客運專線鐵路CFG樁加固軟土地基

1、淺析客運專線鐵路CFG樁加固軟土地基施工技術(shù)劉 鵬（中鐵十一局集團第二工程有限責(zé)任公司）摘要：目前CFG樁在房屋、公路的地基加固中得到廣泛運用。但CFG樁在我國鐵路軟土路基地基加固工程中未大面積應(yīng)用，尚無成熟的設(shè)計方法及施工工藝并缺乏試驗研究數(shù)。本文從工法特點、適用范圍、工藝原理、工藝流程及操作要點幾個方面詳細(xì)介紹了CFG樁的基本概念和原理，并從材料、機具、組織安全、環(huán)境、效益各方面分析CFG樁加固軟土地基的利弊要求，最后舉例分析了客運專線鐵路CFG樁加固軟土地基施工工法。關(guān)鍵詞：鐵路CFG樁；軟土地基；質(zhì)量檢驗；效益分析一、前言水泥粉煤灰碎石樁（Cement Flyash Gravel pi

2、le）簡稱CFG樁，處理軟弱地基的一種新方法，它是在碎石樁的基礎(chǔ)上摻入適量石屑、粉煤灰和少量水泥加水拌和后制成的一種具有一定強度的樁體。其骨料仍是碎石，用摻入石屑來改善顆粒級配，摻入粉煤灰來改善混合料的和易性，并利用其活性減少水泥用量，摻入少量水泥使其具有一定的粘結(jié)強度，具有某些柔性樁特點的高粘結(jié)強度樁。CFG樁、樁間土、和褥墊層一起構(gòu)成柔性樁復(fù)合地基。CFG樁90年代應(yīng)用在多層和高層建筑地基處理工程，被列為建設(shè)部重點推廣技術(shù)和國家科委重點推廣研究成果。經(jīng)過十多年的研究和推廣應(yīng)用使其在我國的基本建設(shè)中起了非常主要的作用。目前CFG樁在房屋、公路的地基加固中得到廣泛運用。但CFG樁在我國鐵路軟土

3、路基地基加固工程中商不成熟，尚無成熟的設(shè)計方法及施工工藝并缺乏試驗研究數(shù)據(jù)，在高速鐵路加固軟土地基是不成熟的。二、工法特點CFG樁通過振動沉管成樁和樁間土通過碎石褥墊層形成CFG復(fù)合地基，彌補了碎石樁和素混凝土樁的缺陷：1 特點：1.1 改變樁長、樁徑、樁距等設(shè)計參數(shù)，可使承載力在較大的范圍內(nèi)調(diào)整。1.2 有較高的承載力，承載力的提高幅度在250300之間，對軟土地基承載力提高更大。1.3 沉降量小，變形穩(wěn)定快，如將CFG樁落在較硬的土層上，可較嚴(yán)格地控制地基沉降量。1.4 工藝性好，由于大量采用粉煤灰，樁體材料具有良好的流動性與和易性，灌筑方便，成樁質(zhì)量好，易于控制施工質(zhì)量。1.5 可大量節(jié)

4、約水泥、鋼材，利用工業(yè)廢料，消耗大量粉煤灰，降低工程費用。三、適用范圍本工藝適用于加固砂土、粉土、松散粘土、粘土和淤泥質(zhì)粘土，一般深度小于25m的軟土地基加固。當(dāng)天然地基土是具有良好的擠密效果的砂土、粉土?xí)r，有時承載力可提高2倍以上。對塑性指數(shù)高的飽和粘土，擠土作用微乎其微。由于樁間土承載力小，土的荷載分?jǐn)偙鹊?，會?yán)重影響加固效果。對于強度很低的飽和軟粘土，要慎重對待。在使用前要現(xiàn)場做試樁，進行試驗，來確定其適用性。四、工藝原理1 CFG樁同時具有對地基的擠密加固作用和對地基的置換加固作用的雙重作用，由于CFG樁樁體強度較高，在粘性土地基上，擠密效果不佳時，CFG樁可有效地將地基荷載傳遞到深處

5、土層，確保對地基的置換加固作用。2 CFG樁復(fù)合地基通過在樁和基礎(chǔ)間設(shè)置柔性褥墊層，使調(diào)整樁土相對變形的問題從根本上得到解決。3 CFG樁復(fù)合地基的強度和模量比較均勻，對上部結(jié)構(gòu)受力和抗震極為有利。4 褥墊層使樁間土的有效接觸應(yīng)力增加，提高了樁周土的抗剪強度，使的樁體承載力得到提高。5 褥墊層對于地基的不均勻沉降也有一定的補償作用。五、工藝流程及操作要點1 施工工藝流程成樁工藝流程圖測量放線并復(fù)核場地布置，安裝樁機等設(shè)備原材料進場、檢驗混合料攪拌樁尖預(yù)制與埋設(shè)樁機樁位對中確認(rèn)施工順序沉管至設(shè)計標(biāo)高試樁確定工藝參數(shù)和終孔條件檢查灌注混合料至預(yù)定標(biāo)高邊拔管邊投混合料移至下一根樁鋪設(shè)工作墊層分區(qū)與編

6、號2 操作要點：2.1 施工前鋪設(shè)一層0.51.0m工作墊層（C組以上填料）,碾壓平整、穩(wěn)定,確保樁機施工的需要。2.2 把預(yù)制好的樁尖按現(xiàn)場放樣樁位就位埋好，確保樁尖頂面水平。2.3 樁機就位保持水平、穩(wěn)固，調(diào)整沉管與地面垂直，確保垂直偏差不大于1%；2.4 沉管過程中作好記錄，激振電流每米記錄一次，對土層變化處應(yīng)特別說明，直至樁機反復(fù)抬起，電流明顯增大，沉管無法繼續(xù),待沉管至設(shè)計標(biāo)高并抬架時應(yīng)開動馬達(dá)，原地留振不小于10s；2.5 終孔后須盡快用料斗進行空中投料，直到管內(nèi)混合料面與鋼管料口平齊，如上料量不夠，須在拔管過程中補充投料，以保證成樁樁頂標(biāo)高滿足設(shè)計要求；2.6 拔管時速度盡量勻速

7、提升，一般控制在1.01.5 m/min，遇淤泥或淤泥質(zhì)土，拔管速率可放慢至0.60.8m/min。邊振動邊拔管，在拔管過程中不允許反插；2.7 由于設(shè)計滿堂布樁且間距較小，一般采取連打跳排的施打工序。但施工新樁時與已打鄰樁的間隔時間不應(yīng)小于7d，必要時可在混合料內(nèi)摻入緩凝早強劑；2.8 當(dāng)樁管拔出地面，確認(rèn)樁符合設(shè)計要求后，其上部可用粒狀材料或粘土進行封頂并做好標(biāo)記；2.9 在確定樁頂標(biāo)高施工擴大樁頭前，應(yīng)先鑿除樁體保護樁長至擴大樁頭底部標(biāo)高?？硺额^前樁周工作墊層碎石土為避免機械擾動造成斷樁宜采用人工進行開挖?？硺额^可采用風(fēng)稿自上而下鑿除混凝土至指定標(biāo)高，也可用鏨子截樁至指定標(biāo)高；2.10

8、當(dāng)CFG樁在鑿除浮漿后或由于淺部斷樁（1.5m之內(nèi)，超過1.5m接樁挖開樁土體可能會導(dǎo)致相鄰CFG樁斷樁）造成樁體頂面標(biāo)高低于擴大樁頭底面標(biāo)高時，應(yīng)采用強度高出樁身一級的混凝土進行接樁。接樁部分的樁徑應(yīng)比設(shè)計樁徑大20cm，與既有樁體的咬結(jié)長度不小于20cm。如下圖：2.11 施工完成后14天內(nèi)不得上重型機械碾壓樁頂。3 測量與試驗3.1 施工過程中應(yīng)有計劃地進行打新樁時對已打但尚未結(jié)硬樁的樁頂位移測量，以估算頂部樁徑的縮小量；對已打并結(jié)硬樁進行樁頂位移測量，以判斷是否斷樁。一般當(dāng)樁位移超過10mm，需開挖進行查驗；3.2打樁過程中應(yīng)隨時測量地面是否隆起,是否有浮樁，浮樁量大小如何；3.3 試

9、驗人員每工班都應(yīng)對混凝土坍落度進行一次抽檢；3.4 混合料攪拌均勻后，應(yīng)隨機對每臺樁機每一個臺班做一組試塊，測定其28d抗壓強度R28。4施工注意事項4.1堵管堵管是長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁工藝常遇到的主要問題之一。它直接影響CFG樁的施工效率,增加工人勞動強度,還會造成材料浪費。特別是故障排除不暢時,使已攪拌的CFG樁混合料失水或結(jié)硬,增加了再次堵管的幾率,給施工帶來很多困難。以下為產(chǎn)生堵管的原因和具體的預(yù)防措施： 、混合料配合比不合理。當(dāng)混合料中的細(xì)骨料和粉煤灰用量較少時,混合料和易性不好,常發(fā)生堵管。預(yù)防措施：要注意混合料的配合比,尤其要注意將粉煤灰摻量控制在70kg/m390

10、kg/m3的范圍內(nèi),坍落度應(yīng)控制在160mm200mm之間。、混合料攪拌質(zhì)量有缺陷。在CFG樁施工中,混合料由混凝土泵通過剛性管、高強柔性管、彎頭最后到達(dá)鉆桿芯管內(nèi)。混合料在管線內(nèi)借助水和水泥砂漿潤滑層與管壁分離后通過管線。預(yù)防措施：嚴(yán)格控制坍落度。坍落度太大的混合料,易產(chǎn)生泌水、離析,泵壓作用下,骨料與砂漿分離,摩擦力加劇,導(dǎo)致堵管。坍落度太小,混合料在輸送管路內(nèi)流動性差,也容易造成堵管。、施工操作不當(dāng)。鉆孔進入土層預(yù)定標(biāo)高后,開始泵送混合料,管內(nèi)空氣從排氣閥排出,待鉆桿內(nèi)管及輸送軟、硬管內(nèi)混合料連續(xù)時提鉆。若提鉆時間較晚,在泵送壓力下鉆頭處的水泥漿液被擠出,容易造成管路堵塞。預(yù)防措施：嚴(yán)格

11、控制提鉆時間，在鉆桿內(nèi)管及輸送軟、硬管內(nèi)混合料連續(xù)時必須提鉆。、冬期施工措施不當(dāng)。冬期施工時,混合料輸送管及彎頭均需做防凍保護,防凍措施不力,常常造成輸送管或彎頭處混合料的凍結(jié),造成堵管。預(yù)防措施：冬季施工時,會采用加熱水的辦法提高混合料的出口溫度,但要控制好水的溫度,水溫最好不要超過60,否則會造成混合料的早凝,產(chǎn)生堵管,影響混合料的強度。、設(shè)備缺陷。彎頭曲率半徑不合理也能造成堵管。預(yù)防措施：嚴(yán)格控制彎頭曲率半徑，彎頭與鉆桿不能垂直連接?；旌狭陷斔凸芤ㄆ谇逑?否則管路內(nèi)有混合料的結(jié)硬塊,還會造成管路的堵塞。4.2竄孔在飽和粉土、粉 細(xì)砂層中成樁經(jīng)常會遇到這種情況,打完X號樁后,在施工相鄰的

12、Y樁時,發(fā)現(xiàn)未結(jié)硬的X號樁的樁頂突然下落,當(dāng)Y號樁泵入混合料時,X號樁的樁頂開始回升,此種現(xiàn)象稱為竄孔。、發(fā)現(xiàn)竄孔的三個條件：a)被加固土層中有松散飽和粉土、粉細(xì)砂;b)鉆桿鉆進過程中葉片剪切作用對土體產(chǎn)生擾動;c)土體受剪切擾動能量的積累,足以使土體發(fā)生液化。由于竄孔對成樁質(zhì)量的影響。、施工中采取的預(yù)控措施:a)采取隔樁、隔排跳打方法;b)設(shè)計人員根據(jù)工程實際情況,采用樁距較大的設(shè)計方案,避免打樁的剪切擾動;c)減少在竄孔區(qū)域的打樁推進排數(shù),減少對已打樁擾動能量的積累;4)合理提高鉆頭鉆進速度。4.3樁頭空芯。發(fā)生樁頭空芯的原因：主要是施工過程中,排氣閥不能正常工作所致。鉆機鉆孔時,管內(nèi)充滿

13、空氣,泵送混合料時,排氣閥將空氣排出,若排氣閥堵塞不能正常將管內(nèi)空氣排出,就會導(dǎo)致樁體存氣,形成空芯。預(yù)防措施：為避免樁頭空芯,施工中應(yīng)經(jīng)常檢查排氣閥的工作狀態(tài),發(fā)現(xiàn)堵塞及時清洗。4.4樁端不飽滿。發(fā)生樁端不飽滿的原因：主要是因為施工中為了方便閥門的打開,先提鉆后泵料所致。這種情況可能造成鉆頭上的土掉入樁孔或地下水浸入樁孔,影響CFG樁的樁端承載力。預(yù)防措施：為杜絕這種情況,施工中前、后臺工人應(yīng)密切配合,保證提鉆和泵料的一致性。六、材料要求1 水泥采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，水泥進場時應(yīng)有出廠合格證并在現(xiàn)場取樣檢驗；2 粉煤灰一般采用細(xì)度不大于25%的級或級以上的粉煤灰，粉煤灰進

14、場時同樣要求必須有合格證,并在現(xiàn)場取樣檢驗；3 碎石粒徑采用2040mm級配，其含泥量不大于3%且符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法JGJ53的規(guī)定；4 石屑一般采用粒徑2.520mm含泥量不大于5%，細(xì)模度符合中砂要求。當(dāng)石屑缺少時，可采用中砂或粗砂代替石屑；5 為控制成樁后樁頂浮漿厚度不超過200mm，混凝土的坍落度應(yīng)控制在30-60mm之內(nèi)?；旌狭蠎?yīng)嚴(yán)格計量，強制攪拌，每盤混合料的攪拌時間不得小于1 min。七、機具設(shè)備要求CFG樁成孔、灌筑一般采用振動式沉管打樁機，配DZJ90型變矩式振動錘，主要技術(shù)參數(shù)為：電動機功率90KW、激振力0747KN、質(zhì)量6700Kg

15、。也可根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)情況和設(shè)計要求的樁長、樁徑，選用其他類型的振動錘。亦可采用履帶式起重機、走管式或軌道式打樁機，配有挺桿、樁管。此外配備混凝土攪拌機及電動氣焊設(shè)備及手推車或機動翻斗車，吊斗等機具。 八、活動組織及安全要求1 工作班組每套CFG樁施工設(shè)備，施工班組一般需要8個人，其中：領(lǐng)工員1名；機長1名；攪拌機操作人員1名；機動翻斗車司機1名：技術(shù)人員2名；普通操作人員2名。詳細(xì)分工見下表序號工種人員數(shù)量分工負(fù)責(zé)1領(lǐng)工員1負(fù)責(zé)場地內(nèi)施工準(zhǔn)備、協(xié)調(diào)、進度2機長1操作機械，調(diào)配，組織機械的保養(yǎng)維修3攪拌操作員1混凝土的攪拌施工4司機1混凝土從攪拌機運至施工料斗5技術(shù)員2現(xiàn)場的施工記錄及施工放樣工作

16、6普工2施工中相關(guān)配合。2 施工安全2.1 進場的機械必須進行安全檢查，配有合格證；2.2 進場的電氣設(shè)備必須由專業(yè)的電工進行安裝，試機前要仔細(xì)檢查電路的聯(lián)接和安全。聯(lián)接的電纜要滿足用電荷載要求；2.3 電氣、鉆機等設(shè)備非專業(yè)人員不得進行操作；2.4 鉆機在施工作業(yè)的過程中必須有專人指揮協(xié)調(diào)；2.5 施工人員施工過程中必須配戴安全帽；2.6夜間施工時，照明要滿足施工和安全需要，操作人員要有良好的視線；2.7 施工作業(yè)過程中，要保證尚未拆除管線的安全；2.8鉆機在施工過程中，要求離尚未拆除的高壓線和照明線路一定的安全距離；2.9 振動沉拔樁機安全操作規(guī)程作業(yè)前，測定電機絕緣電阻不得小于0.5M。

17、長期停用的震動錘在低于此值時，應(yīng)進行干燥處理；檢查電源接線及控制系統(tǒng)接觸的可靠性，連接的電纜應(yīng)無破損，必要時進行維修或更換；檢查震動錘減震器與連接螺栓的堅固性，不得在螺栓松動或缺少的狀態(tài)下起動；檢查振子箱中的油位，應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)，不得在缺油或超油位狀態(tài)下起動運行；檢查每根傳動帶的松緊程度，用一個手指壓下各傳動帶上緣，低于相鄰傳動帶下緣時應(yīng)進行調(diào)整，超過張緊輪調(diào)整量，應(yīng)更換；實際施工中樁錘與樁管采用螺栓連接，要求螺栓上滿，每個螺栓都要有牢固的止動銷，施工中每天要對螺栓連接情況進行檢查；3安全措施3.1 健全組織項目經(jīng)理為安全生產(chǎn)第一責(zé)任人。施工現(xiàn)場設(shè)立專職安全員負(fù)責(zé)工地安全工作。各工種、班組設(shè)兼

18、職安全員，形成橫向到邊，縱向到底的安全組織網(wǎng)絡(luò)。3.2 建立制度根據(jù)工程項目特點，要建立健全行之有效的安全生產(chǎn)管理制度，如崗位責(zé)任制、安全檢查制度、安全教育制度、安全獎勵制度等，并在施工中認(rèn)真執(zhí)行。3.3 安全教育和培訓(xùn)對新入場的作業(yè)人員進行入場前安全教育和培訓(xùn)，未經(jīng)培訓(xùn)或考核不合格者不準(zhǔn)上崗作業(yè)。3.4 執(zhí)行規(guī)程施工過程中要嚴(yán)格執(zhí)行各項安全操作規(guī)程，作業(yè)人員有權(quán)拒絕執(zhí)行違章指令，杜絕違章指揮和違章作業(yè)。3.5 加強防護相關(guān)作業(yè)人員必須做好勞動保護工作，進場必須穿工作服、勞保鞋，戴安全帽。要做好機械設(shè)備的安全防護，夜間施工做好照明工作，做到整個工地照明無死角。3.6 安全用電做好安全用電，配備

19、持證專業(yè)電工值班?，F(xiàn)場要有漏電保護裝置，電纜或電線架設(shè)，嚴(yán)格執(zhí)行用電制度。3.7現(xiàn)場警示與標(biāo)志施工現(xiàn)場要設(shè)置安全警示牌和文明施工標(biāo)語。各危險點或危險部位要設(shè)置防護圍欄和警示標(biāo)志，樁頭標(biāo)高在地面以下的工程，對樁頭上部要及時回填，并做好標(biāo)志，防止發(fā)生機械傷害和人身傷亡事故。 九、質(zhì)量要求1、CFG樁質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)及方法見表：CFG樁質(zhì)量檢驗 序號檢驗項目允許偏差檢驗數(shù)量檢查方法及說明1樁位(縱橫向)50mm抽樣檢驗樁總數(shù)的10%，且每檢驗批不少于5根經(jīng)緯儀或鋼尺丈量2樁身垂直度1%經(jīng)緯儀或吊線測鉆桿傾斜度3樁體有效直徑設(shè)計值開挖50100cm后，鋼尺丈量4樁長設(shè)計值每根樁測量沉管長度，查施工記錄5樁

20、身混合料強度設(shè)計值每班一組試塊28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試件抗壓強度檢驗6樁身質(zhì)量、完整性符合設(shè)計要求抽樣檢驗總樁數(shù)的10%低應(yīng)變檢測7單樁承載力設(shè)計值抽驗檢驗成樁數(shù)量的2，且不少于3根平板載荷試驗十、環(huán)境要求1 施工中容易產(chǎn)生土體三角隆起，對周圍環(huán)境及建筑物產(chǎn)生影響?？刂拼胧?減少單位時間內(nèi)打樁的數(shù)量,2臺樁機距離不小于100m。2 施工中或風(fēng)力大于4級水泥、粉煤灰的粉塵造成環(huán)境污染和危害工人的身體健康?？刂拼胧翰捎妹苣烤W(wǎng)覆蓋水泥及粉煤灰。作業(yè)人員戴口罩。十一、效益分析1 CFG樁經(jīng)濟分析CFG樁的主要優(yōu)勢是造價低廉，在施工中由于粉煤灰的使用，大量減少了水泥的用量，振動沉管機械簡單，安全隱患小，質(zhì)量易

21、于控制，沉樁效果好，采用CFG樁復(fù)合地基處理可比混凝土復(fù)合地基處理費節(jié)省成本30%40%，可獲得顯著的經(jīng)濟效益。2 施工進度施工進度300m/機/晝夜，施工速度相對較快，能在短時間內(nèi)進行大面積軟土地基的加固。28天齡期檢測合格后就可以進行路基的填土施工。十二、應(yīng)用實例某工程標(biāo)段DK234+750DK235+755軟土地基加固采用CFG樁，混凝土標(biāo)號采用C15，其中在CFG樁的頂部采用C30鋼筋混凝土整體式筏板，在混凝土筏板內(nèi)設(shè)置雙層鋼筋，路基坡腳位置未設(shè)筏板地段，采用擴大樁頭。樁徑0.5m,樁間距1.6m,呈正方型布置,設(shè)計承載力660KN。設(shè)計樁長為13.5m至24m。從2009年1月開工,本段工程數(shù)量為碎石墊層25680m3、土工格柵91115m2、土工格室40706m2、CFG樁299113m/17234根。 1材料及配合比水泥:海螺P.O 42.