路基及支挡结构作业杨柏林

1、CFG 桩在高速铁路建设中的应用要：随着国家基础建设的不断深入，高速铁路已渐渐步入人们的日常生活。摘本文以 CFG 桩在高铁建设中的应用为例，简介了 CFG 桩的组成、施工工艺及桩网结构等，具体论述了其施工步骤及施工中的质量检测与控制，并就现阶段CFG 桩在高铁建设中应用存在的问题进行了阐述，并提出了改进的方法，最后以实例说明了改进后的 CFG 桩在高铁建设中具体应用。关键字：CFG 桩 高速铁路 施工工艺 桩网结构 质量控制 改进1、引言高速铁路是指通过改造原有线路(直线化、轨距标准化），使营运速率达到每小时 200 公里以上，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时 250公里以

2、上的铁路系统。高速铁路除了在列车在营运达到速度一定标准外，车辆、路轨、操作都需要配合。根据中国铁路中长期发展规划，到 2020 年，为满足快速增长的旅客需求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及四个城际快速客运系统。建设客运专线 1.2以上，客车速度目标值达到每小时 200 公里及以上。图 1 中国高速铁路网规划2、CFG 桩的简介2.1 CFG 桩的定义CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，是近年发展起来的软土路基处理的一种新方法。它是在碎石桩的基础上掺入适量、粉煤灰及少量水泥，加水拌和后制成具有一定强度的桩体。它是一种低强度混凝土桩，可充分利用桩间土及褥

3、垫层的共同作用，通过改变桩长、桩距、褥垫厚度和桩体配比，将荷载传递到地基中去，能使复合地基承载力幅度的提高有很大的可调性，使CFG桩复合地基得到均匀沉降和较高的承载。2.2 施工工艺流程图图 2 CFG 桩的施工工艺流程图3、CFG 桩的施工过程试桩在CFG桩全面展开施工前,应根据地质情况、桩型及施工机械类型进行试桩。其目的是通过试桩确定桩机配重、拔管速度、施打顺序、保护桩长、混合料坍落度等施工参数，并结合设计地质资料确定可行的终孔标准以指导全面施工。施工放线按施工图放出路基横断面，然后根据“CFG桩桩位平面布置图”用经纬仪、钢尺放出每个桩孔位，并撒白灰插钎子标记，误差控制在3.3 钻机就位准

4、要求以内。施工机具进行试拼、组装，稳定好钻机，立钻架并调整安设好起吊系统。调平钻机，应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%。现场采用在钻架上挂垂球的方法测量该孔的垂直度，也可采用钻机自带垂直度调整器控制钻杆垂直度。每根桩施工前现场工程技术进行桩位对中及垂直度检查，满足要求后，方可开钻。3.4 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地，启动马达钻进，先慢后快，同时检查钻孔的偏差并及时纠正。在成孔过程中发现钻杆摇晃或难钻时，应放慢进尺，防止桩孔偏斜、位移和钻具损坏。根据钻机塔身上的进尺标记，成孔到达设计高程时，停止钻进。3.5 混合料搅拌混合料搅拌必须进行集

5、中拌和，按照配合比进行配料，每盘料搅拌时间按照普通混凝土的搅拌时间进行控制。一般控制在90-120s，具体搅拌时间根据实验确定，电脑控制和3.6 灌注及拔管。混合料出厂时坍落度可控制在180-200mm。钻孔至设计高程后，停止钻进，钻杆20-30cm后开始泵送混合料灌注，钻杆芯管充满混合料后开始拔管，连续拔管。严格控制拔管速率，拔管速率控制在2-3m/min。施工桩顶高程宜高出设计高程30-50cm，每根桩的投料量应不小于设计灌注量。灌注完成后，桩顶盖土封顶进行养护。3.7 移机灌注时采用钻杆(不能边行走边钻杆)，灌注达到控制高程后，对钻杆端部进行保护，钻机移位，进行至下一根桩的施工。3.8

6、桩头处理当桩达到70%强度后人工对CFG桩超灌部分进行凿除，并清运现场余土，确保达到要求。3.9 质量检测满足一个检验批的CFG桩施工完成后应立即采用低应变与静载对桩身完整性和复合地基承载力进行检测。3.10 褥垫层施工CFG桩检验完毕，并满足设计要求后，进行褥垫层施工。一般CFG桩桩顶面铺设0.5m厚碎石垫层，碎石粒径宜为8-20mm，最大粒径不大于30mm，垫层中铺设一层强度不小于180kPa的双向土工格栅，其上下各铺设厚为0.05m的粗砂保护层。垫层材料虚铺后用静力压实。4、桩网结构为了使CFG桩更有效地向下传部结构荷载，同时发挥桩间土的作用，CFG桩顶部设扩头与桩身连接，材质与桩身相同

7、，扩头上部设50cm厚的褥垫层，层内铺设一层抗拉强度为180kPa厚10cm的土工格室，褥垫层、桩体、桩间土一起形成复合地基共同承力。采用CFG桩加固形成的桩网结构，其效应主要有以下四个方面：置换效应：桩网结构中桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶压力比桩问土表面应力大，桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载，从而使复合地基承载力提高，变形减少。挤密效应：将CFG桩打入土中可使桩间土孔隙比减小，密实度增加，从而提高桩问土的强度和模量。桩对土的约束效应：在CFG桩和桩间土等组成的复合地基中，桩对桩间土土体侧向变形的作用。相同荷载条件下，无侧向约束时土的侧向变形大

8、，具有从而使垂直变形加大。由于桩对土体侧向变形的限制，减少了侧向变形，也就减小了垂直变形，使复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。褥垫层的平衡作用：使用土工格室加碎石形成的褥垫层，充分利用了土工格室的抗拉强度和散体粒状材料的组合性能，可调节和平衡桩土之间的应力，减小桩顶承受的水平荷载，使复合地基在上部荷载作用下通过CFG桩将力大部分传递到持力层，从而减小桩的侧向变形。5、施工质量检测与控制5.1 施工质量检测按照客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准的规定，成桩 28d后应及时进行低应变试验检测 CFG 桩的桩身完整性，按成桩总数的 10%抽样检验，且每检验批不少于 5 根；承载力采用复合地基

9、平板检测试验，其承载力、变形模量应符合设计要求，按总桩的 10%抽样检验，且每检验批不少于 3根。CFG 桩的施工允许偏差如下表 1 所示。表 1 CFG 桩的施工允许偏差质量控制桩身强度控制成桩过程中，抽样做好混合料试块，每台机械1个台班做1组(3块)150 mm150 mm150 mm的试块，标准养护，测定28d无侧限抗压强度不小于15kPa。5.2.2 正确的施打顺序施打顺序与土性和桩距有关。在饱和软土中成桩，桩机的振动力较小，当采用连打作业时，新打桩将会使已打桩被挤扁，严重的产生缩颈和断桩，而且后打桩沉桩，因此宜采用隔桩跳打。在饱和的松散粉土中施工则不宜采用隔桩跳打方案，因为松散粉土振

10、密效果好，打的桩越多，土的密度越太，桩就越难打，此时宜采用满堂布桩，并从中心向外推进施工，或从一边向另一边推进施工。5.2.3 控制拔管速率拔管速率太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩，拔管速率过慢会造成水泥浆分布不匀，桩顶浮浆过多，桩身强度不均匀和产生离析现象。正常的拔管速率应控制在1.2-1.5m/min。拔管过程中要避免反插，因为反插难以保证桩管垂直度，也容易使土与桩体材料混合,导致桩身掺士等缺陷。5.2.4 严格控制混合料拌和时间和坍落度大量工程实践表明，混合料坍落度过大，会形成桩顶浮浆过多，桩体强度也会降低。坍落度控制在16-20cm，和易性好，当拔管速率适当时，一般桩顶浮浆可控制在10c

11、m左右，成桩质量容易控制。5.2.5 设置保护桩长每根桩在加料时，要比设计桩长实际所需混合料的量多加0.5m-0.7m桩长的混合料，用式振捣棒对桩顶混合料加振3-5s，提高桩顶混合料密实度。5.2.6 上部用土封顶桩顶用土封闭，增大混合料表面的高度即增加了自重压力。可提高混合料抵抗周围土挤压的能力，避免新打桩导致已打桩受振动挤压，混台料上涌使桩径缩小。在基础施工时再将保护桩长剔掉，确保成桩与设计标高一致。5.2.7 加强施工过程中的监测及反馈打桩过程中要随时测量地面是否发生隆起，因为断桩常和地表隆起相联系。同时，要观测新打桩对未结硬的已打桩的影响，注意已打桩桩顶标高的变化，尤其要注意观测桩距最

12、小部位的桩，确定是否产生缩颈。6、CFG桩在工程实践中存在的问题6.1 施工质量问题统计对已施工的 CFG 桩的质量进行统计，发现桩的灌注质量不高、钻孔精度不除虚桩头方法不当、施员培训少、地质与设计不符合等，具体见表 2 所示，其排列图见图 3。表 2质量问题频数统计图 3 影响 CFG 桩质量的原因排列图从排列图可以看出，桩身灌注质量不高和钻孔精度不高的累积频率达80%，成为影响 CFG 桩施工质量的主要。6.2 原因分析及主要确认在 CFG 桩施工过程中，主要有以下会影响其质量，如下图 4 所示。图 4 原因分析关联图针对以上各种，对每个进行分析，见下表 3 所示。表 3 CFG 桩施工质

13、量问题主要确认具体改进措施调整混合料配合比，严控混合料坍落度当混合料中的水、细骨料和粉煤灰用量较小时，混合料和易性不好，常发生堵管。应结合工程实际，在不影响设计强度的条件下对混合料的配合比和水胶比进行调整。混合料坍落度过大，会导致桩顶浮浆过多，桩体强度下降。因此要严格控制水胶比，按配合比进行配料，确保混合料出站时的坍落度在20-22cm，灌注时的坍落度在16-20cm，保证泵送时能顺利通过导管。试验应对每车料做坍落度检测，并及时和现场施时予以调整。6.3.2 严格控制灌注细节员联系，及CFG桩成孔到设计高程后，停止钻进，开始混合料的灌注工作。灌注前，先进行洗管。洗管分两步进行：第一步采用清水洗

14、管，将管内残留的渣质冲洗干净，使管内保持湿润；第二步采用与混合料同水胶比的砂浆润管，以保证混合料灌注时不堵管。同时保证泵送管接管平顺、连接处牢固，泵管密封性好；泵管铺设时，尽量减少弯头，支撑稳固；软管与混合料泵管、钻机连接处要连接牢固、紧密。润管结束后，开始泵送混合料，管内空气从排气阀排出，当钻杆内管及输送软、硬管内混合料连续时方可提钻，当钻芯管充满混合料后开始拔管，边泵送边拔管，严禁先拔管后送料。成桩的拔管速度要控制在1.2-1.5m/min，同时可根据输送泵的输送速度予以适当调整，拔管要均匀连续，避免反插。桩身混合料要超灌50cm，每米桩长混凝土理论用量0.2m3。6.3.3 完善制度，加

15、强监测制定严格的监测制度施工原始采人制与施工队伍当日完成的CFG桩必须当日交叉签认，当日完成施工原始表格的填写，资料整理不过夜，并完成、复核与质检的签认手续。在施工过程中，现场管理必须根据每根桩钻机的摇摆情况，协同桩机操作手根据电流表确定钻头是否到达持力层。现场必须真实、准确同时必须要反映3种数据：钻机抵达持力层桩底标尺读数、停灰面标尺读数、电流电压表数值。随时填写CFG桩施工表。加强对钻机钻进速度的监测钻孔开始时，关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触及地面并对准桩位，启动电机钻进，钻孔要先慢后快，施员边钻边钻杆旋出的碴土。6.3.4 确保钻机定位准确。加强对成孔施工的监测一般桩有平移偏差和垂直

16、偏差两种。多由于桩机对位不仔细，地层原因使钻孔对钻杆跑偏等原因造成，桩机定位要准确、稳固，钻机螺旋杆中心线、钻头中心线、桩位中心线应保持在一条直线。7、工程应用实例客运专线工程试验段处于软土和松软土等不良地质地区，路堤基底存在一定的压缩性，需采取相应工程措施处理。其路基铺设无碴轨道的路基变形控制标准是对路基工程、特别是松软土地基工后沉降控制技术的新。根据地质条件综合分析及沉降估算分析，通常的复合地基处理方法如粉喷桩、碎石桩等措施不能满足无碴轨道路基工后沉降要求。因此，设计采用了CFG桩网复合地基进行加固处理。7.1 地形地貌及地质条件客运专线工程试验段沿途为剥蚀高阶地区，局部为剥蚀残丘，波状起

17、伏，地面高程22-40m，高程40-50m，其间地势平缓开阔。沿线高阶地垄岗区上覆第四系更新统冲积层，岩性多为黏土、粉质黏土，硬塑-坚硬，厚5-30m。部分谷地表层为第四系全新统冲积层，为软塑-硬塑黏土、粉质黏土，局部流塑，厚3-10m。高阶地坳沟区部分地段上部为第四系冲积层黏性土夹淤泥质黏土，软塑-流塑，厚2-5m，Ps=0.58-1.38MPa，Es=2.90-6.04MPa，地基强度低，压缩变形较大。下伏基岩主要为二迭系灰岩、泥质灰岩及系砂岩、砾岩，多为泥质胶结，部分为钙质胶结，以红色为主，全风化-强风化带厚约10-25m，弱风化带岩体完整。残丘区基岩露，为二迭系灰岩，弱风化，岩溶不发育

18、。沿线地表水系发达，沟渠，线路经过地段多为鱼塘及农田。水类型为上层滞水，主要赋存于第四系冲积黏性土中，埋深约0.5-6.Om，受大气降水及地表水补给，随季节变化。7.2 地基加固设计采用CFG桩网复合地基加固，如下图5所示。CFG桩直径为0.5m，正方形布置，桩距一般地段为1.6m，涵路过渡段为1.5m，路桥过渡段为1.4m，局部地段为1.8m。加固深度为4.0-15.7m。桩顶设0.9m(长)0.9m(宽)0.3m(厚)C15钢筋混凝土桩帽，见图6。图5 CFG桩加固地基横断面图图6 CFG桩网复合地基示意图施工要点成桩方法根据现场的地质条件以及国内现有的施工CFG桩的机械情况，选择了五种机

19、械：长螺旋钻机、振动沉管桩机、旋挖钻机、冲击成孔桩机、锤击沉管桩机，并进行了现场成孔试验及现场灌注混合料试验。试验表明，因地层较硬，振动沉管只能打到地表以下2-3m，很难达到设计深度。锤击沉管虽然成孔质量较好、效率高，但对邻桩影响较大。冲击成孔设备在无水的情况下，对位精确，移动灵活，在砂砾地层中也能成孔。长螺旋钻机成孔、芯管泵送混合料灌注，成桩速度快，质量好。综合考虑机械性能、适宜地质条件、对邻桩影响、成桩质量等7.3.2 试桩，最终确定采用长螺旋钻机进行工艺性试验。在CFG桩全面展开施工前，应根据地质情况、桩型及施工机械类型进行试桩。其目的是通过试桩确定桩机配重、拔管速度、施打顺序、保护桩长

20、、混合料坍落度等施工参敷，并结合设计地质资料确定可行的终孔标准以指导全面施工。试桩选在DKl230+425(桩距1.5m)、DKl230+419(桩距1.2m)线路左侧路基坡脚线外征地红线内。该处下卧地层为黏土，软塑-硬塑。试验选取8根CFG桩，分两组桩群，四根一组，桩群净距6m，桩距分别为1.2m和1.5m，正方形布置，见图7。试桩结果见表4所示。表4CFG桩的试桩结果图7CFG桩平面示意图7.3.3 调配混合料CFG桩桩身混合料的原材料应满足规范标准和设计要求，桩身混合料28天龄期标准立方体抗压强度不小于15 MPa，按上述改进措施，结合本工程实际情况，在不影响设计强度的条件下对混合料的配

21、合比和水胶比进行调整。具体调整如下表5所示。表5 混合料配合比调整表施工完成后的质量检测桩身混合料强度现场制作混合料标准立方体试件8组，进行28天标准养护后，经试块强度检验，平均抗压强度为30.7MPa，全部合格。7.4.2桩身完整性检测抽取不少于总桩数10的桩进行低应变反射波法检测桩身的完整性。当桩顶弹性波沿着桩身向下，若桩身存在明显波阻抗差异的界面(如桩底、断桩和严重离析等部位)或桩身截面积变化显著(如缩径或扩径)的部位，将产生反射波，经接收处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，根据一维应力波振动理论可以获得桩身混凝土的平均速度、缺陷位置等参数，据此判断桩身完整性，如右图8所示。根据实测

22、波形分析计算，部分桩身结构完整性检测结果见表6。共对525根桩进行了低应变完整性检测，其中I类桩467根，占被检测桩数的89.0，类桩58根，占被检测桩数的11.0，无、类桩，经检测525根桩完整性均合格。图8 低应变检测桩身完整性表6 桩身混凝土结构完整性检测结果7.4.3单桩承载力检验检验不少于总桩数的0.2，且每检验批不少于3根；单桩承载力(平板荷载试验)不小于设计值，且桩身压缩量小于10mm。图9 单桩承载力检验7.4.4复合地基承载力检验检验不少于总桩数的0.2，且每检验批不少于3根；现场试验采用慢速维持荷载法，采用手动油泵逐级加载，试验共分10级加载，每级加载量为试验终止荷载(为设计复合地基承载力sp的2倍)的1/10，第一级按2倍分级荷载加载。卸载分为5级，卸载量为加