淺談CFG樁地基加固技術(shù)在津保高速鐵路工程中的應(yīng)用
2015-05-29
1 工程概況
津保鐵路工程東起天津樞紐天津西站，經(jīng)河北省霸州、雄縣、容城、徐水，西至京廣既有線徐水站，利用既有京廣線至保定站，其中新線113.8公里、利用既有線24.9公里。中鐵二局承建津保鐵路工程第四標(biāo)段位于河北省境內(nèi)正線長度41.6公里，其中路基工程21.6公里，CFG樁工程數(shù)量17.8萬米，采用長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注法施工CFG樁。
2 CFG樁地基作用機(jī)理
水泥粉煤灰碎石樁簡稱CFG樁（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強(qiáng)度的樁。由樁、樁間土及褥墊層三部分共同構(gòu)成CFG樁復(fù)合地基。其具有大幅度提高承載力，地基變形小等特點(diǎn)，適用于松軟土、厚層黏性土、粉土和砂土等地基，CFG樁地基作用機(jī)理主要有以下作用：
2.1 置換作用：CFG樁體的組成材料是影響復(fù)合地基置換作用大小的主要因素，樁的粘結(jié)強(qiáng)度較大時(shí)其置換作用也較大，而通過加大樁長可使復(fù)合地基置換作用得到顯著提高。
2.2 樁體作用：基礎(chǔ)傳給復(fù)合地基的附加應(yīng)力，隨著地基的變形而逐漸集中到樁體上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，此現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)镃FG樁具有較高的樁體模量和強(qiáng)度的樁體特點(diǎn)，所以在荷載作用下CFG樁的壓縮變形小于樁間土，因此樁體作用明顯。
2.3 擠密作用：當(dāng)CFG樁應(yīng)用于擠密效果好的土?xí)r（例如砂土），采用振動(dòng)沉管法施工將會對樁間土產(chǎn)生擾動(dòng)和擠密，進(jìn)而形成擠密作用。
2.4 墊層作用：褥墊層是由級配碎石、粗砂等散體材料組成的褥墊，其設(shè)置是為了當(dāng)CFG樁復(fù)合地基在受荷載作用下樁向上刺入提供條件，樁間土始終參與工作，進(jìn)而保證樁和樁間土共同承擔(dān)荷載。利用褥墊層的厚度變化不但可以調(diào)整樁和樁間土的豎向荷載分擔(dān)比，而且還可以調(diào)整樁和樁間土的橫向荷載分擔(dān)比，并減少了基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。
2.5 加筋作用：CFG樁地基的加筋作用給路基帶來很好的穩(wěn)定效果，主要是復(fù)合地基在提高地基承載力增強(qiáng)土體作用的同時(shí)，提高了土體的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而增加了土坡的抗滑能力。
2.6 排水作用：用于攪拌的樁體混合料中的粉煤灰、水泥的用量是影響CFG樁樁體滲透性的主要因素。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試樁間土層的滲透系數(shù)一般在1O-6～10-4cm／s范圍內(nèi)，而CFG樁體的滲透系數(shù)一般在10-3～10-1cm／s范圍內(nèi)，遠(yuǎn)高于樁間土的滲透性，所以樁體具有良好的透水性排水作用顯著。
3 CFG樁地基施工技術(shù)
3.1 津保鐵路CFG樁設(shè)計(jì)說明
根據(jù)《津保正線及相關(guān)聯(lián)絡(luò)線施工圖CFG樁加固地基設(shè)計(jì)圖》（圖號：津保施路通-2-07）對津保CFG樁設(shè)計(jì)作如下說明：
3.1.1 適用于天然地基沉降檢算不滿足客專有砟軌道鋪設(shè)的松軟土、厚層黏性土、粉土和砂土等，特別是當(dāng)具有硬殼和松硬互層等土質(zhì)地基加固。
3.1.2 CFG樁樁徑0.4米，樁長及樁間距應(yīng)檢算確定，原則上須穿透松軟土至硬層。
3.1.3 CFG樁設(shè)計(jì)樁身強(qiáng)度為C15，即要求樁身混合料試塊（邊長15厘米）28天齡期標(biāo)準(zhǔn)立方體強(qiáng)度大于等于15兆帕。
3.2 CFG樁施工對材料的要求
由水泥、卵石（或碎石）、石屑或砂、粉煤灰，加水在攪拌機(jī)中強(qiáng)制攪拌形成CFG樁樁體混合料，混合料的密度一般控制在2.1～2.3t/m3之間。津保鐵路四標(biāo)段施工中采用長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注法，混合料的塌落度一般控制在160mm～200mm之間。
3.2.1 水泥：采用42.5級普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料一分部管段內(nèi)地下水具有侵蝕性，此管段內(nèi)采用32.5級礦渣水泥。
3.2.2 卵石或碎石粗骨料：滿足級配要求，松散堆積密度大于1500Kg/m3,最大粒徑不大于25mm。
3.2.3 砂：采用含泥量小于等于5%且級配良好干凈的中、粗河砂。
3.2.4 粉煤灰：對粉煤灰等級要求Ⅲ級或Ⅲ級以上，即細(xì)度（0.045mm方孔篩余百分比）小于等于45%。
3.2.5 施工單位通過復(fù)稱這種檢驗(yàn)方法，對CFG樁原材料每盤稱量其中水泥、粉煤灰等干燥狀態(tài)的摻和料允許偏差±2%；粗、細(xì)骨料允許偏差±3%；水、外加劑允許偏差±2%，檢驗(yàn)的數(shù)量為每工班各抽樣檢驗(yàn)不小于1次。
3.3 CFG樁施工準(zhǔn)備
津保鐵路第四標(biāo)段中鐵二局項(xiàng)目經(jīng)理部CFG樁施工前進(jìn)行如下準(zhǔn)備：
3.3.1 核查地質(zhì)情況和結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)選定相應(yīng)機(jī)械進(jìn)場，并進(jìn)行長螺旋鉆機(jī)安裝、組合。
3.3.2 施工前根據(jù)探明的施工地段地下管線分布情況，對地下管線進(jìn)行妥善處理和保護(hù)，然后清除地表種植土、垃圾土，對原地面進(jìn)行平整壓實(shí)，整平標(biāo)高控制在CFG樁設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以上30cm為控制點(diǎn)。同時(shí)做好路基兩側(cè)的排水溝，施工時(shí)不得污染農(nóng)田和環(huán)境。
3.3.3 進(jìn)行滿足樁體設(shè)計(jì)強(qiáng)度的配合比試驗(yàn)，確定各種材料的施工用配比，樁施工前向混凝土拌和站提供混凝土拌和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，并對照檢查拌和站的備料情況，道路情況等，目的在于確保拌制的混凝土質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，運(yùn)送混凝土道路暢通。作好現(xiàn)場的測量放樣工作，采用全站儀放出根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算并復(fù)核好的樁位，并在孔位打孔灌白灰，編寫樁號和樁長，向鉆機(jī)司機(jī)交底布置好的孔位和孔深情況。
3.4長螺旋法施工工藝
3.4.1 長螺旋法CFG樁施工流程
采用長螺法CFG樁施工流程為：原地面處理→測量放樣→鉆孔就位→鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度→停鉆→泵送混合料→邊泵邊均勻拔管至樁頂→鉆機(jī)移位。
3.4.2 長螺旋鉆進(jìn)成孔及混合料灌注
（1）混合料攪拌：混合料攪拌要求按配合比進(jìn)行配料，計(jì)量要求準(zhǔn)確，拌合時(shí)間不得少于1分鐘?；旌狭霞铀亢吞涠龋ㄔO(shè)計(jì)要求長螺旋鉆管內(nèi)泵壓混合料法施工時(shí)，坍落度控制在16～20cm）根據(jù)采用的施工方法按工藝試驗(yàn)確定并經(jīng)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行控制，在泵送前混凝土泵料斗應(yīng)備好熟料。
?。?）鉆機(jī)就位：鉆機(jī)行至樁位處，通過調(diào)整鉆機(jī)自身的調(diào)平裝置和儀表調(diào)平塔身導(dǎo)桿，讓鉆桿垂直并且對準(zhǔn)已經(jīng)測量放樣好的樁位。并利用垂球線檢查垂直度和樁位偏差， 當(dāng)CFG樁垂直度偏差大于1%，樁位偏差大于5厘米時(shí)，重新調(diào)整鉆機(jī)直到垂球線檢查符合規(guī)范要求。
?。?）鉆進(jìn)成孔：為方便施工中控制樁長，在鉆孔開始前即鉆機(jī)初始狀態(tài)下用紅油漆，把樁桿上端頭橫向?qū)?yīng)在鉆機(jī)塔身上作紅色粗橫線醒目標(biāo)記。按照設(shè)計(jì)CFG樁長h，外加30厘米標(biāo)高鉆進(jìn)總長度H，根據(jù)設(shè)計(jì)要求則(H=h+0.3)米，用卷尺從鉆機(jī)塔身紅色粗橫線處向下H米，用白色油漆劃粗橫線在鉆機(jī)塔身上作白色醒目標(biāo)記。鉆機(jī)對好位后關(guān)閉鉆頭閥門，向下移動(dòng)鉆桿，使鉆頭接觸已經(jīng)平整壓實(shí)的地面再啟動(dòng)馬達(dá)鉆進(jìn)。鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)勻速鉆進(jìn)，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度在每分鐘2米左右，如發(fā)現(xiàn)鉆桿搖晃或下有持力層難鉆時(shí)，應(yīng)該放慢鉆進(jìn)速度。鉆頭鉆進(jìn)直至到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高，即鉆桿上端頭橫向?qū)?yīng)到鉆機(jī)塔身白色粗橫線醒目標(biāo)記處，停止鉆進(jìn)，現(xiàn)場領(lǐng)工員作好鉆進(jìn)用時(shí)記錄。
?。?）混凝土灌注成樁：先泵送混凝土讓泵送管路充滿混凝土，泵送混凝土鉆機(jī)壓力達(dá)到2Mpa時(shí)開始向上拔管，禁止先提管后泵料。鉆機(jī)應(yīng)靜止提拔，施工中嚴(yán)格按照工藝性試驗(yàn)確定并經(jīng)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)的參數(shù)，控制提拔速度和泵送量，提拔速度一般宜控制在2～3米每分鐘，并保證連續(xù)提拔，禁止出現(xiàn)超速提拔。實(shí)際拔管速度取0.8倍計(jì)算的理論提管速度，假設(shè)每分鐘泵送混凝土0.5m3/min，則每分鐘提升鉆桿2.0米，一根樁灌筑時(shí)間初步控制在11分鐘左右?，F(xiàn)場領(lǐng)工員作好提鉆用時(shí)記錄。成樁過程宜連續(xù)進(jìn)行，嚴(yán)禁避免因后臺供料慢而導(dǎo)致停機(jī)待料造成斷樁事故。施工樁頂高程要高出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高大于等于0.3m，樁體有效直徑大于等于50cm?；炷凉嘧⒘坎恍∮诶碚摂?shù)量，考慮到擴(kuò)孔等因素，實(shí)際數(shù)量按1.3倍理論數(shù)量考慮。
（5）鉆機(jī)移位：混凝土灌注至樁頂標(biāo)高后清除附近成孔土，準(zhǔn)確找出下一樁位位置，鉆機(jī)移至樁位處精確對中后繼續(xù)施工。
?。?）樁頭及試件養(yǎng)護(hù)：試驗(yàn)樁施工時(shí)在混凝土泵料斗處隨機(jī)抽取一組（3塊）混凝土試件，按混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)28天后做強(qiáng)度試驗(yàn)。用水泥袋覆蓋施工完后CFG樁樁頭位置，終凝后用土體覆蓋并澆水的方式養(yǎng)護(hù)。
3.4.3 保護(hù)土層清運(yùn)及樁頭處理
（1）清運(yùn)成孔時(shí)所產(chǎn)生的棄土在CFG樁施工完畢并混合料終凝后進(jìn)行，清運(yùn)棄土的注意事項(xiàng)如下：避免損害設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以下的樁身；避免擾動(dòng)樁間土；避免破壞未施工樁位的工作面。CFG樁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%時(shí)采用人工開挖其30cm厚的保護(hù)土層，為避免橡皮土的形成在開挖時(shí)不要擾動(dòng)基底土，并嚴(yán)格控制開挖標(biāo)高，避免超挖和欠挖現(xiàn)象的發(fā)生。
（2）在保護(hù)土層清除以后，利用截樁機(jī)從三面水平截割樁頂（設(shè)計(jì)標(biāo)高以上樁頭），然后把3個(gè)鋼釬按同一角度對稱放置在切縫內(nèi)，用大錘同時(shí)擊打鋼釬直到將樁頭截?cái)?。樁頭截?cái)嗪?，利用手錘和鋼釬將樁頂從四周向中間修平至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高，樁頂面應(yīng)平整，不能出現(xiàn)斜面，允許樁頂出現(xiàn)0～+20mm的高程偏差。
3.4.4 CFG樁的檢測
CFG樁施工完畢28天后可對樁進(jìn)行包括樁身完整性、單樁或復(fù)合地基承載力的檢測。具有相應(yīng)檢測資質(zhì)的檢測單位，采用基樁動(dòng)測儀PIT-V，按總樁數(shù)的10%對樁完整性進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，當(dāng)?shù)蛻?yīng)變檢測有凝問時(shí)用鉆孔取芯的方法檢驗(yàn)；采用砂袋逐級加平板載荷的試驗(yàn)方法，抽樣總樁數(shù)的2‰，且每工點(diǎn)不少于3根，對單樁或復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢驗(yàn)。所有檢驗(yàn)監(jiān)理單位全部見證檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。
3.5 施工注意事項(xiàng)
3.5.1 CFG樁冬季施工氣溫應(yīng)高于0℃，此時(shí)混合料灌注入前孔應(yīng)用紅外線測溫儀檢測入孔溫度必須高于5℃，施工完畢后度樁頭和樁側(cè)土采用相應(yīng)的保溫措施。雨季開挖基坑或樁間土?xí)r，周圍應(yīng)設(shè)計(jì)集水坑或臨時(shí)排水溝，并配備抽水機(jī)抽水，嚴(yán)禁基坑或施工現(xiàn)場被雨水浸泡，降低復(fù)合地基強(qiáng)度。
3.5.2 施工中應(yīng)按照環(huán)境保護(hù)的要求注意避免廢渣廢料對周圍環(huán)境的污染，以及夜間施工噪音擾民的發(fā)生。
4 總結(jié)
CFG樁與樁間土以及褥墊層構(gòu)成復(fù)合地基，不但具有大幅度提高地基承載力，地基變形小等特點(diǎn)，而且施工方法簡單便于控制施工質(zhì)量，在津保鐵路工程施工中，我們按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和各項(xiàng)要求嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制，取得了優(yōu)良的施工效果。
