG桩施工顺序时，主要应根据土性和桩距，充分考虑新打桩对已打桩的影响。施工顺序大体可分为两种类型，一是连续施打，如图2（1）所示，从1号桩开始，依次2号，3号…连续打下去；二是间隔跳打。可以隔根或隔行跳打，如图2（2）所示，先打1、3、5…，后打2、4、6…。
(1) O 0 O O O O
1 2 3 4 5 6
(2)
O 0 O O O O 0
1 2 3 4 5 6 7
图2 CFG桩施打顺序图
连续施工打可能给桩造成的缺陷是桩被扁或所颈，但很少会发生因振动使桩完全断裂的情况。隔桩跳打，一般很少发生先打桩的桩径被挤扁或缩颈现象，但土质较硬时，在已打桩中间打新桩时，已打的桩可能因素因振动而发生断裂。在软土CFG桩施工中，可采用隔桩跳打；在饱和的松散粉土中，如果桩距较小则不宜采用隔桩跳打。因为松散粉土振密效果较好，先打桩施工完后，土体密度越大，桩越难打。在补打新桩时，一是加大了沉管的难度，二是非常容易造成已打的壮成为断桩。
根据该标段地质土性和桩距，选用了隔桩跳打的施工方案。
2.5 试桩施工
根据《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》，试桩抬架配重应保证沉管穿过设计图所示各种土层并达到设计要求的深度。试桩的目的在于探试地质的变化以复核地质资料；检验机具设备、工艺和施工技术参数是否适宜。在试桩时，要做好电流、抬架、桩长、拔管速度、充盈系数等情况的记录，在取得监理或有关部门的认可后作为工程桩的施工依据。待试桩强度达到28d强度后，进行桩身小应变检测与单桩承载力检测，确定该施工工艺是否适合及该桩长是是否可达到设计承载力。我们在K0+390段施打5根试桩（编号为Z3-13、Z5-7、Z7-11、Z9-10、Z11-9），后经检测，有1根III类桩，1根II类桩，3根I类桩，合格率为80%，超过设计规定的70%。Z3-13为III类桩，其离桩顶5M处有严重缩颈，查施工原始记录发现在该桩施工时，拔管后淤泥涡旋造成缩颈。试桩结果表明，振动沉管CFG桩施工工艺适合我标段的地质情况。在试桩时一些技术参数（电流、拔管速度等）得以验证，CFG桩已可以全面施工。
3 振动沉管CFG桩施工

3.1 施工工艺流程
施工准备
场地平整

原地测试、室内试验
钻机就位

检测深度
检测桩的质量
材料机械选型选购
铺土工隔栅及碎石砂垫层
沉管
浇筑混合料
边拔管边浇注混合料
桩管对准桩位中心
成桩

沉降与位移观测
路基填土

超载预压

原位测试、室内土工试验及数据分析

图3 振动沉管CFG施工工艺流程
3.2 施工方法
1）设备进场 打桩机、搅拌机等设备及材料进入现场。根据设计桩长，沉管入土深度确定机架高度，并进行设备组装。打桩机沉管表面应有进尺标记。
2）就位 在平整的施工场地上，按设计图纸对桩位进行放样，并在桩位置预埋钢筋混凝土桩尖（埋入地表下约30㎝，外露20㎝），桩管底口卡住桩尖凸头，密贴、无缝隙。桩机就位须水平、稳固、调整沉管与地面垂直，确保偏差≯1%。
3）沉管 启动振动器，使沉管在振动作用下沉至设计标高，停机。沉管过程中需注意调整桩机的稳定，避免倾斜，做好电流变化记录（每1m记一次），并对土层变化予以说明。正常工作电流为75-80A。
4）投斜 振动器关闭后，立即向管内投灌粉煤灰混凝土，直到混凝土与进料口齐平。混凝土严格按施工配合比拌和，碎石和石屑含杂质≯5%，搅拌时间为60-90s，混凝土坍落度一般控制在4-7m，以成桩后浮浆厚度不超过20cm为宜。
5）拔管 启动马达，留振10-15s，然后边振动边拔管，拔管速度一般控制在1.2-1.5m/min左右。如遇淤泥质土，拔管速度还应放慢，拔管过程中不允许反插。在振动拔管过程中，因桩充盈扩孔，需不断向沉管中投料，投料速度及数量以地面以上沉管内有料为准（锤敲检验）。成桩后桩顶标高出设计值20-30cm，以保证保护桩长。
6）移桩 沉管拔出并确认成桩设计与规范要求后，对桩头用粘土封顶，移机进行一根桩施工。
4 施工中易出现的问题及处理措施
4.1 施工顺序及易出现的问题
1）CFG桩常为桥头软基处理的有效方法，在桥头过渡施工作CFG桩时，需综合考虑桥台钻孔桩与CFG桩的施工工序，一般应先施作CFG桩，待淤泥塑流稳定后再进行桥台桩基的施工。
2）对于满堂布桩，无论桩距大小均不宜从四周转圈向内排进施工。因为这样限制了桩间土向外的侧向变形，容易造成大面积土体隆起，增大断桩的可能性。施工时可采用从中心向外推进的方案或从一边向另一边推进的方案。另外，在施工时要时刻观察地表概况，如发生地表隆起应停止施工，寻找原因。
4.2 充盈系数超常及其解决措施
一般的CFG桩施工，其充盈系数为1.1-1.2，但对于孔隙比极大、流塑性极强的软基，CFG桩充盈系数会出现超常现象。在三垟大桥0#台台尾CFG桩施工时发现，CFG桩充盈系数超常至1.8-2.2，如继续按此工艺施工，必然造成混凝土严重亏损。对此，通过对地质情况的综合分析，对施工工艺作如下调整：（1）在保证混凝土强度的前提下，对原配合比中的粉煤灰用量由原来的150kg/m3减少至100 kg/m3；对粗骨料做了相应的增加，由原来的1143 kg/m3增加至1210 kg/m3。这样减小了混凝土的流动性，从而增强了混凝土对淤泥侧压力的抵抗能力，减小了桩的充盈系数；（2）对混凝土的坍落度由原设计的5-7cm，减为3-5cm；（3）在沉管后投斜时，减少每斗混凝土投放量，由原来0.65 m3/斗减少至0.3 m3/斗，从而减小了每斗混凝土对淤泥的落差冲击；（4）适当增大振动拔管速度，可增大至1.5-1.7m/min，在不断桩、缩颈的情况下，减小了混凝土自重压力对周围淤泥的影响。通过以上工艺的调整，CFG桩充盈系数降至1.4-1.5之间。
4.3 缩颈、断桩现象及预防措施
1）桩的施工顺序与拔管速度是产生缩颈与断桩的主要因素。
在饱和软土中成桩，桩机的振动力较小，这时若采用连打作业，新打桩对已成桩的作用主要表现为挤压，使已成桩被挤成不规则形，严重的会产生缩颈和断桩。在上部有较硬的土层或中间夹有硬土层的土中成桩。当采用隔桩跳打工艺时，若已打桩硬结强度不太高，在中间打新桩时，已打桩有时被振断裂。
2）在成桩时如果拔管速度太快，会导致混凝土自重压力对周围淤泥压力的抵抗力减少而造成缩颈或断桩；而拔管速度太慢，则会使得桩的端部桩体水泥含量较少，桩顶浮浆过多，而且混凝土产生离析，造成桩身强度不均匀。
由此可见，根据施工地质情况，选择合理的施打顺序及拔管速度是防止缩颈及断桩的有效方法。
5 CFG桩在福州市内的应用
在开工建设的福州市三环路东北段A段道路工程中，也存在大量的软基需要处理，基本采用CFG桩或水泥搅拌桩，结合双向土工格栅的处理方案。在磨洋支河桥南北两侧共设计51892米的CFG桩，桩径40cm，桩长25-27米，桩距1.5米，桩身强度C15,桩尖强度C35。
6 结束语
CFG桩作为一种软基处理技术，有着广阔的使用前景，其施工工艺也将日新月异。在温州瓯海大道的施工中，通过对振对沉管CFG桩施工工艺的应用，掌握了CFG桩的施工与质量控制的初步经验，并取得了一定的成绩。CFG桩经浙江省交通工程检测中心检测，质量优良，符合设计与规范要求，受到了业主的好评。