水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)技术在高速铁路施工中的应用

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  摘 要:随着建筑工程的飞速发展,地基处理手段越来越多样化,复合地基由于充分利用桩间土和桩的特有优势和相对低廉的工程造价得到了越来越广泛的应用。本工程标段应用CFG桩和复合地基充分发挥了CFG桩的高承载力特性,并通过褥垫层的设置发挥桩间土的承载能力,以下对CFG桩复合地基的工程应用作一些简单介绍。
  关键词:CFG桩;复合地基
  中图分类号:U443.15文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2009)17-0010-03
  
  1 工程概况
  郑州至西安铁路客运专线渑池至灵宝段DK207+443.24~ DK207+890,长446.76 m。本段属于黄土塬向低山剥蚀区过渡的剥蚀宽缓沟槽,自然横坡一般为10°~30°,沟槽大致呈E-W向延伸,坡面基岩出露,陡坡处多为荆棘、杂草,平缓地带被恳为旱地,植被差。线路正穿高岩村,有便道通往本段,交通条件较好。本段水质经检验对砼无侵蚀性,本段上覆第四系全新统,第四系中更新统黏质黏土、松软土、软土、黏质黄土。下伏基岩为震旦系下统马家河组(Z1m)辉石安山岩、砂岩、燕山期侵入岩石英闪长玢岩(λσμ25)。
  工后沉降控制标准:工后沉降≤15 mm,沉降比较均匀,长度大于20 m的路基,允许的最大工后沉降为30 mm,并满足Rsh≥0.4Vsj2,差异沉降≤5 mm,折角1/1 000。
  本段基底根据沉降检算,为满足铺设无碴轨道路基工后沉降要求,地基采用CFG桩加固,桩体孔径Φ400 mm,桩间距1.3 m,采用正三角形布桩。
  2 基本原理
  CFG桩复合地基是在碎石桩加固地基法的基础上发展起来的一种地基处理技术,由于CFG桩改善了碎石桩的刚性,使其不仅能很好地发挥全桩的侧阻作用,同时也能很好地发挥其端阻作用。作为软基处理技术,CFG桩复合地基具有施工工艺简单、挤密效果好、全桩长发挥侧阻力、端阻力明显、对地基承载力提高幅度大且有很大可调性等优点,因此,得以广泛采用。
  CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石和细砂加水拌和形成的高黏强度的桩和桩间土及褥垫层一起作用形成复合地基,CFG桩复合地基通过褥垫层与基础相连接,无论桩端落在一般土层还是淤泥土质均可保证桩间土始终参与工作。由于桩间土的强度及模量比桩间土大,在荷载作用下桩顶应力比桩间土的应力大,桩可承受的荷载向深的土层传递并相应减少桩间土承载的荷载。
  CFG桩桩体是由机械成孔后将搅拌好的砼利用泵机打入孔中,在拔管的过程中利用高差产生的重力将混凝土自振捣效果,这样不仅在成桩的过程中不仅挤密桩间土还挤密桩身,使其具有水硬性,使处理后的复合地基的强度和抗变形的能力明显提高。
  在复合地基中,基础和桩间土之间设置一定厚度的散粒状组成的褥垫层,是地基的核心部分,基础下是否有褥垫层对地基的承载能力有很大的影响,若不设置褥垫层,复合地基和普通的桩基础相似,桩间土的承载能力难以发挥,不能称作复合地基。基础下只有设置了褥垫层,桩间土承载能力才能发挥出其潜在的作用。
  CFG桩施工机械设备和施工工艺的采用主要根据工程地质、设计承载力、变形以及施工的周边环境而定,常用的施工方法有长螺旋钻孔灌注成桩、泥浆护壁钻孔灌注成桩、长螺旋钻孔泵压混合料成桩、振动沉管灌注成桩。依据本标段设计要求,现采用长螺旋钻孔泵压混合料成桩方法施工。
  3 CFG桩加固地基的施工
  本标段CFG桩混凝土设计强度为C10,桩型为孔径Φ400 mm,桩间距1.3 m,桩长7 m~13 m,群桩采用梅花形布置,褥垫层为80 cm厚双向加筋改良土层,单桩复合地基承载力特征值为600kPa。
  3.1 施工准备工作
  (1)核查地质资料,结合设计参数,选择合适的施工机械和施工方法。
  (2)测量放样,平整场地,清除障碍物。
  (3)选用的水泥、粉煤灰、碎石及外加剂等原材料应符合设计要求,并按相关规定进行检验。
  (4)按设计要求进行室内配合比试验,选定合适的配合比。
  3.2 施工方法及工艺
  根据设计情况,采用长螺旋钻孔成桩法施工。
  (1)钻机就位:钻机就位应用钻机塔身的前后和左右的垂直标杆检查塔身导杆、校正位置,使钻杆垂直对准桩位中心,确保CFG桩垂直度容许偏差不大于1%。
  (2)钻进成孔:钻孔开始时,关闭钻头阀门,向下移动钻杆至钻头触及地面时,启动电机将钻杆旋转下沉至设计标高,然后关闭电机,清理钻孔周围土。一般成孔时应先慢后快,这样既能减少钻杆摇晃,又容易检查并纠正钻孔的偏差,及时纠正。在成孔过程中如发现钻杆摇晃或难钻时,应放慢进尺,否则较易导致桩孔严重偏斜、位移,甚至使钻杆、钻具扭断或损毁。根据桩长确定钻孔深度,当钻头到达预定标高时,在动力头底面停留位置处将钻机塔身上作醒目标注,作为施工时控制桩长的依据。
  (3)灌注及拔管:CFG桩成孔到设计标高后停止钻进,开始泵送混合料,当钻杆芯管充满混合料后开始拔管,提拔的速度宜控制在2 m/min~3 m/min,混合料泵送量应与拔管速度相配合,边灌注边提钻,保持连续灌注,均匀提升,做到钻头始终埋入混合料内1 m左右。严禁采用先提钻后灌注混凝土,形成往水中灌注混凝土的错误做法,遇到饱和砂土或饱和粉土层,不得停泵待料,避免造成混合料离析、桩身缩径、断桩和夹泥等。
  (4)移机:当上一根桩施工完毕后钻机移位,进行下一根桩的施工。施工时由于CFG桩排出的土较多,经常将邻近的桩位覆盖,有些还会出现钻机支撑时支撑脚压在桩位旁使原标定的桩位发生移动。因此,下一根桩施工时,还应根据轴线或周围桩的位置对需施工的桩位进行复核,保证桩位正确。必要时,移机后清洗钻杆和钻头。
  (5)施工工艺流程见图1。
  4 质量控制与要求
  (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。上料顺序为:先装碎石,再加水泥、粉煤灰和外加剂,最后加砂,使水泥和粉煤灰夹在砂、石之间,不易飞扬和黏附在筒壁上,也易于搅拌均匀。每盘料搅拌时间不应小于60 s。在泵送前应将混凝土泵料斗、搅拌机搅拌筒备好熟料。
  (2)CFG桩的数量、布置形式、桩间距、桩长、桩顶标高及桩的有效直径应符合实际要求。①施工桩顶标高宜高出设计桩顶标高不少于0.5 m;②为保证施工中混合料的顺利输送,施工中采取强制式搅拌机;③长螺旋钻孔法坍落度控制在160 mm~200 mm之间;④成桩过程中,应随机抽样做混合料试块,每台班制作一组(3块)试件,检查试件标准养护抗压强度符合设计要求;⑤清土和截桩时,不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土;⑥冬季施工时混合料入孔温度不得低于5℃,对桩头及桩间土应采取保温措施;⑦跳打施工时应及时清除成桩时排出的弃土,否则会影响施工进度;⑧整个施工过程中,安排技术人员旁站监督,并作好施工原始记录,记录钻压电流值、孔深、单孔混合料灌入量、堵管及处理措施等;⑨施工中桩体有效直径允许偏差不小于设计值40 cm,垂直度允许偏差不大于1.5%,桩位纵横向偏差不大于50 mm;⑩质量检验:按设计文件要求,CFG桩检验宜在施工结束28天后进行单桩承载力或复合地基承载力试验,其承载力、变形模量应符合设计要求;?輥?輯?訛施工过程中必须有咨询、监理等有关单位人员旁站监控。
  5 质量问题及控制措施
  5.1 堵管
  堵管是长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩工艺常遇到的主要问题之一。它直接影响CFG桩的施工效率,增加工人劳动强度,还会造成材料浪费。特别是故障排除不畅时,使已搅拌的CFG桩混合料失水或结硬,增加了再次堵管的机率,给施工带来很多困难。产生堵管的原因有以下几点:
  (1)混合料配合比不合理。当混合料中的细骨料和粉煤灰用量较少时,混合料和易性不好,常发生堵管。因此,要注意混合料的配合比,尤其要注意将粉煤灰掺量控制在190 kg/m3的范围内,坍落度应控制在160 mm~200 mm之间。
  (2)混合料搅拌质量有缺陷。在CFG桩施工中,混合料由混凝土泵通过刚性管、高强柔性管、弯头最后到达钻杆芯管内。混合料在管线内借助水和水泥砂浆润滑层与管壁分离后通过管线。坍落度太大的混合料易产生泌水、离析,泵压作用下骨料与砂浆分离,摩擦力加剧,导致堵管。坍落度太小,混合料在输送管路内流动性差,也容易造成堵管。
  (3)施工操作不当。钻孔进入土层预定标高后,开始泵送混合料,管内空气从排气阀排出,待钻杆内管及输送软、硬管内混合料连续时提钻。若提钻时间较晚,在泵送压力下钻头处的水泥浆液被挤出,容易造成管路堵塞。
  (4)冬期施工措施不当。冬期施工时,混合料输送管及弯头均需做防冻保护,防冻措施不力,常常造成输送管或弯头处混合料的冻结,造成堵管。冬施时,有时会采用加热水的办法提高混合料的出口温度,但要控制好水的温度,水温最好不要超过60℃,否则会造成混合料的早凝,产生堵管,影响混合料的强度。
  (5)设备缺陷。弯头曲率半径不合理也能造成堵管。弯头与钻杆不能垂直连接,否则也会造成堵管。混合料输送管要定期清洗,否则管路内有混合料的结硬块,还会造成管路的堵塞。
  5.2 窜孔
  在饱和粉土、粉细砂层中成桩经常会遇到这种情况,打完X号桩后,在施工相邻的Y桩时,发现未结硬的X号桩的桩顶突然下落,当Y号桩泵入混合料时,X号桩的桩顶开始回升,此种现象称为窜孔。发现窜孔的条件有以下3条:①被加固土层中有松散饱和粉土、粉细砂;②钻杆钻进过程中叶片剪切作用对土体产生扰动;③体受剪切扰动能量的积累,足以使土体发生液化。
  由于窜孔对成桩质量的影响,施工中采取的预控措施:①采取隔桩、隔排跳打方法;②设计人员根据工程实际情况,采用桩距较大的设计方案,避免打桩的剪切扰动;③减少在窜孔区域的打桩推进排数,减少对已打桩扰动能量的积累;④合理提高钻头钻进速度。
  5.3 桩头空芯(下转第14页)
  (上接第11页)
  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,发现堵塞及时清洗。
  5.4 桩端不饱满
  这主要是因为施工中为了方便阀门的打开,先提钻后泵料所致。这种情况可能造成钻头上的土掉入桩孔或地下水浸入桩孔,影响CFG桩的桩端承载力。为杜绝这种情况,施工中前、后台工人应密切配合,保证提钻和泵料的一致性。
  6 桩的检验与试验
  CFG桩的检验项目包括低应变动力检测和荷载试验。
  6.1 低应变动力检测
  本项目采用的是低应变动力检测中的反射波法,用于检测桩身混凝土的完整性,推定缺陷类型及其在桩身中的位置,也可对桩长进行核对,对桩身混凝土的强度等级做出估计。
  检测数量按照总桩数的10%随机抽测,抽测点位均匀布置。
  经检测,抽测桩的不合格率未超出30%,且有缺陷桩分布位置不集中,经分析,不影响地基承载力,不必处理。
  6.2 竖向静荷载试验
  检测数量按照总桩数的2%且不少于3根随机抽测,抽测点位均匀布置。经检测,全部抽测桩均达到设计要求。
  7 结束语
  7.1 承载力提高
  由于CFG桩采用了一定数量的黏结材料,所以使桩体本身具有一定的强度。相对于以松散材料所形成的桩体(例如:水泥土桩、砂桩等),承载力提高较大,地基沉降量减小。
  7.2 降低造价
  CFG桩除了充分利用桩身强度外,同时考虑了全桩长的侧摩擦力,无论桩端落在一般土层还是坚硬土层,均可保证桩间土始终参加工作。因此,在一定荷载的情况下,可以减小桩体截面、数量,减少各种材料用量,无须配筋。所以,CFG桩具有很好的发展前景。
  
  Application of Cement Dust Stone Crusher Technology in
  High-speed Railroad Construction
  Hou Lina
  Abstract:The compound ground projects obtained more and more widespread application, this project sign section has displayed CFG fully using the CFG pile and the compound ground the pile high supporting capacity characteristic, and through establishment display pile between earth supporting capacity, this paper introduce the compound ground project application.
  Key words:CFG pile; compound ground
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