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京沪高速铁路CFG桩及软基处理讲义 2008年2月26日京沪高速铁路CFG桩及软基处理讲义目前CFG桩施工技术在民用建筑、海河岸工程和高速公路大量使用，已成为成熟的软基处理技术并形成了行业规范(建筑地基处理技术规范JGJ79-2002)。京沪高速铁路软基处理主要采用了CFG桩复合地基施工技术。其铁路CFG桩在动荷载和柔性路基作用下，时速达到350km/h的铁路施工还需经实践检验，目前没有形成行业规范，为此京沪高速铁路在李窑和凤阳等地专门进行CFG桩试验段的研究。结合凤阳试验段的CFG桩施工探讨我们监理人员如何监理和控制CFG桩的工程质量。一、CFG桩特点二、 CFG桩复合地基,通过改变桩长、桩距、褥垫厚度和桩体配比，能使复合地基承载力幅度的提高有很大的可调性。它具有沉降变形小、施工简单、造价低、承载力提高幅度大、适用范围较广、社会和经济效益明显等特点,广泛应用于各类工程的地基处理和加固CFG桩施工要点CFG桩一般有三种成桩施工方法:即振动沉管灌注成桩(适用于粉土、粘性土及素填土地基)、长螺旋钻孔灌注成桩(适用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等密实以上的砂土)和长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩(适用于粘性土、粉土、砂土以及对噪声或泥浆污染要求严格的场地)。CFG桩最常用的成桩施工方法有振动沉管灌注成桩和长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩两种方法。在京沪高速铁路主要采用长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩。 长螺旋钻孔管内泵压混合料CFG桩施工工艺及施工顺序 ： 1、钻机就位：钻机就位后，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%。现场控制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人员进行桩位对中及垂直度检查。满足要求后方可开钻。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，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，成孔到达设计标高时，停止钻进。3、混合料搅拌：混合料搅拌必须进行集中拌和，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90120s，具体搅拌时间根据实验确定，电脑控制和记录。混合料出厂时塌落度可控制在180mm200mm。4、灌注及拔管：钻孔至设计标高后，停止钻进，提拔钻杆2030cm后开始泵送混合料灌注，每根桩的投料量应不小于设计灌注量。钻杆芯管充满混合料后开始拔管，并保证连续拔管。施工桩顶高程宜高出设计高程3050cm，灌注成桩完成后，桩顶盖土封顶进行养护。在灌注混合料时，对于混合料的灌入量控制采用记录泵压次数的办法，对于同一种型号的输送泵每次输送量基本上是一个固定值，根据泵压次数来计量混合料的投料量。5、移机：灌注时采用静止提拔钻杆（不能边行走边提拔钻杆），提管速度控制在mmin，灌注达到控制标高后进行至下一根桩的施工。6、现场试验：对于每盘混合料，试验人员都要进行塌落度的监测，合格后方可进行混合料的投料，在成桩过程中抽样作混合料试块，每台班做1组（3块）试块，测定其28天抗压强度。 三、CFG工艺性试验桩 1、CFG工艺性试验桩目的就是确定CFG桩的施工工艺及参数 凤阳试验段试桩地点选择在路基外，试桩数量8根。该处地质情况为粘土软塑粘土。 2、工艺性成桩试验 采用振动沉管钻机进行两根试桩钻孔时，由于地质偏硬，振动沉管下沉到地下3m左右后，就无法继续下沉，后改为长螺旋钻钻进，钻进、灌注过程顺利，遂确定采用长螺旋钻机成孔，泵送混合料进行CFG桩施工 3、试桩结论 1）确定施工设备和施工工艺 使用振动沉管钻机只能进入地表以下3m左右，无法成孔成桩其工艺没有使用。采用长螺旋钻机成孔及芯管泵送混合料灌注的方法，速度快，质量好控制，很适合本标段CFG施工。最终采用长螺旋芯管内泵压混合料的施工方法。 2）确定混合料的配合比 混合料的各种材料技术指标满足规范要求，采用试验配合比的抗压强度满足设计要求。 3）确定相关参数 采用该工艺时，泵送混合料配合比坍落度控制在160180cm，混合料搅拌时间控制在60120s，拔管速度控制在2mmin。施工顺序按成排顺序施工，机械不对成桩产生扰动。 4）混合料用量控制 泵车每击打5次，成桩约1 m。根据击打次数和提管高度双向控制桩顶标高。 4、现场质量检测 1)桩身完整性检测 CFG桩身完整性检测采用低位应变反射波试验检测和取芯试验。检测结果：试桩合格。 2)混合料强度 现场制作混合料标准立方体试件三组，分别进行7 d、28 d标准养护。7 d养护件进行抗压强度检验，经试块抗压强度检验，达到设计强度。 5、试桩建议 1)选用技术先进、性能稳定的施工设备。针对徐州至滁州工程的地质条件，长螺旋钻机具有工效高、成孔质量容易控制等优点，应优先选用。 2)混合料灌注时钻杆拔管速度要求和输送泵的泵送量配合，并保证连续拔管，施工中严禁出现超速提拔及先提拔后泵料或停工待料。灌注过程中，芯管插入混合料的最小深度宜按25cm控制。 3)确保桩长达到设计要求。设计要求CFG桩必须穿透软弱土层至硬底，对于第四系底层一般嵌入砂类土或塑粘土2m，对于下伏基岩层段应嵌入全风化层1m。 4)混合料的各种材料技术指标必须满足规范要求，其抗压强度必须满足设计要求。 5)做好地质情况的复核工作。按规范需钻孔前进行地质复核工作，对具有代表性的地点在施钻过程中适时提钻以确认地层分布情况是否和地质材料一致，特别是钻进达到设计深度要确认桩尖是否已经达到持力层足够深度。必要时，可在相邻两地质横断面中间进行补钻，进一步复核地质情况。若出现异常情况，则必须及时通知监理和咨询设计单位现场确认，并提出处理意见。 四、长螺旋成孔泵送混合料施工CFG桩质量监控要点1、铁路客专验标对长螺旋钻施工CFG桩质量要求1）施工前应进行成桩工艺性试验（不少于2根试验桩），以复核地质资料以及机械设备性能、施工工艺、施打顺序是否适宜，确定混合料配合比、塌落度、搅拌时间、拔管速度等各项工艺参数，根据试桩中发现的问题修订施工工艺。2）在工程施工前，所选用的设备型号应符合设计桩经、设计加固深度的要求。3）施工组织、施工工艺、施工作业指导书应有防止堵管、窜孔的措施。 4）现场施工的CFG桩数量、布置形式及间距应符合设计要求。桩长、桩顶标高及直径应符合设计要求。5）钻机应先慢后快。在成孔过程中，如发现钻杆摇晃或难钻时，应放慢进尺，否则容易导致桩孔偏斜、位移，甚至使钻杆、钻具损坏。 6）混合料应按设计配合比经搅拌机拌和，塌落度、拌和时间应按工艺性试验确定的参数进行控制，且不得少于一分钟；搅拌的混合料必须保证混合料圆柱体能顺利通过刚性管、高强柔性管、弯管和变径管而到达钻杆机芯管内。7）CFG桩成孔到设计标高后，停止钻进，开始泵送混合料。先拔管20cm30cm后开始泵送混合料，当钻杆芯充满混合料后开始拔管，严禁先提管后泵料。成桩时的拔管速度控制在2-3m/min。成桩过程应连续进行，防止缩径和断桩。 8）钻杆应采用静止提拔。施工中应严格按工艺性试验确定并经监理工程师批准的参数控制钻杆提拔速度和混凝土泵的泵送量。并保证连续提拔。施工中严禁出现超速提拔。为保证施工中混合料的顺利输送，施工中采用强制式搅拌机集中拌和。9）施工中应保证排气阀正常工作。施工中要求每班经常检查排气阀，防止排气阀被水泥浆堵塞。 10）桩机移机至下一桩位施工时，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。 2、铁路客专验标对CFG桩质量检验要求1）原材料检测水泥：按验标规定检测强度、安定性、凝结时间，抽样检测一组，监理单位见证检验。粗细骨料：按验标规定检验含泥量、颗粒级配，抽样检测一组，监理单位见证检验。2）施工质量检验所用的水泥和粗细骨料品种、规格及质量应符合设计要求；检验数量：同一产地、品种、规格、批号的水泥，每200t为一批，不足200t时也按一批计。同一产地、品种、规格且连续进场的粗、细骨料，分别每400m3为一批，当不足400m3时也按一批计。各种原材料每批抽样检验1组。检验方法：检查产品质量证明文件。在水泥库抽样检验水泥强度、安定性、凝结时间，在料场抽样检验粗细骨料含泥量、筛分试验颗粒级配。CFG桩混合料坍落度应按工艺性试验确定并经监理工程师批准的参数进行控制；检验数量：每台班抽样检验3次。检验方法：现场坍落度试验。CFG桩混合料强度应符合设计要求；检验数量：每台班做一组(3块)试块。检验方法：制作混合料试块，进行28天标准养护试件抗压强度检验。CFG桩的数量、布桩形式应符合设计；检验数量：全部检查。检验方法：计数。每根桩的投料量不得少于设计灌注量；检验数量：每根桩检验。检验方法：料斗现场计量或混凝土泵自动记录。CFG桩的有效长度应满足设计；检验数量：每根桩检验。检验方法：测量钻杆长度，并在施工中检查是否达到设计深度标志，施工后检查浮浆厚度，计算出桩的有效长度。CFG桩的桩身质量、完整性应满足设计要求；检验数量：施工单位按总桩数的20%检验，监理单位按检验桩数的20%见证检验。检验方法：低应变检测（小应变检测）。CFG桩处理后的复合地基承载力应满足设计要求；检验数量：总桩数的2，且每检验批不少于3根，监理单位见证检验，设计单位现场确认。检验方法：平板荷载试验。CFG桩的桩位、垂直度、有效直径的允许偏差应符合规范的规定。3）技术人员、旁站人员现场质量监控要点CFG桩质量控制的主要对象是：桩长；强度；桩底是否到持力层这三项指标，现场管理和监控要点如下：测量桩位前应对施工现场原始地面标高进行抄平测量，并用平地机平整碾压后放出各桩的准确位置，将线路纵坡、横坡考虑在内后，原地面标高控制在正负5cm以内。施工桩顶高程控制在高于设计垫层底标高30cm处（见桩顶标高控制图）。将施工区域进行划分，并将各桩进行编号，定机定人进行管理。布桩时，CFG桩的数量、布置形式及间距必须严格按设计要求。并遵循从中心向外推进施工，或从一边向另一边推进施工的原则。不宜从四周转向内推进施工。具体的施工方法和顺序由工程技术部确定。对进场施工的所有长螺旋钻机在开钻前应由施工技术人员对标尺、刻画进行复核，消除标识误差。尤其是钻机初始标识要指定专人进行复查，防止操作人员弄虚作假、骗取米数。使用反差大的反光贴条每0.5m进行标识，粘贴在钻机导向架上，利于夜间记录人员识别读数。指派责任心强、懂技术并经严格考核合格的员工对劳务队伍施工的CFG桩进行现场监控和记录。防止作业队伍偷工减料、暗中做手脚的现象发生。现场管理人员每根桩都要根据桩机上的垂球目测导向架垂直度，以保证桩身垂直度不大于1%，确保桩体的正常受力。长螺旋钻施工。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，启动马达钻进，一般先慢后快。在成孔过程中，如发现钻杆摇晃或难钻时，应放慢进尺，否则容易导致桩孔偏斜、位移，甚至使钻杆、钻具损坏。判断钻头是否到了持力层一般有两种方法：一是在桩机驾驶室观测电流的变化。钻机开始钻孔及软弱地层钻孔时，电流表指针在120130A，当钻头遇到持力层时，瞬间的电流将增大到160A以上，同时电压下降。此时，应判定钻头已达到持力层。二是在钻机旁直观观察。当钻头到达持力层时，钻杆上部的动力头发生颤动和轻微的摆动，钻机的动力明显减弱，此时，应判定钻头已达到持力层。CFG桩成桩过程由现场值班人员指挥，桩机操作手和地泵操作手密切配合，按照先泵料后拔管的原则，防止先拔管后泵料，防止CFG桩成吊脚桩。严格控制拔管速率。拔管速率太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩，而拔管速率过慢又会造成水泥浆分布不匀，桩顶浮浆过多，桩身强度不足和形成混和料离析现象，导致桩身强度不足。故施工时，应严格控制拔管速率。正常的拔管速率应控制在23mmin。整个施工过程中，应安排质检人员旁站监督，并作好施工原始记录。记录的内容主要有桩号、钻孔深度、瞬间电流值、孔深、拔管速度、单孔混合料灌入量、堵管及处理措施等。为控制提钻速度，应购置秒表配发到记录人员，钻孔时间、拔管速度、灌注混凝土时间应记录至秒。当天的记录每天必须及时填写并签字确认。提钻泵送过程中，旁站人员要经常敲打输送管，确认管内混合料是否充实，以保证桩体密实。拔管过程避免反插。在拔管过程中若出现反插，由于桩管垂直度的偏差，容易使土与桩体材料混合，导致桩身掺土影响桩身质量，施工中应避免反插。 桩顶砼停灰面根据导向架上标识由值班人员判断，控制在桩顶标高以上0.5m位置，以确保破桩头后的设计桩体长度。控制好混合料的坍落度。大量工程实践表明，混合料坍落度过大，会形成桩项浮浆过多，桩体强度也会降低。坍落度宜控制在180mm200mm（可根据运送混合料的距离进行调整）和易性好。当拔管速率为23mmin时，一般桩顶浮浆可控制在30cm50cm左右，成桩质量容易控制。桩身每方混合料掺加粉煤灰量控制在140kg180kg（根据各地粉煤灰的性能指标，具体粉煤灰掺入量试验后确定）。设置保护桩长。在泵送混合料时，比设计桩长多加0.5m的料。将沉管拔出后，用插入式振捣棒对桩顶混合料加振35s，提高桩顶混合料密实度，上部用土封项，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，避免新打桩振动导致已打桩受振动挤压，混合料上涌使桩径缩小。在截取桩头前应准确测量桩顶标高，并在纵横向挂线标示桩头水平位置。凿除桩头时严禁单边打眼凿桩头，防止桩头成斜面或破损，截取后的桩头面应是水平面。清理桩间土和截取桩头时，应采取相应的预防措施，防止造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。CFG桩施工中，每台班均须制作检验试件，进行28天强度检验，成桩28天后应及时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。冬季施工时混合料入孔温度不得低于5,对桩头和桩间土应采取保温措施。CFG桩施工属隐蔽工程，施工完毕后先进行自检，自检频率为10%。自检合格后报第三方进行复检，复检合格报监理工程师签认后方可进行下一道工序施工。(21) CFG桩成桩后,桩顶以上没有一米垫层情况下严禁大型机械进入施工区。 4）长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩施工质量问题和控制措施堵管。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，增加了再次堵管的几率,给施工带来很多困难。 产生堵管的原因有以下几点: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，坍落度应控制在180mm200mm之间。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。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。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。冬季施工时，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。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。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。发现窜孔的条件有如下三条:被加固土层中有松散饱和粉土、粉细砂;钻杆钻进过程中叶片剪切作用对土体产生扰动;土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: a.采取隔桩、隔排跳打方法; b.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； c.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； d.合理提高钻头钻进速度。桩头空芯。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。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。桩位偏位超标。这主要是因施工放样时没有留下明显的标志，钻孔施工时没有认真对位。钻孔前清理钻孔遗留的弃土，找到放样标志后一定认真对位开钻。扰动原位桩间土。这主要是因施工造成的原因而破坏了桩周围的原状土。防止措施，严格按设计土和规范施工，避免断桩，接桩、避免施工桩帽时过大开挖原状土。加强施工过程中的监测。在施工过程中，应加强监测，及时发现问题，以便针对性地采取有效措施，有效控制成桩质量，重点应做好以下几方面的监测： 施工场地标高观测。施工前要测量场地的标高，并注意测点应有足够的数量和代表性。打桩过程中则要随时测量地面是否发生降起。因为断桩常和地表隆起相联系。 已打桩桩顶标高的观测。施工过程中注意已打桩桩顶标高的变化，尤其要注意观测桩距最小部位的桩。因为在打新桩时，量测已打桩桩顶的上升量，可估算桩径缩小的数值，以判断是否产生缩径和窜孔。 对有怀疑桩的处理。对桩顶上升量较大或怀疑发生质量问题的桩应开挖查看，并做出必要的处理。 5）现场纪录要求及注意事项现场记录人员应严格遵守项目部组织纪律和劳动纪律，上班时间必须坚守工作岗位，严禁脱岗。现场记录人员应认真填写CFG桩施工原始记录表，并在施工现场真实填写表中的各项施工内容。施工范围应写明线路的具体里程和区域（区域是指由技术部门提前编制的）；施工单位应写明 X X作业队 X号钻机、钻机型号，并标明该区域的设计标高。桩号按工程部门编排的桩号填写。成孔时间和成桩时间按现场实际施工时间记录到秒。电流应记录钻头到持力层时瞬间的电流数据。CFG桩现场记录实行“双检制”。即项目部指派专人会同协作单位现场记录人员共同记录，实行每班核对，确认当班桩长，共同签认施工原始记录表，作为原始施工记录和劳务队伍验工计价的依据。当日记录的施工原始记录表应当天完善复核人、质检人、分项工程技术负责人的签字。各项记录必须真实、清晰、不得涂改表中记录的内容。五、.环、水保措施1）在机械施工过程中，要尽量减少噪音、废气、废水及尘埃等污染。以保障当地居民和施工人员的健康。2）对清理场地的表层腐植土，砍伐的荆棘等废料，要及时运到指定的地点进行废弃。在弃土场不具备条件时，可临时堆放在施工场地。3）清理输送管、输送泵和其他机械设备的废水、废油等有害物质以及生活污水，不得直接排放到河流、池塘或其他水域中，也不得倾卸在饮用水源附近的土地上，防止污染水源和土壤。4）施工前做好场地临时排水系统，确保排水通畅并保证遇雨水时不浸漫农田。 六、安全保证措施1）作好现场调查，开工前对地下管线详细调查。2）对人员进行安全教育，进入工地时，必须佩戴安全防护用品，所有施工人员必须听从指挥。3）施工现场设安全员，施工作业区设安全标志，防止无关人员进入施工现场。4）施工现场平整密实，确保施工顺利安全进行。5）严禁非作业人员进入施工场地。在吊车、桩机大臂半径范围以内，机械正在作业时，施工人员应远离。吊车要按其性能要求工作，不得超负荷工作，定期进行检查、维修和保养。驾驶室的挡风玻璃及回转大齿轮前应增设防护网（罩），施工中应经常对钻孔装置、吊车臂杆及索具进行检查，以便及时发现问题。6）施工用电使用380V三相五线制配电系统。电缆线路必须埋地或架空敷设，避免机械损伤和介质腐蚀。7）每台电力设备必须确保“一机一箱一漏一闸”。电箱、开关箱内的电箱内的电器设备必须完好，停用设备拉闸断电，锁好开关箱。8）泵压混合料时应有专人指挥泵压操作,防止因排气不畅和操作失误造成爆管形成伤害。思考题： 1 为何在京沪高速铁路软基处理中采用CFG桩处理技术？ 2 CFG桩的施工程序及要点？ 3 CFG桩试桩的必要性是什么？ 4 CFG桩质量控制要点？ 5 CFG桩质量验收要求？ 6 CFG桩质量问题及控制措施？