CFG桩科研报告大纲

湿陷性黄土路基CFG桩综合施工技术1．概述课题提出背景自1964年日本建成东京至大阪世界上第一条高速铁路30多年来，高速铁路从无到有。据不完全统计，全世界拥有或正在建设高速铁路的国家和地区已经达到12个，进行研究和规划的国家有6个，已经建成高速铁路新线长达4624公里，正在建设的线路有3509公里。根据2005年国务院发布的《中长期铁路网规划》，在2020年前我国将投资超过2万亿元人民币建设总里程1.2万公里、时速200公里以上的“四纵四横”铁路客运专线网络，从而使我国主要铁路干线上实现客、货运输的分离。2005年，随着京津、武广、合宁、郑西等铁路客运专线的陆续开工，我国掀起了大规模铁路客运专线建设高潮。郑西客运专线是《中长期铁路网规划》中“四纵四横”之一的徐州至兰州客运专线的重要组成部分，线路自郑州车站引出，经河南省郑州、洛阳、三门峡市和陕西省渭南、西安、咸阳市，在咸阳西站与陇海线接轨。专线全长484.5公里，其中河南省境内318.7公里，陕西省境内165.8公里。本标段段位于黄土台塬及渭河一、二级阶地区,出露地层单一,主要为第四系上更新统风积、第四系全新统冲积砂质黄土,分属级I非自重湿陷性，II、III级自重湿陷性黄土。地表分布有松软土。湿陷性黄土浸水后，在土体自重或外部荷载和土体自重的共同作用下，会迅速发生剧烈的湿陷变形，危及构筑物的安全使用。因此，对于湿陷性黄土地基常需进行地基处理。地基处理的方法很多，大多数方法的作用在于破坏湿陷性黄土的大孔结构，以便全部或部分消除地基的湿陷性，从根木上避免或消弱湿陷现象的发生。这些方法包括土或灰土垫层法、强夯法、土或灰土桩挤密法和桩基础。公路工程中，对于桥基的湿陷性黄土大多采用灰土垫层法、强夯法和桩基础进行处理。灰土垫层法一般的处理厚度为1〜2米，不能消除2米以下的湿陷性黄土的湿陷性，一旦排水系统不完善，2米以下的湿陷性黄土被湿化，将会发生黄土湿陷现象，导致上部结构物产生破坏；强夯法限于场地原因和机械能力，所选用的夯击能量较小，有效影响深度较浅（＜4米），仅能局部消除湿陷性，同时，强夯法受地形条件限制，使其使用范围受到制约。该客运专线设计速度目标值：基础工程应满足350/速度要求；运行速度为200/及以上。轨道类型：双块式无碴轨道。该铁路客运专线施工的最大的问题是湿陷性黄土的地基处理与沉降控制,设计要求路基工后沉降控制值为15mm。这么咼标准的路基沉降控制，在国内以往的铁路、公路路基施工过程中是没有遇到的，没有经验可借鉴。CFG桩复合地基作为一种新型的地基处理方法，首次应用与铁路客运专线地基处理中，有必要对其综合的施工技术进行研究。课题研究的目的和意义随着土木工程建设的迅猛发展，工程建设规模日益扩大，难度不断提咼，程建设对地基的要求越来越咼，在天然地基不能满足工程建设的要求时，地基处理问题就成为关系工程建设质量与投资的关键问题。同时，地基处理设计施工是一项实用性很强的工程技术，其技术条件复杂，所受影响因素众多，与场地工程地质条件、水文地质条件、工程建设要求等密切相关。因此，技术经济，安全可靠的地基处理方案的提出，先进施工工法的应用，对工程建设具有重大的现实意义。在湿陷性黄土地基上修建铁路，会遇到稳定及变形问题。特别是对工后沉降要求很咼的咼速铁路，不仅要求路堤稳定，而且对工后沉降要求较咼，需严格控制工后不均匀沉降。尤其是桥头路堤与桥台差异沉降造成的桥头跳车，轻者影响行车速度，损害车辆，重者导致交通事故，造成人员伤亡。桥头跳车现象在各国普遍存在。CFG（CementFlyashGravelpile）桩又称水泥粉煤灰碎石桩，是一种粘结强度较高的半刚性桩体。CFG桩可在全桩长范围内发挥其侧摩阻力和端承力，桩体强度具有可调性（通常在C5〜C20之间变化），可避免散体材料桩（碎石桩、砂桩）及低强度材料桩（石灰桩、灰土桩）由于桩身强度的限制而使荷载传递深度有限的缺陷，从而大幅度提高地基的承载力，使深厚软土地基处理达到消除液化和提高地基承载力的双重目的。CFG桩和褥垫层、桩间土一起组成复合地基，通过调整桩长、桩距和褥垫层厚度，既可以较好地满足承载力要求。在这方面有不少在高速公路路基处理中的应用实例，但CFG桩应用于高速铁路湿陷性黄土路基的处理，国内研究的比较少。因此，以在建的西安－郑州铁路客运专线工程项目为依托，通过对现场地基处理方式的比较优选，CFG桩施工的设备、人员的配置，形成适合郑西客运专线湿陷性黄土CFG桩施工的工艺流程和方法，以及地基处理效果的评价方法。对高速铁路同类工程的施工建设有很大的指导作用。课题研究的关键技术要求研究项目实施地点为郑西客运专线新临潼车站：DIK441+500—DIK444+350段站场路基地基湿陷性黄土处理。此设计在我国铁路客运专线上被首次应用，尚需在开工前进行试验性施工。课题研究的关键技术和难度：CFG桩施工工艺、参数的确定；CFG桩施工质量控制和检测、沉降分析与评定；CFG桩施工机械设备的选型与配置。创新点为：通过试验性施工，优化设计方案，确定最佳施工方案和施工方法、施工工艺及评定方法等，以指导大面积施工，最终论证设计的可靠性。总结出适合于客专湿陷性黄土CFG桩综合施工技术。课题研究要到达的目标(1)研究内容：满足业主的要求、满足郑西客运专线的设计标准、满足客运专线铁路路基工程施工技术指南》及《客运专线铁路路基工程质量验收暂行标准》。主要技术指标：A、 桩身密实度控制；B、 施工配合比合理性；C、 桩体强度和完整性；D、 桩间土挤密系数；E、 湿陷性消除地基检测；F、 施工中工沉降量控制与观测；G、 数据分析和评定。（2）达到的目标：形成湿陷性黄土地基CFG桩设备选型与配置；铁路地基CFG桩的新施工方法和工艺；CFG桩质量控制与检测、沉降分析与评定方法。国内外研究的现状CFG桩的研究现状CFG桩复合地基是我国建设部“七五”科研计划，于1988年立题进行试验研究，并应用于工程实践，1992年通过建设部组织的专家鉴定，一致认为该成果具有国际领先水平，同时，为了进一步推广这项新技术，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究，并列入“九五”国家重点攻关项目，于1999年通过了国家验收。湿陷性黄土地基处理的研究现状地基处理方案的比较选择湿陷性黄土地基处理常见方法：强夯法、换填法、灰土挤密桩法、碎石桩法、沙桩法等，这些方法均可以消除湿陷性，但无法解决黄土承载力的不足的问题。解决承载力不足的方法经常有：静压桩、钻孔桩、搅拌桩和新兴的CFG桩等。静压桩使用于小面积、小范围软基处理，由于其施工设备移动性能差，不能满足铁路大范围施工。搅拌桩由于桩身强度、桩身质量不宜保证，亦不宜用于处理耐久性高，动荷载大的客专（高铁）地基处理。钻孔桩是常见的处理方法，但其圬工量大、耗材大、成本高，经济性差。CFG桩可在全桩长范围内发挥其侧摩阻力和端承力，桩体强度具有可调性（通常在C5〜C20之间变化），可避免散体材料桩（碎石桩、砂桩）及低强度材料桩（石灰桩、灰土桩）由于桩身强度的限制而使荷载传递深度有限的缺陷，从而大幅度提高地基的承载力，使深厚软土地基处理达到消除液化和提高地基承载力的双重目的。CFG桩和褥垫层、桩间土一起组成复合地基，通过调整桩长、桩距和褥垫层厚度，既可以较好地满足承载力要求又可以大大降低工程造价，经近年在房屋建筑领域和公路工程中应用，表明可用于处理本工程。4、CFG的设计郑西铁路客运专线ZXZQ06标段新临潼车站采用CFG桩复合地基加固措施，CFG桩施工前采用强夯或水泥土挤密桩处理消除黄土的湿陷性，CFG桩的主要目的是穿透软弱层，提高地基承载力。新临潼车站位于陕西省西安市临潼区新丰镇，所处地貌单元均为渭河一级阶地，地形平坦，地势开阔，地面相对高差为1〜2m。地层主要为第四系全新统冲积粘质黄土，第四系上更新统冲积砂层、粉质粘土、粉土；地层自上向下依次分布粘质黄土、中砂、粗砂、粉质粘土，表层湿陷性黄土厚2.5〜8.2m为非自重湿陷，湿陷等级I〜II级。粉质粘土6o=120KPa,总湿陷量0〜47.03cm。CFG桩根据地质情况进行分段处理，桩长根据地层的不同情况设计为15〜20m，桩间距分别是1.4〜1.9m，桩径为0.4m，采用正三形布置和正方形布置形式。在前期CFG桩试验性施工中检测结果满足单桩竖向承载力要求，承载力特征值为419kN；单桩复合地基承载力满足设计要求，承载力特征值为225kPa。5．施工设备长螺旋钻CFG桩的成孔设备为长螺旋钻，钻机型号为ZKL-26型、ZKL-25型，钻机功率为75〜110Kw，钻机为步履式行走装置，钻机工作时4个液压支腿支撑调平，行走时液压支腿收起，机身前后移动转向即可就位。混凝土输送泵混凝土输送泵泵送量的大小与提钻速度成一定的比例关系，本段施工采用HRB-60混凝土输送泵，泵机功率为90kw，泵压压力10MPa,泵压时工作电流150±10A。泵管由铁管和胶皮管组成，铁管由泵机出料口接出至钻机附近，软管连接铁管至钻杆顶部注浆口，管子连接由管卡卡住。材料要求CFG桩的主体材料为水泥、砂子、粉煤灰和卵石，混凝土坍落度为180±20mm，混凝土28天强度要求为10MPa。水泥为普通硅酸盐水泥，砂子为中砂，含泥量W3%，卵石粒径5〜25mm，含泥量W3%，粉煤灰为II级，拌和时掺入泵送剂。混凝土理论配合比，水泥：细骨料：粗骨料：粉煤灰：外加剂为1.00：3.97：6.47：1.00：0.018，水灰比为0.48。。

CFG桩施工工艺施工准备前道工序施工完后进行场地平整碾压，机械设备进场调试，确定泵机机位，修筑机械设备进出道路。根据设计要求进行地质核查，查明场地范围内地下构造物和管线的位置及标高，采取必要防护措施，防止因打桩施工造成损坏。测量放线，定出控制轴线、打桩场地边线并标识。成孔机械表面应有明显的进尺标记，以此来控制成孔深度。按设计要求进行混凝土配合比选定试验，确定混合料的配合比。施工前进行成桩工艺性试验，确定施工工艺和参数，试桩数量在满足工艺试验条件下还必须满足试验检测要求。施工顺序CFG在施工前先进行试打，确定施工顺序，对于正三角形布置桩间距为1.4m和1.5m采用连打法施工，配合挖掘机及时清除桩间土，避免钻出的渣土覆盖下排桩位；正方形布置桩间距为1.8m和1.9m采用连打法施工。5.2.9CFG桩施工工艺流程CFG桩施工工艺流程图V补验桩收处V补验桩收处交理工合格』I不合格技术桩位放样：按照设计图纸进行桩位布置，用全站仪按40m为一个断面测放桩位，每个断面测放4个控制点。钢尺拉出桩位后，用钢钎打入20cm深后灌入白灰插上方便筷。钻机就位：钻机就位后，应使钻杆垂直对准桩位中心，采用钻机自带垂直度调控器调整钻杆垂直度，确保CFG桩垂直度偏差不大于1%。混合料搅拌：混合料搅拌按照施工配合比进行配料，配料采用电脑控制和打印记录，每盘料搅拌时间为90-120S，坍落度控制在180+20mm。5.3.4运输：混凝土的运输采用砼罐车，一般容量为6~9m3，运料及等待过程中必须旋转。5.3.5钻进成孔：钻孔开始前关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触地时，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，放慢进尺，防止桩孔偏斜、位移及钻具损坏。根据钻机塔架上的进尺标记，成孔至设计标高时停止钻进。钻进过程中将注浆软管摆放圆顺，避免软管自由下落出现折角，造成堵爆管事故。在钻进时，记录每米电流变化并记录电流突变位置的电流值，作为地质复核情况的参考。5.3.6密闭性试验：钻机首次钻孔时，需要先泵压水和M10水泥砂浆，钻机钻至桩底后静止提拔至孔口，高压输送泵开始泵压1~2m3水，然后泵压1~2m3的水泥砂浆，再继续泵压混凝土直至钻尖出料口泵出骨料，检查泵压管的密闭性，同时在泵压之前起到润滑管道的作用。5.3.7灌注及拔管：钻孔至设计标高后停止钻进，提拔钻杆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，采用静止提拔钻杆，提拔灌注速度控制在2-3m/min,施工时桩顶高程宜高出设计高程50cm，灌注成桩完成后，桩顶盖土封顶进行养护。灌注过程中钻机下配合一名指挥人员，吹哨或摇旗指挥泵机司机开泵和停泵，当钻杆芯管内充满混凝土时，在钻杆顶部有一个直径25mm的冒浆口开始冒浆，此时指挥泵机停泵，待再提拔钻杆2m左右混凝土已经下落成桩后指挥泵机开泵。在灌注混合料时，对于混合料的控制采用记录泵压次数的办法，对于同一种型号的输送泵通过试验确定泵压次数为1米/3次。移机：灌注完成后，收起支腿，机身前后移动转向至下一根桩。5.3.9桩头清理：CFG桩施工完后28天，从横向方向采用挖掘机清理桩间土，靠近桩周围预留20cm采用人工清除桩间土，然后采用人工破除预留桩头至设计标高。桩头清除采用切割机环向切割一圈，电钻打三个眼后用錾子断掉桩头。4.3.10现场试验：试验人员对每罐混合料测试其坍