振动沉管cfg桩加固深厚软土地层施工工法(原创).doc

振动沉管CFG桩加固深厚软土地层施工工法

XX集团第三工程有限公司
一、前言
CFG桩（Cement Fly-ash Gravel Pile）是水泥粉煤灰碎石桩的简称，是近年来新开发的一种软土地基加固处理技术，通过调整水泥掺量及配比，可使桩体强度等级在C5～C25之间变化，其受力特性介于碎石桩和混凝土桩之间。桩长可以从几米到二十多米，并可全桩长发挥桩的侧阻力。CFG桩可用于独立基础、条形基础、筏基和箱形基础等，应用范围已涉及公路、铁路、房建、机场等。由于开发时间较短，目前在设计计算理论和工程施工经验方面尚不成熟。
2003年由XX集团第三工程有限公司（原XX三公司）承建的XX高速铁路路基试验段（铁道部2002年《高速铁路软土地基沉降控制试验研究》科研项目），通过振动沉管CFG桩在软土路基段的施工与研究总结，熟练掌握了采用振动沉管成桩机快速成桩的CFG桩加固深厚软土地层的施工工艺及施工质量控制要点，并在施工中逐步形成此工法。
二、工法特点
1、CFG桩施工属于非排土挤密成桩；
2、具有施工操作简便、施工速度快、施工费用低、对桩间土挤密效应显著等优点；
3、采用振动沉管CFG桩施工工艺施工的CFG桩复合地基可以提高地基承载力、减少地基变形以及消除地基液化。
三、适用范围
主要适用于粉性土、粉土、淤泥质土、人工填土及松散砂土等地质条件，尤其适用于松散的粉土、粉细砂的加固。
四、工艺原理

CFG桩是在碎石桩基础上添加一些粉煤灰、少量水泥和石屑或砂，按一定配比加水拌和制成的一种具有一定粘结强度的桩，通过调整水泥掺量，可使桩体强度在C5～C25之间变化，桩体粗骨料为碎石；石屑或砂为中等粒径骨料，可使混合料级配良好；粉煤灰具有细骨料及低标号水泥的作用。CFG桩和桩间土一起，通过褥垫层和夹在褥垫层中间的一层双向土工格栅一起形成CFG桩桩网复合地基。
五、施工工艺流程及操作要点
　振动沉管CFG桩施工工艺流程见图1。

图1 沉管CFG桩施工工艺流程
施工操作要点：
（1）桩机就位
CFG桩施工时，桩机就位后，根据设计桩长、沉管入土深度确定机架高度和沉管长度，并进行设备组装。
（2）混合料搅拌
混合料搅拌要求按配合比进行配料，计量要求准确，上料顺序为：先装碎石，再加水泥、粉煤灰，最后加石屑或砂，使水泥、粉煤灰合夹在碎石和石屑或砂之间，不易飞扬和粘附在筒壁上，也易于搅拌均匀。每盘料搅拌时间不应小于60s。混合料塌落度控制在3～5cm。
（3）沉管成孔
①向下移动沉管至管头触及桩位（或钢筋混凝土桩尖）中心，用桩机塔身的前后和左右的垂直标杆检查塔身导杆，校正位置，使沉管垂直对准桩位（或钢筋混凝土桩尖）中心，确保CFG桩垂直度容许偏差不大于1%。
②启动马达沉管。一般应先慢后快，这样既能减少沉管摇晃，又容易检查桩孔的偏差，以便及时纠正。
③沉管过程中做好记录，每沉管1m记录电流表上的电流一次。并对土层变化处予以说明。在沉管过程中，如发现沉管摇晃或难钻时，应放慢进尺，否则容易导致桩孔偏斜、位移，甚至使桩头、沉管等破坏。沉管到预定标高，停机。
（4）灌注及拔管
灌注：CFG桩成孔到设计标高，停机后立即向管内投料，直到混合料与进料口齐平。灌注过程宜连续进行，应避免因后台供料慢而导致灌注中断。施工中每根桩的投料量不得少于设计灌注量。成桩后浮浆厚度以不超过20cm为宜。
拔管：启动马达，留振5～10s，开始拔管，拔管速率一般为1.2～1.5m/min（拔管速度为线速度，不是平均速度），如遇淤泥或淤泥质土，拔管速率还应放慢。拔管过程中不允许反插。如上料不足，须在拔管过程中空中投料，以保证成桩后桩顶标高达到设计要求。成桩后桩顶标高应考虑计入保护桩长。沉管拔出地面，确认成桩符合设计要求后，用粒状材料或湿粘性土封顶。然后移机进行下一根桩的施工。
施工过程中，抽样作混合料试块，一般一个台班作一组（3块），试块尺寸为15cm×15cm×15cm，并测定28天抗压强度。
（5）移机
当上一根桩施工完毕后，桩机移位，进行下一根桩的施工。
六、劳动组织
每班作业劳动力组织见表1。
每班作业劳动力组织表 表1
序号
工作项目
作业内容
人数

序号
工作项目
作业内容
人数
1
施工准备
平整场地
1

4
混合料投料
翻斗车司机
3

测量放样
2

投料
3
2
混合料搅拌
搅拌机司机
1

5
其他
班长
1

碎石
4

技术负责人
1

粉煤灰
2

试验员
1

水泥
1

安全员
1

石屑（或砂）
2

质检员
1
3
沉管、拔管
机械手
2

电工
1

桩机辅助人员
2

其他辅助人员
5
4
成孔
成孔检查
1

合 计

35
注：搅拌机司机、机械手、翻斗车司机、试验员、安全员、质检员、电工属于特殊工种，须持证上岗。
七、材料与设备
　　单个工作面施工所需机具、设备配备见表2。
单个工作面所需机具、材料、设备配备表 表2
序号
作业项目
机具设备名称
规格型号
单位
数量
备注
1
成 桩
振动沉管成桩机
DZ90KS
台
1
配悬挂式桩架
2
混合料搅拌
混凝土搅拌机
JZC350
台
1
混合料拌制

手推车

辆
6
原材料运输
3
混合料运输
翻斗车
JS-1J
台
3
混合料运输
4

发电机
150kw/h
台
1
备用
5
混合料试验
抗压试模
15×15×15cm
个
6
试验用

坍落度测定仪

个
1
6
量测与测量
全站仪
拓普康301
台
1
方向控制

经纬仪
J2
台
1

水准仪
C40
台
1
标高控制

塔尺

个
1
八、质量控制
1、 CFG桩施工中应遵守的质量标准：
（1）《质量管理体系标准》（GB/T19001-2000）；
（2）《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）；
（3）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）；
（4）XX市工程建设规范《地基处理技术规范》（DGJ08-40-94）、《地基基础设计规范》（DGJ08-11-1999）、《钻孔灌注桩动力测试技术规程》（DGJ08-218-96）等。
2、CFG桩施工质量验收要求：
（1）水泥、粉煤灰及碎石等原材料符合设计要求。
（2）施工中检查桩身混合料的配合比、坍落度和提拔沉管速度、成孔深度、混合料灌入量等复合设计和规范要求。
（3）施工结束后，对桩顶标高、桩位、桩体质量、地基承载力以及褥垫层的质量作了详细的检查，达到预期效果。
（4）水泥粉煤灰碎石桩复合地基的质量检验标准符合表3规定：
CFG桩复合地基质量检验标准 表3
项
目
序
号
检查项目
允许偏差或允许值
检查方法
单位
数值
主
控
项
目
1
原材料
设计要求
查产品合格证书或抽样送检
2
桩径
mm
-20
用钢尺量或计算填料量
3
桩身强度
设计要求
查28天试块强度
4
地基承载力
设计要求
按规定的办法
一
般
项
目
1
桩身完整性
按桩基检测技术规范
按桩基检测技术规范
2
桩位偏差
满堂布桩≤040D
用钢尺量，D位桩径
3
桩垂直度
%
≤1.5
用经纬仪测桩管
4
桩长
mm
+100
测桩管长度或垂球测孔深
5
褥垫层夯填度
≤0.9
用钢尺量
注： 1、夯填度指夯实后的褥垫层厚度与虚体厚度的比值。
2、桩径允许偏差负值是指个别断面。
3、CFG桩施工质量控制要点
（1）施工前的工艺试验
施工前的工艺试验，主要是通过试桩，考察设计的施打顺序和桩距能否保证桩身质量。工艺试验结合工程桩施工进行，并需作如下两种观测：
①新打桩对未结硬的已打桩的影响。在已打桩桩顶表面埋设标杆，在施打新桩时量测已打桩桩顶的上升量，以估算桩径缩小的数值，待已打桩结硬后，开挖检查其桩身质量并量测桩径。
②新打桩对结硬的已打桩的影响。在已打桩尚未结硬时，将标杆埋置在桩顶部的混合料中，待桩体结硬后，观测打新桩时已打桩桩顶的位移情况。
试桩实际灌注混合料数量稍大于设计理论值，说明工艺成熟，向上位移不大，从后期基桩检测接过来看，向上的位移不超过1cm，断桩的可能性也很小。
（2）施打顺序

在设计桩的施打顺序时，主要考虑新打桩对已打桩的影响。施打顺序大体可分为两种类型，一是连续施打，如图2（a）所示，从1号桩开始，依次2号、3号……，连续打下去；二是间隔跳打，可以隔一根桩，也可隔多个桩打。如图2 图2 CFG桩施打顺序示意图
（b）所示，先打1、3、5……，后打2、4、6……。
CFG桩的施打顺序的确定，要结合桩位地质条件、桩径、桩长、桩间距及桩的布置形式，根据有关规范并借鉴其它大量工程实践经验等来综合考虑。
（3）拔管速率
理论和实践证明，拔管速率太快将造成桩径偏小或缩径断桩；拔管速度太慢，成桩后桩顶浮将较多。因此根据有关规范和其它工程实践经验，拔管速率控制为1.2～1.5m/min的。应该指出，这里说的拔管速率不是平均速度。除启动后留振5～10s之外，拔管过程中不再留振，也不得反插。如果振动沉管机拔管速率较快，可以通过增加卷扬系统中的滑轮数量来改变拔管速度。也可通过电动机—变速向系统来实现。
（4）混合料坍落度
工程实践表明，混合料坍落度过大，桩顶浮浆过多，桩体强度也会降低。坍落度控制在3～5cm，和易性很好，当拔管速率为1.2m～1.5m/min 时，一般桩顶浮浆可控制在15～20cm左右，成桩质量容易保证。
（5）保护桩长
所谓保护桩长是指成桩时预先设定加长的一段桩长，基础施工时将其凿掉。保护桩长是基于以下几个因素而设置的：
①成桩时桩顶不可能正好与设计标高完全一致，一般要高处桩顶设计标高一段桩长。
②桩顶一段由于混合料自重压力较小或由于浮浆的影响，靠桩顶一段桩体强度较差。
③已打桩尚未结硬时，施打新桩可能导致已打桩受振动挤压，混合料上涌使桩
径缩小。如果已打桩混合料表面低于地表较多，则桩径被挤小的可能性更大，增加混合料的表面高度即增加了自重压力，可使抵抗周围土挤压的能力提高，特别是基础埋深很大时，空孔太长，桩径很难保证。
综上所述，保护桩长必须设置，保护桩长取30cm～50cm。
（6）桩体强度控制
桩机卷扬系统提升沉管线速度太快时，为控制平均速度，一般采用提升一段距离，停下留振一段时间，非留振时，速度太快可能导致缩径断桩。拔管太慢或留振时间过长，都会使得桩的端部桩体水泥含量较少，桩顶浮浆过多，而且混合料也容易产生离析，造成桩身强度不均匀。因此，施工中，严格按拔管速率为1.2m～15m/min控制，并且除启动后留振5～10s之外，拔管过程中不再留振，也不得反插。确保桩体混合料强度均匀。
（7）严防桩料与土的混合
如果在试桩时，发现采用活瓣桩靴（成桩机自带）成桩，出现的问题是桩靴开口打开的宽度不够，混合料下落不充分，造成桩端与土接触不密实或桩端一段桩径较小。而且，桩径变形。为此，在试桩之后，就要采用预制的钢筋混凝土桩尖。另外，从理论上讲，若采用反插的办法，由于反插时桩管垂直度很难保证，容易使土与桩体材料混合，导致桩身掺土等缺陷。因此，整个施工过程中要严格监控，不能有一例反插的现象发生。
（8）加强施工监测
信息施工能及时发现施工过程中的问题，可以使施工管理人员有根据的进行决策，对保证施工质量是至关重要的。
施工过程中，特别是施工初期应做如下的一些观测：
①施工场地标高观测。施工前要测量场地的标高，注意测点应有足够的数量和代表性。打桩过程中随时测量地面是否发生隆起，因为断桩常常和地表隆起有关系。
②桩顶标高的观测。施工过程中要注意已打桩桩顶标高的变化，特别要注意观测桩距最小部位的桩。
③对桩顶上升量较大的桩或怀疑发生质量事故的桩要开挖查看。
4、CFG桩施工质量检测结果
（1）低应变检测
主要根据时域波形，比较入射波与反射波达到时刻及其振幅、相位、频率等特征，进行计算、判断。抽检的44根桩占施工414根CFG桩的10.6%，其中
Ⅰ类桩完好桩）有26根，占抽检桩总数的59.1%；
Ⅱ类桩(有轻微缺陷，但不影响原设计桩身结构强度的特性)有17根，占抽检桩总数的38.6%；
Ⅲ类桩（有明显缺陷，但应采用其他方法进一步确认可用性的桩）有1根，占抽检桩总数的2.3%；
Ⅳ类桩（有严重缺陷或断桩）0根，占抽检桩总数的0%。
（2） 静载测试
测试结果见表4。
静载荷试验结果 表4
试验点
CFG桩规格
最大加荷量
最大沉降量
(mm)
残余沉降量(mm)
备注
1#桩
φ50cm×1750cm
600kN
107.97

100.37
单桩
2#桩
φ50cm×1750cm
500kN
100.48
98.25
单桩
3#桩
φ50cm×2700cm
750kN
107.38
105.21
单桩
4#桩
φ50cm×1750cm
247kPa
100.97
96.78
复合地基
5#桩
φ50cm×2700cm
370kPa
101.14
94.08
复合地基

九、安全、环保及节能事项
1、安全事项
（1）安全员和特种作业人员必须经过专业培训并取得证书，方准上岗作业。
（2）必须加强全员的安全意识教育。
（3）施工中如发现不安全因素时，应暂停施工以便采取适应性强的工序安排。
（4）加强对车辆及人员管理，遵守交通管理规范，坚持文明施工。加强施工用电的管理，防止漏电伤人。
（5）、加强机械、设备保养维修，消除事故隐患，确保机械性能完善。
2、环保及节能要求
（1）认真贯彻执行《环境管理体系 规范及使用指南》（GB/T24001-2000）；
（2）成立环境保护与节能领导小组，配备一定量的环保设施和技术人员，认真
学习环保与节能知识，共同搞好环保与节能工作。
（3）采用各种有效措施，对容易引起环境污染和浪费资源、能源的各种渠道严格控制。
① 施工废水、生活污水按有关要求进行处理，不得直接排入农田、河流和渠道。
② 对施工现场进行洒水湿润，减少扬尘。
③ 对施工用水、电、油等建立健全节约使用规章制度和奖罚措施。
④ 由于振动沉管施工的机器噪声较大，一般在夜间和居民居住区不安排CFG桩的施工。如果要安排施工，就必须安装消音设备后才能施工。
⑤ 加强机械、设备保养维修，确保随时可用，避免资源浪费。
（4）继承和发扬优良传统，开展多种便民、爱民和倡导环保与节能活动，搞好与驻地政府、群众之间的关系并充分发挥各种资源、能源的潜能。
十、效益分析
CFG桩具有一定的粘结强度，是居于刚性和柔性之间的一种桩。桩材以碎石为主，加入石屑可使碎石的不均匀系数增大，级配良好，填加粉煤灰和少量水泥后，这种材料类似低标号混凝土，增加了桩体的后期强度，其强度界于素混凝土和碎石桩之间，另外，桩网复合结构可合理地分担桩土应力比，提高整个地基的承载能力，完全能够满足设计要求，而且可以消除地基土液化的可能性。目前，CFG桩加固软土地基技术已在全国20多个省、市广泛推广应用，据不完全统计，该技术已在1000多个工程中应用。与桩基相比，由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力。工程造价一般为桩基的1/3～1/2，经济效益和社会效益显著。
十一、应用实例
由XX三公司（原XX三公司）代表XX参加的《高速铁路软土路基沉降控制试验研究》为铁道部2002年科技发展计划项目（合同编号：2002G001，合同类别：B）。此项目由铁道部第四勘察设计院主持，XX大学、XX交通大学、XX集团有限公司共同承担进行科研攻关。位于XX大学XX汽车工程学院内的高速铁路软土路基试验段设计总长度90米（K0+000～K0+090），其中K0+040～K0+090段地基设计采用CFG桩加固，总长50m。K0+040～K0+060设计为悬浮桩，桩长17.5m；K0+060～K0+090
设计为穿透软土层桩，桩长27.0m。桩直径500mm，桩间距2.0m，呈正方形布置。桩顶铺设0.3m厚碎石垫层，垫层内铺设一层双向土工格栅。要求CFG桩28天无侧限抗压强度不小于5MPa。
此试验段自2003年3月1日正式施工，2003年10月30竣工，2003年11月起进行路基沉降观测、测试试验、基床动载试验等，至2005年5月，CFG桩及其加固的软土路基沉降观测结果表明：振动沉管CFG桩的施工工艺及方法取得了较大的成功。同时，《高速铁路软土地基沉降控制试验研究》科技项目顺利通过铁道部科技鉴定，并荣获XX集团公司科技进步一等奖，《降低CFG桩施工缩径出现率》荣获2004年全国工程建设优秀QC成果奖。振动沉管CFG桩施工工法的成功应用得到了进一步的印证。