浅谈CFG桩地基加固技术在津保高速铁路工程中的应用
2015-05-29
1 工程概况
津保铁路工程东起天津枢纽天津西站，经河北省霸州、雄县、容城、徐水，西至京广既有线徐水站，利用既有京广线至保定站，其中新线113.8公里、利用既有线24.9公里。中铁二局承建津保铁路工程第四标段位于河北省境内正线长度41.6公里，其中路基工程21.6公里，CFG桩工程数量17.8万米，采用长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注法施工CFG桩。
2 CFG桩地基作用机理
水泥粉煤灰碎石桩简称CFG桩（Cement Fly-ash Gravel Pile）是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的具有一定强度的桩。由桩、桩间土及褥垫层三部分共同构成CFG桩复合地基。其具有大幅度提高承载力，地基变形小等特点，适用于松软土、厚层黏性土、粉土和砂土等地基，CFG桩地基作用机理主要有以下作用：
2.1 置换作用：CFG桩体的组成材料是影响复合地基置换作用大小的主要因素，桩的粘结强度较大时其置换作用也较大，而通过加大桩长可使复合地基置换作用得到显著提高。
2.2 桩体作用：基础传给复合地基的附加应力，随着地基的变形而逐渐集中到桩体上出现应力集中现象，此现象的出现是因为CFG桩具有较高的桩体模量和强度的桩体特点，所以在荷载作用下CFG桩的压缩变形小于桩间土，因此桩体作用明显。
2.3 挤密作用：当CFG桩应用于挤密效果好的土时（例如砂土），采用振动沉管法施工将会对桩间土产生扰动和挤密，进而形成挤密作用。
2.4 垫层作用：褥垫层是由级配碎石、粗砂等散体材料组成的褥垫，其设置是为了当CFG桩复合地基在受荷载作用下桩向上刺入提供条件，桩间土始终参与工作，进而保证桩和桩间土共同承担荷载。利用褥垫层的厚度变化不但可以调整桩和桩间土的竖向荷载分担比，而且还可以调整桩和桩间土的横向荷载分担比，并减少了基础底面的应力集中现象的发生。
2.5 加筋作用：CFG桩地基的加筋作用给路基带来很好的稳定效果，主要是复合地基在提高地基承载力增强土体作用的同时，提高了土体的抗剪强度，进而增加了土坡的抗滑能力。
2.6 排水作用：用于搅拌的桩体混合料中的粉煤灰、水泥的用量是影响CFG桩桩体渗透性的主要因素。经实验测试桩间土层的渗透系数一般在1O-6～10-4cm／s范围内，而CFG桩体的渗透系数一般在10-3～10-1cm／s范围内，远高于桩间土的渗透性，所以桩体具有良好的透水性排水作用显著。
3 CFG桩地基施工技术
3.1 津保铁路CFG桩设计说明
根据《津保正线及相关联络线施工图CFG桩加固地基设计图》（图号：津保施路通-2-07）对津保CFG桩设计作如下说明：
3.1.1 适用于天然地基沉降检算不满足客专有砟轨道铺设的松软土、厚层黏性土、粉土和砂土等，特别是当具有硬壳和松硬互层等土质地基加固。
3.1.2 CFG桩桩径0.4米，桩长及桩间距应检算确定，原则上须穿透松软土至硬层。
3.1.3 CFG桩设计桩身强度为C15，即要求桩身混合料试块（边长15厘米）28天龄期标准立方体强度大于等于15兆帕。
3.2 CFG桩施工对材料的要求
由水泥、卵石（或碎石）、石屑或砂、粉煤灰，加水在搅拌机中强制搅拌形成CFG桩桩体混合料，混合料的密度一般控制在2.1～2.3t/m3之间。津保铁路四标段施工中采用长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注法，混合料的塌落度一般控制在160mm～200mm之间。
3.2.1 水泥：采用42.5级普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，根据相关地质资料一分部管段内地下水具有侵蚀性，此管段内采用32.5级矿渣水泥。
3.2.2 卵石或碎石粗骨料：满足级配要求，松散堆积密度大于1500Kg/m3,最大粒径不大于25mm。
3.2.3 砂：采用含泥量小于等于5%且级配良好干净的中、粗河砂。
3.2.4 粉煤灰：对粉煤灰等级要求Ⅲ级或Ⅲ级以上，即细度（0.045mm方孔筛余百分比）小于等于45%。
3.2.5 施工单位通过复称这种检验方法，对CFG桩原材料每盘称量其中水泥、粉煤灰等干燥状态的掺和料允许偏差±2%；粗、细骨料允许偏差±3%；水、外加剂允许偏差±2%，检验的数量为每工班各抽样检验不小于1次。
3.3 CFG桩施工准备
津保铁路第四标段中铁二局项目经理部CFG桩施工前进行如下准备：
3.3.1 核查地质情况和结合设计参数选定相应机械进场，并进行长螺旋钻机安装、组合。
3.3.2 施工前根据探明的施工地段地下管线分布情况，对地下管线进行妥善处理和保护，然后清除地表种植土、垃圾土，对原地面进行平整压实，整平标高控制在CFG桩设计桩顶标高以上30cm为控制点。同时做好路基两侧的排水沟，施工时不得污染农田和环境。
3.3.3 进行满足桩体设计强度的配合比试验，确定各种材料的施工用配比，桩施工前向混凝土拌和站提供混凝土拌和技术标准及设计要求，并对照检查拌和站的备料情况，道路情况等，目的在于确保拌制的混凝土质量符合相关规范及设计要求，运送混凝土道路畅通。作好现场的测量放样工作，采用全站仪放出根据设计图纸计算并复核好的桩位，并在孔位打孔灌白灰，编写桩号和桩长，向钻机司机交底布置好的孔位和孔深情况。
3.4长螺旋法施工工艺
3.4.1 长螺旋法CFG桩施工流程
采用长螺法CFG桩施工流程为：原地面处理→测量放样→钻孔就位→钻进至设计深度→停钻→泵送混合料→边泵边均匀拔管至桩顶→钻机移位。
3.4.2 长螺旋钻进成孔及混合料灌注
（1）混合料搅拌：混合料搅拌要求按配合比进行配料，计量要求准确，拌合时间不得少于1分钟。混合料加水量和坍落度（设计要求长螺旋钻管内泵压混合料法施工时，坍落度控制在16～20cm）根据采用的施工方法按工艺试验确定并经监理工程师批准的参数进行控制，在泵送前混凝土泵料斗应备好熟料。
（2）钻机就位：钻机行至桩位处，通过调整钻机自身的调平装置和仪表调平塔身导杆，让钻杆垂直并且对准已经测量放样好的桩位。并利用垂球线检查垂直度和桩位偏差， 当CFG桩垂直度偏差大于1%，桩位偏差大于5厘米时，重新调整钻机直到垂球线检查符合规范要求。
（3）钻进成孔：为方便施工中控制桩长，在钻孔开始前即钻机初始状态下用红油漆，把桩杆上端头横向对应在钻机塔身上作红色粗横线醒目标记。按照设计CFG桩长h，外加30厘米标高钻进总长度H，根据设计要求则(H=h+0.3)米，用卷尺从钻机塔身红色粗横线处向下H米，用白色油漆划粗横线在钻机塔身上作白色醒目标记。钻机对好位后关闭钻头阀门，向下移动钻杆，使钻头接触已经平整压实的地面再启动马达钻进。钻机钻进时匀速钻进，应严格控制钻进速度在每分钟2米左右，如发现钻杆摇晃或下有持力层难钻时，应该放慢钻进速度。钻头钻进直至到达设计标高，即钻杆上端头横向对应到钻机塔身白色粗横线醒目标记处，停止钻进，现场领工员作好钻进用时记录。
（4）混凝土灌注成桩：先泵送混凝土让泵送管路充满混凝土，泵送混凝土钻机压力达到2Mpa时开始向上拔管，禁止先提管后泵料。钻机应静止提拔，施工中严格按照工艺性试验确定并经监理工程师批准的参数，控制提拔速度和泵送量，提拔速度一般宜控制在2～3米每分钟，并保证连续提拔，禁止出现超速提拔。实际拔管速度取0.8倍计算的理论提管速度，假设每分钟泵送混凝土0.5m3/min，则每分钟提升钻杆2.0米，一根桩灌筑时间初步控制在11分钟左右。现场领工员作好提钻用时记录。成桩过程宜连续进行，严禁避免因后台供料慢而导致停机待料造成断桩事故。施工桩顶高程要高出设计桩顶标高大于等于0.3m，桩体有效直径大于等于50cm。混凝土灌注量不小于理论数量，考虑到扩孔等因素，实际数量按1.3倍理论数量考虑。
（5）钻机移位：混凝土灌注至桩顶标高后清除附近成孔土，准确找出下一桩位位置，钻机移至桩位处精确对中后继续施工。
（6）桩头及试件养护：试验桩施工时在混凝土泵料斗处随机抽取一组（3块）混凝土试件，按混凝土标准养护条件养护28天后做强度试验。用水泥袋覆盖施工完后CFG桩桩头位置，终凝后用土体覆盖并浇水的方式养护。
3.4.3 保护土层清运及桩头处理
（1）清运成孔时所产生的弃土在CFG桩施工完毕并混合料终凝后进行，清运弃土的注意事项如下：避免损害设计桩顶标高以下的桩身；避免扰动桩间土；避免破坏未施工桩位的工作面。CFG桩强度达到设计强度75%时采用人工开挖其30cm厚的保护土层，为避免橡皮土的形成在开挖时不要扰动基底土，并严格控制开挖标高，避免超挖和欠挖现象的发生。
（2）在保护土层清除以后，利用截桩机从三面水平截割桩顶（设计标高以上桩头），然后把3个钢钎按同一角度对称放置在切缝内，用大锤同时击打钢钎直到将桩头截断。桩头截断后，利用手锤和钢钎将桩顶从四周向中间修平至桩顶设计标高，桩顶面应平整，不能出现斜面，允许桩顶出现0～+20mm的高程偏差。
3.4.4 CFG桩的检测
CFG桩施工完毕28天后可对桩进行包括桩身完整性、单桩或复合地基承载力的检测。具有相应检测资质的检测单位，采用基桩动测仪PIT-V，按总桩数的10%对桩完整性进行抽样检验，当低应变检测有凝问时用钻孔取芯的方法检验；采用砂袋逐级加平板载荷的试验方法，抽样总桩数的2‰，且每工点不少于3根，对单桩或复合地基承载力进行检验。所有检验监理单位全部见证检验，检验结果应满足设计要求。
3.5 施工注意事项
3.5.1 CFG桩冬季施工气温应高于0℃，此时混合料灌注入前孔应用红外线测温仪检测入孔温度必须高于5℃，施工完毕后度桩头和桩侧土采用相应的保温措施。雨季开挖基坑或桩间土时，周围应设计集水坑或临时排水沟，并配备抽水机抽水，严禁基坑或施工现场被雨水浸泡，降低复合地基强度。
3.5.2 施工中应按照环境保护的要求注意避免废渣废料对周围环境的污染，以及夜间施工噪音扰民的发生。
4 总结
CFG桩与桩间土以及褥垫层构成复合地基，不但具有大幅度提高地基承载力，地基变形小等特点，而且施工方法简单便于控制施工质量，在津保铁路工程施工中，我们按照验收标准和各项要求严格进行质量控制，取得了优良的施工效果。
