振动沉管cfg桩加固深厚软土地层施工工法

'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（CementFly-ashGravelPile）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、工艺原理第10页共10页 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）混合料搅拌第10页共10页 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第10页共10页 1施工准备平整场地14混合料投料翻斗车司机3测量放样2投料32混合料搅拌搅拌机司机15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13沉管、拔管机械手2电工1桩机辅助人员2其他辅助人员54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16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。第10页共10页 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≤0.40D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）施打顺序第10页共10页 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2CFG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，混合料上涌使桩第10页共10页 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～1.5m/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）低应变检测第10页共10页 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×1750cm600kN107.97100.37单桩2#桩φ50cm×1750cm500kN100.4898.25单桩3#桩φ50cm×2700cm750kN107.38105.21单桩4#桩φ50cm×1750cm247kPa100.9796.78复合地基5#桩φ50cm×2700cm370kPa101.1494.08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。第10页共10页 （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第10页共10页 ，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。第10页共10页'