0引言

 

　　 CFG桩即水泥粉煤灰碎石桩的简称。以前多用于高层建筑、大型仓库等地基加固，随着我国高速铁路的修建，CFG桩复合地基已作为一种新型的软基处理方式被广泛采用。CFG桩复合地基由桩、桩间土及加筋褥垫层三部分构成，其加固原理为褥垫层受上部荷载作用产生变形后以一定的比例将荷载分摊给桩及桩间土，使二者共同受力。土体受到桩的挤密而提高承载力，而桩又由于周围土体应力的增加而改善受力性能，二者共同承担上部荷载。

 

　　 传统CFG桩是通过振动沉管成孔，在现场将碎石、石屑、粉煤灰掺适量水泥加水拌和的混合料投入管内形成半刚性桩体。与传统的CFG桩施工方法相比，长螺旋钻机成孔，泵送混凝土成桩的工艺具有施工速度快，成桩质量高，适应地质条件广的优点。

 

　　1工程概况

 

　　 武广铁路客运专线XXTJⅢ标段位于湖南省株洲境内，该地区地质条件主要为上层粉质黏土夹淤泥质黏土，下伏含砾泥质粉砂岩、砂质泥岩，全风化至强风化。

 

　　 设计采用桩径0.5mCFG桩加固，桩长4～19m，桩间距1.5～1.8不等，梅花形布置，桩顶采用圆锥形扩大桩头，褥垫层厚度为60cm厚碎石夹土工格栅的复合地基处理方式对软弱地基进行加固处理，以确保工后沉降满足高速铁路运营要求。

 

　　 2施工工艺

 

　　 2.1配合比的选定

 

　　 设计CFG桩采用C15混凝土材料，施工中采用的原材料如下：

 

　　 （1）水泥：P032.5普通硅酸盐水泥

 

　　 （2）细骨料：湘江河砂（细度模量2.5～2.8）

 

　　 （3）粗骨料：为5～20mm连续级配碎石。

 

　　 （4）粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰

 

　　 （5）外加剂：江苏博特JM-PCAⅠ缓凝剂

 

　　 施工中选定的配合比如下：

 

　　 水泥：粉煤灰：砂：碎石：外加剂：水=1：1：4.2：6.3：0.014：0.78。

 

　　 2.2主要机械设备

 

　　 根据现场实际情况选择CFG-26型长螺旋钻机，HBT60型混凝土输送泵，9立方混凝土运输车以及150kw发电机组。

 

　　 2.3施工工艺流程

 

　　 见如下施工工艺流程图。

 

　　 CFG桩施工工艺流程图

 

　　 2.3.1施工准备

 

　　 加固区域主要为水田或池塘，首先进行排水并清除表层松软土。根据设计要求，换填A、B组料作为工作垫层。换填厚度一般为30～50cm，特殊地段换填厚度较大时分层填筑。

 

　　 正式施工前应先进行工程试桩，以验证并确定最佳的配合比及机械组合。

 

　　 2.3.2桩位放样

 

　　 ⑴CFG桩采用梅花型布置，布桩前首先绘制出桩位布置图，标出每个桩位并编号。

 

　　 ⑵在工作面上恢复出中桩，用长钢尺量出每个桩的位置，插上小竹扦并洒上白灰标记。

 

　　 2.3.3钻机就位

 

　　 长螺旋钻机移至工作面，采用悬挂锤球法对支撑杆进行垂直调整，以确保成桩后的垂直度满足设计要求。

 

　　 2.3.4钻进施工

 

　　 钻进的速度按先慢后快再慢最后静止的原则，在开始的1～2m慢速钻进，钻头进入土层一段距离后，加快钻速，进入持力层后，适当降低钻进速度，至设计桩底标高位置。

 

　　 2.3.5灌注砼成桩

 

　　 钻头至设计标高后，停止钻进，将钻杆缓慢提升30～40cm，开始泵送混凝土。待混凝土面高出钻头约1m后，开始提升钻杆，提升与泵送同步进行，速率相互匹配，以保证灌筑的连续性。

 

　　 2.3.6钻机移位

 

　　 灌筑完毕后，移动钻机至下一桩位进行施工。CFG桩施工在同一横断面上从线路中心向两侧跳桩施工。

 

　　 2.3.7清理桩头

 

　　 常见的桩头处理方法是在CFG桩灌筑7天后，人工清除桩间土，采用风镐破除桩头。这样成品不易受损，但施工速度较慢。

 

　　 目前较多采用小型挖掘机，在混凝土初凝前将钻碴及多余桩头直接清理出工作面，7天后再处理桩头。其施工速度快，但容易对CFG桩桩身产生扰动，对桩身质量控制不利，需加强过程监控。

 

　　 2.3.8桩基检测

 

　　 桩身砼浇筑28天后，采用低应变仪检测成桩质量，桩身质量检测合格后，进行单桩竖向抗压静载试验和复核地基检测。

 

　　 2.3.9施工扩大桩头

 

　　 桩身检测合格后施工扩大桩头，管段内设计为圆锥形扩大桩头，由于立模困难且锥底外侧桩间土不易压实，现场直接利用土模施工，混凝土采用泵车输送，施工较为快速便捷。

 

　　 2.3.10施作褥垫层

 

　　 设计的褥垫层由级配碎石加土工格栅及中粗砂保护层构成，即25cm碎石＋5cm砂＋土工格栅＋5cm砂＋25cm碎石。为避免破坏桩头，施工中采用重型压路机静压，。

 

　　 3质量控制要点

 

　　 CFG桩复合地基施工质量控制要点主要是：桩尖进入持力层判断、桩身完整性、桩身强度、扩大桩头的处理、桩间土的压实等。

 

　　 3.1桩尖进入设计持力层判断

 

　　 在钻孔的深度的确定上，要结合实际地质复核的情况进行判断，现场采用三种方式，即钻进深度法、电流值变化法、钻进速度法。

 

　　 （1）如地质层均衡，同种地质结构层呈水平构造，可利用钻进深度法判断，到达设计标高时停止钻进。

 

　　 （2）当在不同地层上钻进时，其负荷不一样对应的电流也会发生变化，从一种地层进入另一种地层时，瞬间电流变化值较大。电流值变化法利用多次试桩确定某一机型达到设计要求地层电流变化值范围，大面积施工时参照此电流值范围进行判断。

 

　　 （3）钻进速度法与电流值法的原理相似，是将电流变化的分析改为钻进速度判断。在钻头进入持力层的情况下，钻进速度明显变慢。

 

　　 三种方法各有局限性，在复杂的地质条件下要根据不同的地质和施工设备组合使用。

 

　　 3.2桩身完整性及强度

 

　　 （1）CFG桩灌筑过程中，要按照先泵料后拔管的原则，严格控制拔管速率。拔管太快可能导致缩颈或断桩，拔管过慢又会造成水泥浆上涌，桩顶浮浆过多，形成混和料离析现象，导致桩身强度不足。

 

　　 （2）提钻泵送过程中，旁站人员要经常敲打输送管，判断管内混合料是否充实，以保证桩体密实。

 

　　 （3）CFG桩成桩后，严禁一切大型机械进入施工区，如施工条件困难确实要通过的，需在CFG桩达到设计强度，并在其上覆盖不小于1m厚的土层。

 

　　 3.3桩头处理

 

　　 （1）在截桩头前需准确测量桩顶标高，严禁单边打眼凿桩头或用大捶单侧捶击桩身，防止浅部断桩或桩身不规则破损。

 

　　 （2）扩大桩头施工时，要注意其标高控制，相邻扩大桩头间的标高差不可过大，否则褥垫层施工碾压将很难进行。

 

　　 3.4桩间土的压实

 

　　 桩间土作为复核地基的重要组成部分，压实度需满足≥90%的要求。在铺设褥垫层前需进行检测，如不满足要求用小型冲击夯进行夯实，需注意不能破坏扩大桩头的边缘。

 

　　 4常见问题和预防措施

 

　　 4.1堵管

 

　　 堵管是长螺钻机施工CFG桩工艺遇到的主要问题之一，常见原因及解决办法如下：

 

　　 （1）混合料配合比不合理

 

　　 混合料配比确定时，除强度、耐久性要求外，要适合泵送。如混合料中细骨料和粉煤灰用量偏少，和易性差，是导致堵管的一个重要原因。因此，有利于增加混凝土和易性的粉煤灰及砂可适当加大用量，同时应通过掺加外加剂尽降低量坍损速度。

 

　　 （2）混合料搅拌质量缺陷

 

　　 混和料泌水、离析、或坍落度过大过小时，容易发生堵管、爆管。要保证搅拌质量，需在拌和站集中拌和，搅拌时间不低于90秒。同时对施工配合比要根据骨料的含水量进行调整。

 

　　 （3）设备问题

 

　　 弯头过多或软管太长易导致堵管。弯头导致泵送阻力较大；软管的摩阻系数一般比钢管大，应减短使用长度。钢管和软管使用后，均需仔细冲洗，否则管路内混合料凝结硬块，也会造成管路的堵塞。

 

　　 （4）气温原因

 

　　 夏季施工中，由于气温较高，混凝土坍损大，容易引起堵管。要加强现场组织，加快施工，还需对输送管用湿麻袋覆盖洒水，料斗遮阳，添加缓凝剂改善混凝土高温气候下的性能等。

 

　　 冬期施工中，输送管需做好防冻保护措施，否则混合料冻结，会造成堵管。一般采取加热拌和水提高混合料的出料温度，对混凝土运送车及泵管进行保温包裹等措施。

 

　　 （5）施工操作不当

 

　　 除以上原因外，施工中操作不当是一个普遍存在但容易解决的问题。其表现为拔管速度与泵料速度不匹配，钻至设计高程后未将钻杆上提就开始泵料，泵料中途停顿时间过长等。解决这些问题主要是加强工前培训、交底，增强施工中各工种之间的配合。

 

　　 4.2断桩

 

　　 断桩可分为浅部断桩和深层断桩。

 

　　 浅部断桩一般位于桩顶下0.8～1.5m左右，主要是在清理桩间土及破除桩头时未注意对桩身的保护，可通过禁止大型施工机械通行，采用人工破除桩头等方式避免。

 

　　 深层断桩主要是钻杆提升过快，地下水压力较高，坑壁发生坍塌，泵料不及时形成夹层等引起。解决方法是在桩身比较长、地下水发育或地下土存在较高应力的情况下，适当放慢拔管速度。

 

　　 4.3桩身强度差

 

　　 桩身强度差的原因较多，可能是混和料的质量原因，也可能是施工中操作不当引起。泵送混凝土离析、跑浆、泌水对桩身质量影响较大，混合料的质量是保证桩身强度的首要因素。

 

　　 4.4桩头空芯

 

　　 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。为避免桩头空芯，施工中应经常检查排气阀的工作状态，发现堵塞及时清理。

 

　　 4.5桩尖软弱

 

　　 这种情况多发生在桩底水压较大，坑壁不稳定得情况，施工中为了方便阀门的打开，要先提钻后泵料，由于桩尖范围内的坑壁土受地下水影响掉入桩底，软弱的桩底土影响了CFG桩的桩端承载力，表现为单桩承载不合格。为杜绝这种情况，在钻头钻至设计孔深后宜多钻几圈扫空，形成临时护壁，并适当减小提升高度，控制在20cm左右便开始泵料。

 

　　 4.6窜孔

 

　　 在饱和粉土、粉细砂层中成桩经常会遇到窜孔。可采取隔桩、隔排跳打的方法施工。

 

　　 4.7缩径

 

　　 一种是由于钻头磨损过大，未及时更换引起。钻头不应小于设计桩径2cm以上。另一种原因是拔管过快，混凝土受坑壁挤压缩径，因此要控制好拔管速度，通过比较设计量就容易发现桩径是否满足要求，以便及时解决。

 

　　 在施工前做好有效的应对措施，施工中加强过程监控和质量控制，施工后注意保护，以上各种问题均可减少或避免。

 

　　 5结语

 

　　 通过对管段内各段施工完成的CFG检测数据统计来看，Ⅰ类桩比例为92.7％，Ⅱ桩比例为3.9％，Ⅲ类桩比例为3.4％，满足设计及规范要求，说明长螺钻机施工CFG桩工艺是科学合理的。在承载力检测中，按照设计加载，单桩累计下沉量最大6.38mm，最小1.73mm；复合地基累计下沉量最大10.5mm，最小5.80mm；通过路基沉降观测评估分析，满足工后沉降要求，，起到了良好的地基加固效果。目前无砟轨道已经施工完成，长螺钻机施工CFG桩复合地基作为一种新型的软基处理方式值得在今后的施工中广泛推广和应用。

 

　　[参考资料]：1、武广铁路客运专线路基施工图纸。

 

　　2、铁建设（2005）160号客运专线铁路路基工程施工质量验收标准。

 

　　3、TZ212-2005客运专线铁路路基工程施工技术指南。