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摘要:客运专线路基施工后沉降要求严格,地基处理是湿陷性黄土路基施工的基础和关键性环节,本文作者结合某客运专线湿陷性黄土路基地基处理施工实例,阐述了预钻孔柱锤冲扩桩+CFG桩复合地基的工艺性试桩及施工技术,为今后类似工程提供经验借鉴。
关键词:钻孔柱锤冲扩桩 CFG桩 客运专线 湿陷性黄土路基 应用
1 工程概况
工点地属渭河二级阶地,地势开阔,地形平坦。场地属黄土湿陷性场地,湿陷等级为非自重湿陷I级~自重湿陷II级。水位埋深10~13m。地层为第四系上更新统风积,黏质黄土厚9~13m,孔隙比大,中到高压缩性,强度低,具湿陷性,下部分别为细砂、中砂、粗砂及粗圆砾土,水位埋深10~13m,路基基底处理中采取了预钻孔柱锤冲扩桩+CFG桩的施工方法,严格控制施工质量,以满足工后沉降要求。
预钻孔柱锤冲扩桩桩间距1.0m,有效桩长13.0m,自顶面向下1~9m桩身填料为水泥土,9~13m桩身填料为C10素砼,成孔直径0.4m,夯扩后桩径不小于0.6m,按正方形布置。CFG桩设计桩间距2米,桩径0.4m,有效桩长16.0m,施工桩长17m,按正方形布置。
2 地基处理工艺原理
2.1 预钻孔柱锤冲扩桩工艺原理
预钻孔柱锤冲扩桩采用挤密法处理湿陷性黄土地基,挤密作用是一个重要的加固作用,在桩成孔和夯填阶段通过挤压作用,对地基土形成加密效果,使得原桩孔部位的土被挤进周围的土体之中,对桩周围一定范围内的天然土进行了挤密,致使地基的孔隙比降低,密实度提高,摩擦角和干密度增大,有效改变土的物理力学性能,降低黄土的湿陷性,大幅提高了地基的承载力。
2.2 CFG桩工艺原理
在荷载作用下,CFG桩的压缩明显比桩间土小,因此基础传给复合地基的附加应力,随地层的变形逐渐集中到桩体上,出现应力集中现象。大部分荷载将由桩体承受,桩间土应力相应减小,于是复合地基承载力较原来地基承载力有所提高,沉降量亦减小。桩和基础不是直接接触,其间有一层颗粒材料组成的散体垫层,通过该垫层的流动补偿,桩间土与基础始终保持接触,在桩、土共同作用下,地基土的强度得到一定程度的提高。
3 工艺性试桩
3.1 试桩目的
明确预钻孔柱锤冲扩挤密桩,CFG桩的工艺流程、操作要点;检验设计参数和地基处理效果,确定施工参数、施工设备及施工工艺,为大面积施工和今后施工提供科学依据。
3.2 试桩单元划分
预钻孔柱锤冲扩桩划分为4个单元(如图1所示),分别采用不同参数进行试桩,具体情况为:
①单元1-1采用锤重1.8t。砼填料每层夯实遍数为7次,落距8~10m;水泥土填料每层夯实遍数为9.5m~2m为7次,2m至桩顶为10次,落距为4~5m。
②单元1-2采用锤重1.8t。砼填料每层夯实遍数为8次,落距8~10m;水泥土填料每层夯实遍数为9.5m~2m为8次,2m至桩顶为10次,落距为4~5m。
③单元1-3采用锤重1.6t。砼填料每层夯实遍数为10次,落距8~10m;水泥土填料每层夯实遍数为9.5m~2m为10次,2m至桩顶为12次,落距为4~5m。
④单元1-4采用锤重1.6t。砼填料每层夯实遍数为11次,落距8~10m;水泥土填料每层夯实遍数为9.5m~2m为11次,2m至桩顶为12次,落距为4~5m。
3.3 试桩结论
①单桩复合地基承载力特征值大于200kPa,相应沉降量为3.70mm。单桩竖向承载力在188KN时相应沉降量为5.14mm。
②水泥土挤密桩桩身压实系数平均值λc为0.97,桩间土挤密系数平均值ηc为0.93。
③水泥土挤密桩桩间土湿陷系数δs值最大为0.012,满足桩间土湿陷系数δs<0.015的要求,表明处理范围内湿陷性已消除。
④CFG桩复合地基承载力特征值fspk为268kPa。单桩竖向承载力特征值为628KN。天然土承载力大于130kPa。CFG桩复合地基变形模量平均值213921KN/m2。
根据试桩成果综合反映,冲扩桩挤密后的桩间土其物理力学性质已有明显改善,黄土的湿陷性已完全消除;通过对冲扩桩桩身的剖桩量测,冲扩后桩径满足大于60cm要求;施工工艺完全满足设计及验收标准要求,说明该工艺对处理黄土地基是一种既可行有效的方法。
4 施工技术
4.1 工艺流程
首先施工预钻孔柱锤冲扩桩,冲扩桩经试验检测满足强度及承载力要求后,进行CFG桩施工。
①预钻孔柱锤冲扩桩施工工艺流程
清理和平整场地→测量、定位放线→长螺旋转机就位→钻孔→成孔检测→夯机就位→夯锤对中→填第一层填料→第一遍冲击夯实→测线检测→填夯第N层填料→冲击夯实→成桩→桩身密实度检验→承载力试验。
②CFG施工工艺流程
清理和平整场地→测量、定位放线→钻机、砼泵就位→钻孔→管内泵压下料→钻到设计深度→提钻→成孔验收。
4.2 设备配备
①液压步履式长螺旋钻机1台,成孔孔径400mm,电机功率75KW,强制式搅拌机、水泥土拌合机各1台,高压混凝土泵1台,卷扬机提升式夯实机4台, 1.6t柱锤2个、1.8t柱锤2个。
②辅助设备与机具:装载机一台、0.12m3小装载机2辆、钢尺、测绳、线坠、孔径仪、水准仪、全站仪、盖板、铁锹。
4.3 主要施工方法
4.3.1 预钻孔柱锤冲扩桩主要施工方法
预钻孔柱锤冲扩水泥土挤密桩采用先外排后里排,隔排隔桩跳打法,每排二序施工,逐级加密,预钻0.4m孔后冲扩成0.6m的设计桩径。见图2
①钻孔。根据桩基轴线标出桩位并复测后钻机就位,底座和顶端平稳,确保在施工中不发生倾斜、移动。在钻机双侧吊锤校正调整钻杆垂直度,使天车中心、回转器中心、桩位中心位于同一垂线上,即“三点一线”。为准确控制钻孔深度,在桩架上做出控制深度的标尺,标志点间隔0.5m。以便在施工中观测、记录。
开孔钻进时,应用低转速、低钻压,防斜为主的方法。正常钻进时,应根据地质土层的变化,及时、合理调整和控制钻进参数。正常工作中,使钻具的实际转速为临界转速的1.2~1.3倍,给进量一般为每转10~30mm,砂土中取高值、粘土中取低值,尽量采用中高转速、低扭矩、少进刀的工艺,使得螺旋叶片之间保持较大空间,提高成孔效率。
钻至预定钻深后,在原深处进行空转清土,然后停止转动、提钻。
②成孔。成孔后及时进行终孔检查,桩底标高以原地面固定点标高进行控制,桩径不小于40cm,桩长不小于设计桩长、倾斜度不大于1.5%,桩位偏差不得大于5cm。
③夯填填料。回填填料前,将场地清理干净,移走长螺旋钻机,夯机就位,将柱状锤对准桩孔中心,提升到指定高度,先对孔底进行夯实。桩底以上4m范围分段灌注夯实C15砼,每一次填料量为0.12m3,每段压实厚度小于50cm。其上分层填夯水泥土,每一次填料量为0.12m3,每层压实厚度不大于24cm。
0.12m3小装载机装料入孔,填料入孔后,柱状锤下落冲击、压实填料。每层填料夯击次数按照工艺性试桩总结参数进行,作下相应记录,施工到设计桩顶以上50cm,用土或保温材料将桩头覆盖。
4.3.2 CFG桩主要施工方法
①采用长螺旋钻机成孔,成孔控制方法与冲扩桩一致。
②孔底虚土清理。钻至预定钻深后,必须在原深处进行空转清土,然后停止转动、提钻。注意在空转清土时不得加深钻进,提钻时严禁回旋钻杆。
③灌注及拔管。CFG桩成孔到设计标高后,停止钻进。首盘混合料灌注前,用水泥砂浆润滑管道后,开启混凝土输送泵,提前将拌合的混合料充满整个输送管道,并将拌好的填料贮满输送泵料斗,同时搅拌好一罐混合料备用。
将钻杆上提300mm,立即向孔内输送相当于1m长的桩体混合料,利用灌注料的冲击力,自动打开活门,桩底充满混合料,并形成一定的压力,随后边泵送混合料边提钻杆严禁先提管后泵料。钻杆采用静力提拔,成桩过程连续进行,提拔速度控制在2~3m/min,每泵压一次匀速提钻不超过25cm,保证CFG桩混合料淹没钻具1m。泵斗内要有一定容量的混合料,混合料要高于出料口50mm以上,以防进入空气,造成堵管。当泵斗混合料低于进料口时,停止提升钻杆,待混合料搅拌好后再进行了压灌、提钻。灌注成桩完成后,将钻机移位进行下根桩的施工,并用水泥袋或草袋盖好已施工的桩头,加强保护和养生。
④开槽及桩头处理。CFG桩施工完成强度满足要求即可开槽,若基坑深度不大于1.5m采用人工开挖,当基坑深度大于1.5m时,采用人工和机械联合开挖。多余的桩头采用钢钎等工具沿桩周向桩心逐次剔除,直至设计标高,并将桩顶找平。
5 结语
目前此客运专线路基工程已全部施工完毕,所采用的预钻孔柱锤冲扩桩+CFG桩复合地基施工技术取得了良好的效果,单桩承载力和复合地基承载力试验检测全部合格,堆载预压后沉降曲线已稳定,最终沉降值为5~7mm,满足工后沉降预留要求。本文通过对预钻孔柱锤冲扩桩+CFG桩施工工艺介绍,为今后类似工程施工提供经验借鉴。
参考文献:
[1]铁道部工程管理中心.客运专线铁路地基处理技术手册[M].北京:中国铁道出版社,2009.
[2]铁道部经济规划研究院.客运专线铁路路基工程施工技术指南[M].北京:中国铁道出版社,2005.
[3]铁道部工程管理中心.高速与客运专线铁路施工工艺手册[M].北京:科学技术文献出版社,2006.
关键词:钻孔柱锤冲扩桩 CFG桩 客运专线 湿陷性黄土路基 应用
1 工程概况
工点地属渭河二级阶地,地势开阔,地形平坦。场地属黄土湿陷性场地,湿陷等级为非自重湿陷I级~自重湿陷II级。水位埋深10~13m。地层为第四系上更新统风积,黏质黄土厚9~13m,孔隙比大,中到高压缩性,强度低,具湿陷性,下部分别为细砂、中砂、粗砂及粗圆砾土,水位埋深10~13m,路基基底处理中采取了预钻孔柱锤冲扩桩+CFG桩的施工方法,严格控制施工质量,以满足工后沉降要求。
预钻孔柱锤冲扩桩桩间距1.0m,有效桩长13.0m,自顶面向下1~9m桩身填料为水泥土,9~13m桩身填料为C10素砼,成孔直径0.4m,夯扩后桩径不小于0.6m,按正方形布置。CFG桩设计桩间距2米,桩径0.4m,有效桩长16.0m,施工桩长17m,按正方形布置。
2 地基处理工艺原理
2.1 预钻孔柱锤冲扩桩工艺原理
预钻孔柱锤冲扩桩采用挤密法处理湿陷性黄土地基,挤密作用是一个重要的加固作用,在桩成孔和夯填阶段通过挤压作用,对地基土形成加密效果,使得原桩孔部位的土被挤进周围的土体之中,对桩周围一定范围内的天然土进行了挤密,致使地基的孔隙比降低,密实度提高,摩擦角和干密度增大,有效改变土的物理力学性能,降低黄土的湿陷性,大幅提高了地基的承载力。
2.2 CFG桩工艺原理
在荷载作用下,CFG桩的压缩明显比桩间土小,因此基础传给复合地基的附加应力,随地层的变形逐渐集中到桩体上,出现应力集中现象。大部分荷载将由桩体承受,桩间土应力相应减小,于是复合地基承载力较原来地基承载力有所提高,沉降量亦减小。桩和基础不是直接接触,其间有一层颗粒材料组成的散体垫层,通过该垫层的流动补偿,桩间土与基础始终保持接触,在桩、土共同作用下,地基土的强度得到一定程度的提高。
3 工艺性试桩
3.1 试桩目的
明确预钻孔柱锤冲扩挤密桩,CFG桩的工艺流程、操作要点;检验设计参数和地基处理效果,确定施工参数、施工设备及施工工艺,为大面积施工和今后施工提供科学依据。
3.2 试桩单元划分
预钻孔柱锤冲扩桩划分为4个单元(如图1所示),分别采用不同参数进行试桩,具体情况为:
①单元1-1采用锤重1.8t。砼填料每层夯实遍数为7次,落距8~10m;水泥土填料每层夯实遍数为9.5m~2m为7次,2m至桩顶为10次,落距为4~5m。
②单元1-2采用锤重1.8t。砼填料每层夯实遍数为8次,落距8~10m;水泥土填料每层夯实遍数为9.5m~2m为8次,2m至桩顶为10次,落距为4~5m。
③单元1-3采用锤重1.6t。砼填料每层夯实遍数为10次,落距8~10m;水泥土填料每层夯实遍数为9.5m~2m为10次,2m至桩顶为12次,落距为4~5m。
④单元1-4采用锤重1.6t。砼填料每层夯实遍数为11次,落距8~10m;水泥土填料每层夯实遍数为9.5m~2m为11次,2m至桩顶为12次,落距为4~5m。
3.3 试桩结论
①单桩复合地基承载力特征值大于200kPa,相应沉降量为3.70mm。单桩竖向承载力在188KN时相应沉降量为5.14mm。
②水泥土挤密桩桩身压实系数平均值λc为0.97,桩间土挤密系数平均值ηc为0.93。
③水泥土挤密桩桩间土湿陷系数δs值最大为0.012,满足桩间土湿陷系数δs<0.015的要求,表明处理范围内湿陷性已消除。
④CFG桩复合地基承载力特征值fspk为268kPa。单桩竖向承载力特征值为628KN。天然土承载力大于130kPa。CFG桩复合地基变形模量平均值213921KN/m2。
根据试桩成果综合反映,冲扩桩挤密后的桩间土其物理力学性质已有明显改善,黄土的湿陷性已完全消除;通过对冲扩桩桩身的剖桩量测,冲扩后桩径满足大于60cm要求;施工工艺完全满足设计及验收标准要求,说明该工艺对处理黄土地基是一种既可行有效的方法。
4 施工技术
4.1 工艺流程
首先施工预钻孔柱锤冲扩桩,冲扩桩经试验检测满足强度及承载力要求后,进行CFG桩施工。
①预钻孔柱锤冲扩桩施工工艺流程
清理和平整场地→测量、定位放线→长螺旋转机就位→钻孔→成孔检测→夯机就位→夯锤对中→填第一层填料→第一遍冲击夯实→测线检测→填夯第N层填料→冲击夯实→成桩→桩身密实度检验→承载力试验。
②CFG施工工艺流程
清理和平整场地→测量、定位放线→钻机、砼泵就位→钻孔→管内泵压下料→钻到设计深度→提钻→成孔验收。
4.2 设备配备
①液压步履式长螺旋钻机1台,成孔孔径400mm,电机功率75KW,强制式搅拌机、水泥土拌合机各1台,高压混凝土泵1台,卷扬机提升式夯实机4台, 1.6t柱锤2个、1.8t柱锤2个。
②辅助设备与机具:装载机一台、0.12m3小装载机2辆、钢尺、测绳、线坠、孔径仪、水准仪、全站仪、盖板、铁锹。
4.3 主要施工方法
4.3.1 预钻孔柱锤冲扩桩主要施工方法
预钻孔柱锤冲扩水泥土挤密桩采用先外排后里排,隔排隔桩跳打法,每排二序施工,逐级加密,预钻0.4m孔后冲扩成0.6m的设计桩径。见图2
①钻孔。根据桩基轴线标出桩位并复测后钻机就位,底座和顶端平稳,确保在施工中不发生倾斜、移动。在钻机双侧吊锤校正调整钻杆垂直度,使天车中心、回转器中心、桩位中心位于同一垂线上,即“三点一线”。为准确控制钻孔深度,在桩架上做出控制深度的标尺,标志点间隔0.5m。以便在施工中观测、记录。
开孔钻进时,应用低转速、低钻压,防斜为主的方法。正常钻进时,应根据地质土层的变化,及时、合理调整和控制钻进参数。正常工作中,使钻具的实际转速为临界转速的1.2~1.3倍,给进量一般为每转10~30mm,砂土中取高值、粘土中取低值,尽量采用中高转速、低扭矩、少进刀的工艺,使得螺旋叶片之间保持较大空间,提高成孔效率。
钻至预定钻深后,在原深处进行空转清土,然后停止转动、提钻。
②成孔。成孔后及时进行终孔检查,桩底标高以原地面固定点标高进行控制,桩径不小于40cm,桩长不小于设计桩长、倾斜度不大于1.5%,桩位偏差不得大于5cm。
③夯填填料。回填填料前,将场地清理干净,移走长螺旋钻机,夯机就位,将柱状锤对准桩孔中心,提升到指定高度,先对孔底进行夯实。桩底以上4m范围分段灌注夯实C15砼,每一次填料量为0.12m3,每段压实厚度小于50cm。其上分层填夯水泥土,每一次填料量为0.12m3,每层压实厚度不大于24cm。
0.12m3小装载机装料入孔,填料入孔后,柱状锤下落冲击、压实填料。每层填料夯击次数按照工艺性试桩总结参数进行,作下相应记录,施工到设计桩顶以上50cm,用土或保温材料将桩头覆盖。
4.3.2 CFG桩主要施工方法
①采用长螺旋钻机成孔,成孔控制方法与冲扩桩一致。
②孔底虚土清理。钻至预定钻深后,必须在原深处进行空转清土,然后停止转动、提钻。注意在空转清土时不得加深钻进,提钻时严禁回旋钻杆。
③灌注及拔管。CFG桩成孔到设计标高后,停止钻进。首盘混合料灌注前,用水泥砂浆润滑管道后,开启混凝土输送泵,提前将拌合的混合料充满整个输送管道,并将拌好的填料贮满输送泵料斗,同时搅拌好一罐混合料备用。
将钻杆上提300mm,立即向孔内输送相当于1m长的桩体混合料,利用灌注料的冲击力,自动打开活门,桩底充满混合料,并形成一定的压力,随后边泵送混合料边提钻杆严禁先提管后泵料。钻杆采用静力提拔,成桩过程连续进行,提拔速度控制在2~3m/min,每泵压一次匀速提钻不超过25cm,保证CFG桩混合料淹没钻具1m。泵斗内要有一定容量的混合料,混合料要高于出料口50mm以上,以防进入空气,造成堵管。当泵斗混合料低于进料口时,停止提升钻杆,待混合料搅拌好后再进行了压灌、提钻。灌注成桩完成后,将钻机移位进行下根桩的施工,并用水泥袋或草袋盖好已施工的桩头,加强保护和养生。
④开槽及桩头处理。CFG桩施工完成强度满足要求即可开槽,若基坑深度不大于1.5m采用人工开挖,当基坑深度大于1.5m时,采用人工和机械联合开挖。多余的桩头采用钢钎等工具沿桩周向桩心逐次剔除,直至设计标高,并将桩顶找平。
5 结语
目前此客运专线路基工程已全部施工完毕,所采用的预钻孔柱锤冲扩桩+CFG桩复合地基施工技术取得了良好的效果,单桩承载力和复合地基承载力试验检测全部合格,堆载预压后沉降曲线已稳定,最终沉降值为5~7mm,满足工后沉降预留要求。本文通过对预钻孔柱锤冲扩桩+CFG桩施工工艺介绍,为今后类似工程施工提供经验借鉴。
参考文献:
[1]铁道部工程管理中心.客运专线铁路地基处理技术手册[M].北京:中国铁道出版社,2009.
[2]铁道部经济规划研究院.客运专线铁路路基工程施工技术指南[M].北京:中国铁道出版社,2005.
[3]铁道部工程管理中心.高速与客运专线铁路施工工艺手册[M].北京:科学技术文献出版社,2006.