CFG樁在石武客運專線路基工程地基處理中的應(yīng)用

楊維威

(中鐵十九局集團有限公司,遼寧遼陽 111000)

1 工程概況

新建石家莊至武漢鐵路客運專線(河南段)SWZQ-2標段DK590+281.78～DK593+259.55、DK597+844.26～DK600+908.4路基工程地基處理采用CFG樁加固。CFG樁共138萬m,設(shè)計直徑為50cm,單樁設(shè)計承載力不小于500～650kN。樁頂設(shè)置50～80cm厚級配碎石褥墊層。設(shè)計樁長12～20m,過渡段,應(yīng)力擴散角以內(nèi)正方形布置,間距1.5m,應(yīng)力擴散角以外長方形布置,縱向間距1.5m,橫向間距1.6～1.8m;非橋頭過渡段,應(yīng)力擴散角以內(nèi)正方形布置,間距1.5(1.6)m,以外長方形布置,縱向間距1.5(1.6)m,橫向間距1.8 m;車站站臺區(qū)縱向樁間距1.5m,橫向分為兩部分,站臺內(nèi)邊緣斜向下按1∶1應(yīng)力擴散區(qū)域,樁間距1.5m布置;兩側(cè)與之相鄰區(qū)域為1.8m。

2 工藝性成樁試驗

試驗地點選在DK599+400～DK599+425(樁間距1.5m)線路右側(cè),路基坡腳線外側(cè),紅線征地界內(nèi)側(cè),該處下臥地質(zhì)情況為黏土,軟塑～硬塑。通過CFG樁試驗完成設(shè)備選型、確定施工工藝和施工順序,確定混合料配合比、坍落度、攪拌時間、鉆機拔管速度等各項工藝性參數(shù)[1],并形成具有指導(dǎo)性意義的工法,以指導(dǎo)本試驗段以后CFG樁的施工。

2.1 試驗方案

本次試樁采用長螺旋鉆進法施工,試樁數(shù)量為3根,試樁樁號:248-1,248-2,248-3。

樁間距按設(shè)計要求布置,間距為1.5m(表1)。

表1 CFG樁樁位情況

(1)試樁現(xiàn)場做到“三通一平”

①水:施工用水采取挖機井的方式解決,線路征地界兩側(cè)挖排水溝,以滿足路基排水需要。

②電:采用地方網(wǎng)電和自發(fā)電相結(jié)合的方式。

③路:本著節(jié)約用地,保護環(huán)境的原則合理選擇施工便道,跨越溝渠處搭設(shè)施工便橋,以滿足車輛通行需要。

④場地平整:滿足CFG樁機施工和材料運輸、機械進出的需要。

(2)材料要求

混合料各種原材料必須滿足規(guī)范標準和設(shè)計要求,通過檢測選用的原材料分別為:水泥為新鄉(xiāng)平原同力水泥股份有限公司生產(chǎn)的同力牌P.O42.5水泥,砂為輝縣滿天星生產(chǎn)的機制中砂,碎石為輝縣青青采石場5～25mm碎石,粉煤灰為濟源沁北五龍環(huán)保電廠的Ⅱ級粉煤灰,外加劑為浙江五龍化工公司的ZWLA-IX型高效減水劑。CFG樁樁身混合料28d齡期標準立方體抗壓強度不小于20MPa;坍落度要求:泵送混合料控制在160～200mm。泵送混合料配合比為:水泥∶河砂∶碎石∶粉煤灰∶外加劑∶水=1∶4.71∶6.24∶1∶0.014∶1.02,攪拌時間按普通混凝土要求進行控制,且不少于60s。

(3)主要機具

DDJ-32型長螺旋鉆機1臺(主要參數(shù):鉆孔直徑500mm、最大成孔深度22m,動力頭功率45kW×2)、混合料輸送泵1臺、250kW發(fā)電機1臺,混合料振搗棒2臺、三級電箱2個、混凝土運輸車3臺。

(4)施工工藝

成樁施工采用長螺旋成孔芯管內(nèi)泵壓混合料成樁[2]。對于芯管內(nèi)泵送混合料施工時,單樁混合料控制以記錄輸送泵的泵送次數(shù)來推算單根樁的灌注量。

2.2 試驗過程

(1)施工放樣

按施工圖放出路基橫斷面,然后根據(jù)“CFG樁樁位平面布置圖”用經(jīng)緯儀、鋼尺放出每個樁孔位,并撒白灰插釬子標記,誤差控制在現(xiàn)行標準要求以內(nèi)。

(2)鉆機就位

施工機具進行試拼、組裝。穩(wěn)定好鉆機,立鉆架并調(diào)整安設(shè)好起吊系統(tǒng)。調(diào)平鉆機,使鉆機鉆桿垂直,垂直度偏差不大于1%,鉆機鉆頭中心和樁孔中心重合。

(3)鉆進成孔

①樁機上每米設(shè)有明顯的反光標志,以確定進尺深度。標記的刻度要經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理認可,夜間施工要有照明設(shè)施,保證刻度標志清晰可見。

②鉆機調(diào)整好后開始旋轉(zhuǎn)擠入鉆進,鉆進時要注意控制鉆進速度,并做好過程記錄。施工前,先做地質(zhì)探測孔以復(fù)核地質(zhì)資料,并記錄地質(zhì)變化時電流的變化,以便施工時作為判斷地質(zhì)情況的參考。施工順序以沿路基方向成排順序施工。

③鉆進時遇電流有明顯變化時記錄下鉆進電流和鉆進深度,繼續(xù)加大鉆進電流,向下鉆進達到設(shè)計要求深度。

(4)混凝土灌注

①按照試驗室確定的配合比進行粉煤灰混凝土拌制,拌和過程中嚴格控制攪拌時間,拌和時間不小于60s?？刂瓢韬陀盟?混合料坍落度應(yīng)控制在16～20cm,混合料坍落度不宜過大,否則形成樁頂浮漿過多,樁體強度也會降低;混合料坍落度過小,泵送性能較差?？偨Y(jié)出粉煤灰混凝土最佳施工用水量,并做2組試塊,檢驗樁身粉煤灰混凝土強度,驗證施工配合比。

②成孔至設(shè)計高程后,停止鉆進,開始泵送混合料,當鉆桿芯管內(nèi)充滿混合料后開始拔管,壓灌混合料時一次提鉆高度小于25cm,采用靜止提拔,提拔速度控制在2～3m/min。嚴禁先提管后泵料。

③灌注結(jié)束后,用插入式振搗棒對樁頂混合料加振3～5s,提高樁頂混合料密實度。上部用土封項,保證樁頂不出現(xiàn)干縮裂紋。

2.3 成樁質(zhì)量檢測

(1)樁身完整性檢測

CFG樁樁身完整性采用低應(yīng)變動力試驗檢測,檢測工作由中南大學工程檢測研究所基樁檢測站承擔,經(jīng)檢測3根樁均為I類樁。

(2)CFG樁混合料強度

①現(xiàn)場制作混合料標準立方體試件8組,進行28 d標準養(yǎng)護后,進行試件抗壓強度檢驗。經(jīng)試塊抗壓強度檢驗,平均抗壓強度為29.7MPa,全部合格。

②按照《鐵路工程結(jié)構(gòu)混凝土強度檢測規(guī)程》(TB10426—2004)[4]規(guī)定,分別對248-1樁和248-3樁進行了鉆芯取樣,芯樣試件每孔取3組,芯樣直徑為100mm,芯樣試件的高度與直徑之比為1∶1。經(jīng)試驗室檢測248-1樁上部結(jié)構(gòu)混合料強度推定值為23.7、24.4MPa,中部結(jié)構(gòu)混合料強度推定值為28.6、29.2MPa,下部結(jié)構(gòu)混合料強度推定值為29.2、27.4 MPa,全部合格;248-3樁上部結(jié)構(gòu)混合料強度推定值為27.9、23.0MPa,中部結(jié)構(gòu)混合料強度推定值為25.8、26.6MPa,下部結(jié)構(gòu)混合料強度推定值為29.0、29.4MPa,全部合格。

2.4 試樁結(jié)論

(1)加強工程地質(zhì)復(fù)核。在施工前先在規(guī)劃好的斷面位置進行地質(zhì)復(fù)核,并進行詳細記錄繪制成地質(zhì)縱斷面圖,作為施工參考;或在一定區(qū)域范圍內(nèi)第一個孔進行地質(zhì)復(fù)核,作為本區(qū)域CFG樁施工的依據(jù)。在鉆進時,記錄每米電流變化并記錄電流突變位置的電流值,作為地質(zhì)復(fù)核情況的參考。

(2)確定了施工設(shè)備和施工工藝。使用長螺旋鉆機成孔及芯管泵送混合料灌注的施工方法,成樁速度快、質(zhì)量比較好[3],適合本試驗段施工。在試樁期間也曾試用過多種設(shè)備,如振動沉管因地層較硬只能打到地表以下2～3m,很難達到設(shè)計深度;捶擊沉管雖然成孔質(zhì)量較好、效率高,但對鄰樁影響較大,故均未采用。

(3)確定了混合料原材料和配合比?；旌狭系母鞣N材料技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求,采用試驗配合比的抗壓強度滿足設(shè)計要求。

(4)確定了相關(guān)參數(shù)。采用該工裝時,泵送混合料配合比的坍落度控制在16～18cm,混合料攪拌時間控制在60～120s,拔管速度控制在2.2m/min,施打順序按成排順序施工,成樁后不允許機械擾動。

3 路基CFG樁施工

在DK597+844.26～DK600+908.4段路基施工中采用長螺旋鉆進成孔芯管內(nèi)泵送混合料成樁的施工方法,在施工中加強泵送混合料成樁的施工控制,以提高CFG樁的成樁質(zhì)量;加強各工序間的施工配合,以提高成樁的速度;在施工中不斷積累相關(guān)數(shù)據(jù),為以后施工提供參考經(jīng)驗。

(1)長螺旋施工工藝流程[4]

原地面處理→測量放線→鉆機就位→鉆孔至設(shè)計高程→停鉆→泵送混合料→混合料灌滿后按規(guī)定速度邊泵送邊提拔鉆桿至地表→移位施打下一根。

①鉆機就位:鉆機就位后,應(yīng)使鉆桿垂直對準樁位中心,確保CFG樁垂直度容許偏差不大于1%。采用在鉆架上掛垂球的方法,在鉆架上刻上明顯的對照位置線,每根樁施工前都有專門的人員進行樁位對中及垂直度檢查,滿足要求后,方可開鉆。

②混合料攪拌:混合料攪拌按配合比進行配料。每盤料攪拌時間按照普通混凝土的攪拌時間進行控制,控制在60～120s,坍落度控制在16～18cm。具體攪拌時間由攪拌站集中控制室進行控制,并在電腦中有詳細記錄。

③鉆進成孔:鉆孔開始時,關(guān)閉鉆頭閥門,向下移動鉆桿至鉆頭觸及地面時,啟動馬達鉆進。先慢后快,同時檢查鉆孔的偏差并及時糾正。在成孔過程中,發(fā)現(xiàn)鉆桿搖晃或難鉆時,放慢進尺,防止樁孔偏斜、位移及鉆桿、鉆具損壞。根據(jù)鉆機塔身上的進尺標記,成孔到達設(shè)計高程時,停止鉆進。

④灌注及拔管:鉆孔至設(shè)計高程后,停止鉆進,開始灌注混合料,每根樁的投料量應(yīng)不少于設(shè)計灌注量。鉆桿芯管充滿混合料后開始拔管,施工樁頂高程宜高出設(shè)計高程50cm,灌注成樁完成后,樁頂蓋土封頂予以保護。

在灌注混合料時,對于混合料的控制采用記錄泵壓次數(shù)的辦法,對于同一種型號的輸送泵每次輸送量基本上是一個固定值,根據(jù)泵壓次數(shù)來計量混合料的投料量。

灌注時采用靜止提拔鉆桿,在特殊情況下采用邊轉(zhuǎn)邊提進行灌注,如圓礫層等情況下,拔管速度控制在2～3m/min[5]。

⑤移機:上一根樁施工完畢,鉆機頭進行保護,移位,進行下一根樁的施工。

⑥現(xiàn)場試驗:對于每盤混合料,試驗人員都要進行坍落度的檢測,合格后方可進行混合料的投料,在成樁過程中抽樣做混合料試塊,每臺班做1組試塊,測定其28d抗壓強度。

(2)施工工效

該段路基CFG樁施工時間為2009年12月1日～2010年5月1日,其中凈工作時間為130d。使用該型號長螺旋鉆機芯管內(nèi)泵送混合料的施工方法,單機成樁工效約450m/d(24h),且不受地下水的影響、,安全環(huán)保,適合各種軟土地層。成型CFG樁見圖1。

(3)施工質(zhì)量控制要點

圖1 成型CFG樁

①應(yīng)選用技術(shù)先進、性能穩(wěn)定的施工設(shè)備[6]。針對新鄉(xiāng)段的地質(zhì)條件,長螺旋鉆機具有工效高、成孔質(zhì)量易控制等優(yōu)點,應(yīng)優(yōu)先選用。

②混合料灌注時鉆桿提拔速率和輸送泵的泵送量要密切配合,鉆桿靜止提拔,并保證連續(xù)提拔,施工中嚴禁出現(xiàn)超速提拔及先提管后泵料。灌注過程中芯管插入混合料的最小深度宜按25cm控制。

③確保樁長達到設(shè)計要求。設(shè)計要求CFG樁必須穿透軟弱土層至硬底,對于第四系地層一般應(yīng)嵌入砂類土或硬塑黏性土≮2m,對于下伏基巖段應(yīng)嵌入全風化層≮1m。

④混合料的各種材料技術(shù)指標必須滿足規(guī)范要求,其抗壓強度必須滿足設(shè)計要求。需要特別注意的是當采用機制砂作為施工配料時需采用以下規(guī)范標準:《鐵路混凝土與砌體工程施工規(guī)范》(TB10210—2001 J118—2001)[7]、《鐵路混凝土與砌體工程施工質(zhì)量驗收暫行標準》(TB10424—2003,J283—2004)[8];當采用泵送劑時注意與減水劑的相容性。

⑤做好地質(zhì)情況的復(fù)核工作。對有代表性的地點在施鉆過程中適時提鉆,以確認地層分布情況是否和地質(zhì)資料一致,特別是鉆進達到設(shè)計深度時要確認樁尖土是否已經(jīng)達到持力層足夠深度[9]。必要時,可在相鄰兩地質(zhì)橫斷面中間進行補鉆,以進一步復(fù)核地質(zhì)情況。若出現(xiàn)異常情況,則必須及時通知監(jiān)理和設(shè)計單位到現(xiàn)場確認,并提出處理意見。

⑥做好季節(jié)性施工的施工預(yù)案。

(4)檢測內(nèi)容

按設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求的頻率嚴格進行檢測,同時現(xiàn)場配合監(jiān)理單位的平行檢驗(試驗)及第三方檢測單位的檢測工作。

①混合料28d齡期標準立方體試件抗壓強度≮20MPa。

②成樁28d后采用低應(yīng)變檢測 CFG樁樁身完整性。

③CFG樁按復(fù)合地基設(shè)計時,處理后的復(fù)合地基承載力、變形模量應(yīng)滿足設(shè)計要求;按柱樁設(shè)計時,處理后的單樁承載力應(yīng)滿足設(shè)計要求[10]。

④CFG樁檢測試驗結(jié)果應(yīng)及時上報相關(guān)單位,便于分析。

圖2為單樁檢測,圖3為低應(yīng)變檢測。

圖2 單樁檢測

圖3 低應(yīng)變檢測

(4)施工控制注意事項

①做好施工放樣的樁位保護工作,并做好施工前復(fù)核,確保施工放樣準確。

②嚴格按照設(shè)計深度施工,不允許私自調(diào)整樁長。

③嚴格控制混合料拌和時間和坍落度。大量工程實踐表明,混合料坍落度過大,會形成樁頂浮漿過多,樁體強度也會降低。坍落度控制在16～20cm,和易性好,當拔管速率適當時,一般樁頂浮漿可控制在10 cm左右,成樁質(zhì)量容易控制[11]。

④嚴格控制拔管速度。拔管速率太快可能導(dǎo)致樁徑偏小或縮頸斷樁,而拔管速率過慢又會造成水泥漿分布不勻,樁頂浮漿過多,樁身強度不足和形成混合料離析現(xiàn)象,導(dǎo)致樁身強度不足[12]。故施工時,應(yīng)嚴格控制拔管速率。正常的拔管速率應(yīng)控制在2～3 m/min。

⑤設(shè)置保護樁長。試樁在加料時,應(yīng)比設(shè)計樁長多加0.5m的填充料,用插入式振搗棒對樁頂混合料加振3～5s,提高樁頂混合料密實度。

⑥上部用土封項,增大混合料表面的高度即增加了自重壓力,可提高混合料抵抗周圍土擠壓的能力,避免新打樁振動導(dǎo)致已打樁受振動擠壓,混合料上涌使樁徑縮小。

(5)安全控制

施工現(xiàn)場標準化管理,進入現(xiàn)場必須戴安全帽,不允許穿拖鞋、打赤膀等;用電執(zhí)行一機、一閘、一漏電保護、接零、接地;實行三相五線制等;特種人員必須持證上崗等嚴格按照施工現(xiàn)場安全管理規(guī)定進行管理[13]。做到安全第一,防患于未然。

(6)環(huán)境保護措施

①貫徹執(zhí)行國家及地區(qū)的環(huán)境保護的有關(guān)政策、法規(guī),對全體施工人員進行環(huán)境保護知識,法規(guī)宣傳教育,做好環(huán)境保護工作和文明施工[14～15]。

②控制施工污染,減少污水、空氣粉塵及噪聲污染,施工廢渣、廢棄雜物應(yīng)制定地點堆放,統(tǒng)一處理。

4 結(jié)語

石武鐵路客運專線通過全面推廣與應(yīng)用CFG樁對松軟路基進行加固處理,不但大大降低了施工成本,而且將全線路基工程的工期提前近1個月完成。隨著近年我國高速鐵路及地產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,CFG樁這種新型松軟路基樁體,將會憑借其高強度的復(fù)合地基承載力、經(jīng)濟快速的成樁率、安全環(huán)保等施工特點得到更為廣泛的應(yīng)用。

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