复合地基-CFG桩在铁路软土路基加固中的应用

1、工程实践0引言目前哈尔滨大连铁路客运专 线进入了紧张的施工阶段。哈大客运专线线下路基工程预留设计速度达350km/h,线上工程设计速度达250km/h ,这对线路平顺及路基沉降要求特别高。C F G (C e m e n t F1yashGravelPile桩是水泥粉煤灰碎石桩,是路基工程中软土地基处理采用的措施之一,它成为控制路基工后变形的重要手段,因此,需要注重CFG 桩的施工质量,采取控制措施,保证达到工程要求。1工程概况新建哈尔滨大连铁路客运专线自大连DK0+681.9起,向东北与既有哈大铁路并行,纵穿辽宁、吉林、黑龙江三省,止于哈尔滨站DK931+800,正线全长903km。其中一标

2、段路基段里程为D K 651+206.21DK655+003.9,线路全长3.798km,位于公主岭市境内。桩单桩竖向承载力特征值为654.5k N ,复合地基承载力特征值为416.82kPa。该段路基地质呈层状分布于一级阶地地表,土质较均匀,土层分布由表层粉质黏土或黏质黄土及粉土、中部细砂、中砂及粗砂、下部泥岩夹砂岩组成。上部第四系粉质黏土、黏质黄土为松软土,下部泥岩具弱膨胀性。2CFG 桩原理CFG 桩是在碎石桩桩体中掺加适量石屑、粉煤灰和水泥加水拌和,制成具有一定黏结强度和一定压缩性的半刚性桩体。CFG 桩、桩间土和褥垫层一起构成CFG 桩复合地基(图1。王剑:中交第四航务工程局有限公司

3、,硕士,工程师,广州510500王剑刘仲武邱冠汉摘要:CFG 桩作为软土地基加固的措施之一,近几年在铁路工程中应用越来越广泛。由于高速铁路对路基变形要求较高,而经CFG 桩复合地基处理的软土路基工后沉降很小,所以,只要在施工中注意质量控制,完全可以达到高速铁路的控制沉降要求。根据CFG 桩的原理,介绍了CFG桩施工过程中的质量控制方法,具有一定的实用性。关键词:CFG 桩;路基加固;高速铁路C F G 桩复合地基处理技术应用广泛,适用于处理淤泥质黏土、软土,湿陷性黄土及承载力在200k P a 左右的较密实性土。C F G 桩复合地基同碎石桩复合地基相比,具有变形模量高,承载力提高幅度大等特点

4、。试验证明,CFG 桩自身本构关系呈线弹性模型,弹性模量CFG 桩在铁路软土路基加固中的应用受混合料塌落度、石屑率、水泥粉煤灰比影响3。CFG桩复合地基具有置换作用、挤密作用、边载作用和对土的约束作用等复合地基效应。C F G桩和桩间土的相互作用是影响其复合地基竖向承载力的主要因素,褥垫层起着极其重要的作用。2.1CFG桩复合地基中褥垫层的作用机理在复合地基中,桩体的压缩模量远远大于土的压缩模量,桩在竖向荷载下产生的变形要小于土的变形,褥垫层能够起到协调这种变形的作用。基础通过挤压褥垫层和桩间土接触,使得桩和桩间土始终参与工作,并使桩间土在桩体沉降不断增加的情况下能不断发挥其承载力作用。随着上

5、层荷载的增加,桩和桩间土的荷载分担趋于一常值,见图2(图中Pp 为桩承受荷载,Ps为桩间土承受荷载,P为上层荷载。基置换作用显著提高,承载力也有所增强。C F G桩一般按C10C20混凝土强度等级设计,其桩身压缩性能明显比周围土体要小,故能使复合地基强度提高,达到置换作用。就桩体和桩间土的材料性质而言,原天然土层的泊松比在0.20.55之间,变形模量在2.97.6M P a之间。C F G桩的泊松比在0.150.2之间,变形模量在11042104M P a之间。显然,CFG桩的桩体模量远大于桩间土的模量,因此,CFG桩所承担的荷载远大于桩间土。可见,土层被CFG桩置换是复合地基承载力得到提高的

6、主要原因之一。2.3CFG桩的挤密作用机理由于C F G桩属于高黏结强度桩,其复合地基的挤密作用在一般软弱土层中表现并不明显,远不如散体桩(碎石桩和一般黏结强度桩(如石灰桩、二灰桩等,但在挤密效果良好的土层中成桩,桩间土的挤密效果也很好。因为基础荷载通过褥垫层作用于桩间土,使桩间土竖向附加应力z增加,桩间土水平附加应力x=z/(1+(为桩间土泊松比也随之增加,达到挤密的作用。x增加对桩承载力有两个方面影响:x是桩间土对桩侧的正压力,正压力的提高,使桩的侧摩阻力加大,从而提高了桩的竖向承载力。在针对桩体材料的室内三轴试验中,x的作用相当于围压3,加大围压,可以提高桩体的抗压强度,增强CFG桩桩顶

7、部位抵抗受压破坏的能力。3工程实例分析哈大铁路客运专线DK651+206DK655+004段为路基段,此段地层属于原始河谷段,从上至下地质情况为根植土、粉质黏土、黏质淤泥、中砂、粗砂、泥岩夹砂岩。根据设计要求采用CFG桩作为复合式地基,摩擦桩进入挤密层0.5m为止。桩直径0.5m,桩间距1.5m,呈正三角形布置。桩顶铺设0.2m厚碎石垫层,最大粒径不超过3cm。垫层内铺设3层0.1m的中粗砂和两层双向土工格栅,设计抗拉强度不小于120kN/m2。施工采用长螺旋钻机成桩,28天无侧限抗压强度不小于5M P a。桩体材料采用碎石、中粗砂、粉煤灰、水泥、水配合而成,基本配比如表1。3.1CFG桩施工

8、要点(1清理表层种植土,平整场地,做好地表排水系统。(2技术人员根据设计图放出每根CFG桩的具体位置,并用竹桩标记,或撒石灰画圈。(3技术人员按照设计要求进行路基位移和沉降观测的准备工作,布置位移和沉降观测网,埋设相应桩橛,并进行初次测量。施工期间按设计要求进行位移和沉降观测。(4施工前应进行工艺性试验,数量为3根,以复核地质资料以及设备、工艺、施工顺序,确定材料选择、混合料配合比、坍落度、成孔时间、搅拌时间、拔管速度等各项2.2CFG桩的置换作用机理复合地基的置换作用主要取决于桩体材料的组成,CFG桩中的细骨料粉煤灰可增加桩体的黏结强度,而且具有明显的后期强度。在复合地基增强体(桩体系列中,

9、CFG桩的置换作用最强,而且可以全长发挥侧阻作用,加大桩长可使复合地表1CFG桩桩体材料配合比表k g/m3 425#水泥中粗砂 碎石 粉煤灰外加剂 水 150 871 工艺参数。CFG桩施工应从路基中心往两侧施工,并跳行跳桩施工。移动钻机至设计桩位,利用桩机塔身前后和左右垂直标杆检查塔身导杆,校正位置,使钻杆垂直对准桩中心。钻杆的垂直度偏差不应大于1%,桩位偏差不大于5cm。设计要求保护桩长大于50cm,桩径不小于设计值。钻孔开始时,关闭钻头阀门,向下移动钻杆至钻头接触至地面时,启动电机钻入,钻进时应先慢后快,直至设计深度。施工时应严格按照试验室批准的配合比进行施工。CFG桩要求使用强制式搅

10、拌机搅拌,混合料的上料顺序为先装碎石,再加水泥、粉煤灰、泵送剂,最后加砂,使水泥、粉煤灰在砂石之间,不易飞扬粘附在筒壁上,也易于搅拌均匀。每盘料搅拌时间不小于60s,混合料塌落度控制在1620cm,每台班制作检查试件一组(3块,进行28天标准立方体抗压强度检测,强度值须满足设计要求。混合料采用罐车运输,泵送。混合料的泵送量按试桩确定的数量进行,泵送时不得停泵待料。当钻杆芯管充满混合料后开始拔管,严禁先提管后泵料。当钻杆拔出地面,确认成桩符合设计要求后,用湿粘土封顶,然后移机继续下一根桩施工。施工过程中,应密切关注地面隆起及桩顶浮浆情况,防止挤压造成断桩。单桩完成后,钻渣及时用铲车运离现场,根据

11、现场实际情况,可以临时集中堆放到场外适当地方,也可直接运往弃土场。全段施工完成,静置28天后,按照设计要求对桩身完整性、桩体强度、复合地基承载力、变形模量和压缩模量进行试验。3.2C F G桩施工质量控制流程(图33.3CFG桩施工质量控制措施(1桩长、桩径、桩顶标高、桩身完整性应满足设计要求。桩位、垂直度、有效直径的允许偏差应符合表2规定。(2桩机施工前,现场技术员对现场桩位进行复核,控制桩位偏差在50mm范围内。(3在每台桩机旁10m范围内,树立C F G桩施工参数明示牌。(4桩机钻孔前,现场技术员需严格控制桩机的垂直度。(5桩机钻进过程中,安排每台桩机操作手观察并记录桩机钻进过程中电流值

12、的变化,及时反馈给现场技术员或机长,并做好相应的桩机钻进记录。(6现场技术员对混泥土罐车下料前进行坍落度测试,满足要求后方可进行灌注。(7在CFG桩灌注过程中,严格控制桩机的提管速度,现场技术员或机长对混泥土泵流量计和提管时间、速度做好记录。(8现场技术员对混凝土灌注过程进行全程跟踪,严格控制CFG桩的停灰面。表2CFG桩施工的允许偏差、检验数量及检验方法按成桩总数的1 %抽样检验, 且每检验批不少于 5 根 序号 检验项目 允许偏差 检验数量检验方法 1 桩位 (纵横向5 m m经纬仪或钢尺丈量2桩体垂直度1%经纬仪或吊线测钻杆倾斜度3桩体有效直径不小于设计值开挖50100cm深后,钢尺丈量

13、(下转第53页论坛园地考虑,运输设施布局要完善与其他交通方式的配合及衔接,形成换乘枢纽,控制旅客的换乘行走距离。在发达国家的铁路车站内大都分别开辟专用的干线站台和市郊铁路、城市轻轨、地铁站台和专用通道并将其有效整合在一起。4结论与展望我国市郊铁路的发展,经历了从辉煌到萎缩的尴尬曲折历程,积累了成功经验的同时,也吸取了引以为戒的教训。在当今大城市飞速发展的背景下,组团式发展趋势为市郊铁路的发展提供了新的机遇与挑战。充分结合市场需求与城市发展条件,对市郊铁路进行合理的市场定位,并进一步应用科学有效的运营管理策略,将有助于发挥市郊铁路对城市发展的重要作用,推进市郊铁路新的历史发展进程。参考文献1何静

14、.我国市郊铁路发展策略研究.铁道运输与经济,2006,28(7.2何静,石嵘.我国市郊铁路技术的发展模式构想.上海铁道科技,2005(6.3罗秀清,叶玉玲.发展市郊铁路参与城市轨道交通建设.铁道运输与经济,2003,25(6.4罗秀清,叶玉玲.市郊铁路在城市交通中的地位及其发展策略.城市轨道交通研究,2003,6(2.收稿日期2008-03-01谈市郊铁路发展及其运营策略孙砚等(上接第50页(9在钻进下一根C F G桩之前,现场技术员或机长需完成前一根桩的记录,保证记录表的及时性和完整性。3.4施工中出现的问题剖析CFG桩施工成桩达到28天强度后,对1000根桩进行了桩间土开挖和检测。在开挖和

15、检测过程中,发现了一些质量问题:30根桩桩径在4849cm且为椭圆形。两根断桩。一根缩径。为此,对CFG桩的整个施工工艺,施工过程和地质情况进行了全面、仔细的研究和复核。根据出现的问题,总结出以下几点原因。(1桩径过小。由于钻头尺寸为48cm,土质为粉质黏土软弱地层,含水量丰富。在施工过程中,钻孔孔径可以达到50cm,但混凝土收缩和桩机对旁边一根C F G桩施工挤压土体致使桩径变小,成椭圆形桩。(2断桩。通过检测,断桩均发生在桩顶标高以下1m范围内。由于开挖桩间土使用大功率挖掘机,对C10素混凝土桩破坏较大,致使断桩发生。(3缩径。在施工过程中,由于该段土质为软塑性黏土,在地表以下4m处有2m左右的淤泥层,此后为砂层,地下水含量丰富,灌注混凝土时提管速度过快,导致导管拔空,混凝土灌注不连续,致使缩径情况发生。3.5解决问题通过对上述问题的分析,根据具体的地质情况,采取了以下解决处理措施。(1在施工前对处理场地进行压实平整处理,对桩机钻头和螺旋叶片进行加宽,在钻桩顺序方面严格按照先中间后两边,隔排施工。(2在挖桩间土清除桩头施工过程中,采用小功率履带式挖掘机进行处理。(3针对此段软基的地质条件,严格控制灌注混凝土时的提管速度,控制在2m/min之内,并且保证导管底插入混凝土面2030cm。4结论实践证明,CFG桩复合地基处理技术设计理念先进