中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原 030032
摘要：本文介绍了兰新铁路甘青段高速铁路地质复杂条件下卵石CFG桩地基处理技术的试验控制方案。
关键词：兰新铁路；CFG桩；地基处理；试验检测；试验控制
1.前言
兰新铁路甘青段LXS-14标沿线符合设计要求的碎石料源严重匮乏，且运距远,符合要求的碎石料源在供货能力上远远不能达到数量和工期的要求。沿线砂卵石富集，沿线呈均匀分布，数量、质量上完全满足实际需求,合理加以利用，可以解决粗骨料的供应和工程工期问题。
沿线碎石与卵石的母材基本一致，在强度上无显著差别。碎石的优点与胶凝材料的粘结性好，卵石的特点是配制的混凝土流动性好，与胶凝材料的粘结性要弱于碎石。在使用碎石和卵石配置同样流动性和强度的混凝土时，卵石的用水量一般要小于碎石的用水量，为保证卵石混凝土强度的稳定性，一般胶凝材料的用量可稍多于碎石混凝土，这些手段都可以确保使用卵石配制出的混凝土与使用碎石配制的混凝土性能相当。
2.CFG桩特点
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩（Cement Flyash Gravel Pile）的简称，由碎石（卵石）、砂、粉煤灰掺加适量水泥加水拌合，用振动沉管打桩机或其他成桩机具制成的一种具有一定粘结强度的桩。CFG桩是近年来发展起来的处理软弱地基的一种新的深层密实方法，它缘于碎石桩，在碎石桩的雏形上发展形成的低强度混凝土桩，它改善了碎石桩的刚性，可以进一步提高地基承载力，其桩身具有一定的粘结性，可以在全长范围内受力，能充分发挥桩周摩阻力和端承力，桩土应力比一般为10～40，它对于提高复合地基承载力幅度较大，最显著的特点表现在沉降小、稳定快。CFG桩主要用于加固填土、饱和及非饱和粘性土、松散的砂土、粉土等。
3.原材料情况
混凝土各项原材料的技术性能指标直接影响混凝土拌合物的性能和混凝土的质量。
3.1水泥：
3.1.1酒钢宏达P.O42.5级普通硅酸盐水泥，28d抗折强度为8.3MPa，28d抗压强度为47.1MPa.
3.1.2甘肃祁连山P.O42.5级普通硅酸盐水泥，28d抗折强度为7.6MPa，28d抗压强度为52.7MPa，
3.2细骨料：
3.2.1玉门市清泉村砂场的河砂，其主要技术指标为：细度模数2.8，含泥量4.8%，泥块含量0.6，堆积密度1622 kg/m3。
3.2.2丰乐砂场的河砂，其主要技术指标为：细度模数2.9，含泥量2.2%，泥块含量0.3，堆积密度1504 kg/m3。
3.3粗骨料:
本试验所选用卵石和碎石的各项物理力学性能指标符合《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准》（TB10424-2010）规定。
3.4混凝土外加剂：
采用山西黄腾化工有限公司聚羧酸减水剂，其性能指标分别为：减水率：28.8﹪，含气量：2.8﹪压力泌水率比：77.2﹪。
3.5掺合料：
3.5.1采用张液电厂的Ⅱ级粉煤灰，其性能指标分别为：含水率：0.16﹪，烧失量：0.39﹪，细度：18.7﹪，需水比：95﹪。
3.6混凝土拌合用水:
采用玉门饮用水。
4.配合比选定
CFG桩混凝土配合比从设计和施工角度主要考虑混凝土的强度和CFG桩施工时混凝土的可泵性。强度主要考虑早期强度和标准养护强度，可泵性可通过压力泌水率、塌落度等指标来反映，现场工艺试验来检验。(见表1、表2、表3)
从配合比来看，卵石、碎石混凝土强度均满足设计要求。从初始坍落度、60min后坍落度、压力泌水率等指标来看，卵石混凝土与碎石混凝土的拌合物性能良好，无大的差别，满足使用要求。
5.CFG桩施工工艺
现场CFG桩成孔、灌注工艺试验中，对卵石混凝土和碎石混凝土在现场泵送时有无泌水、离析现象和单位桩身体积的混凝土投料量进行了试验。
5.1混合料搅拌：混合料搅拌按配合比进行配料。每盘料搅拌时间按照普通混凝土的搅拌时间进行控制，控制在120s，塌落度控制在160mm～180mm。具体搅拌时间由搅拌站集中控制室进行控制，并在电脑中有详细记录。
5.2灌注及拔管：钻孔至设计标高后，停止钻进，开始泵送混合料，钻杆内充满混合料后开始均匀提钻。每根CFG桩的灌注量应大于等于设计量。钻杆管充满混合料后开始拔管，混凝土泵送量应与拔管速度相配合，保持连续灌注，均匀提升，根据泵入混合料量控制提钻速度，施工桩顶面标高宜高出设计标高100cm，成桩完成后，应在桩顶覆土，对桩体顶予以保护。
在灌注混合料时，对于混合料的控制采用采集泵压次数的办法进行控制，同一种型号的输送泵每次输送量基本上是一个固定值，根据泵压次数和每次泵送量的积计量混合料的投料量。
灌注时采用静止提拔钻杆，在特殊情况下采用边转边提进行灌注，特殊条件下，拔管速度控制在1～2米/min。
5.3现场试验：对于每盘混合料，试验人员都要进行坍落度的检测，合格后方可进行混合料的灌注，在成桩过程中抽样做混合料试块，每台班做3组试块，测定其7天、14天、28天抗压强度。
6.施工操作要点：
6.1 搅拌水泥、粉煤灰、碎石混合料，每盘料搅拌时间不小于60s，检查其坍落度，控制在160～180mm。
6.2 要严格控制钻杆（孔）垂直度，并在现场两个不同方向架设仪器监测钻杆垂直度；
6.3 每台班测混凝土坍落度三次，每台班制作混凝土检查试件三组（检测7天、14天、28天抗压强度）。
6.4 向管内泵送混合料；当钻杆芯管充满砼后开始拔管，砼泵送量要与拔管速度相配合，混合料的泵送量确定的数量进行，拔管速率按试桩确定参数进行控制，边灌注边提钻，保持连续灌注，均匀提升，做到钻头始终埋入砼内1m左右。泵送时不得停泵待料。均匀拔管至桩顶；施工桩顶标高宜高于设计标高50cm。
6.5 CFG桩灌注完成后，不允许车辆进入已施工的部位，以免造成断桩；机械开挖表土时，要设专人指挥，避免大型设备碰撞桩体。
6.6截桩时采用电动平锯，人工配合，不得造成设计标高以下的桩体断裂和扰动桩间土；褥垫层宜采用小型打夯机或静压法进行压实。
7.试验检测方法及成果分析
7.1 CFG桩的桩身完整性检测
7.1.1检测桩身质量和完整性，判定桩身的缺陷及推定位置。采用美国PDI公司生产的PIT 基桩完整性检测仪进行低应变反射波法检测（瞬态激振时域频域分析法）。
7.1.2 CFG桩按工点总桩数10%的比例进行检测,具体桩号随机抽取或由现场监理确定，对施工中有疑问的桩必须检测。
7.1.3检测前的准备工作
7.1.3.1收集现场资料：包括工程地质、水文地质、桩的施工记录和设计资料等，以便测试参数的设置和检测结果的分析、评定。
7.1.3.2波速和强度试验：对有取芯的现场，最好对芯样做波速试验，以便获取工地的平均波速。
7.1.3.3被测桩头处理：清除浮渣，大致平整，对力棒敲击处和传感器安装的地方再磨平，并与桩轴线垂直。
7.1.3.4当检测条件满足要求（如：桩身强度至少达到设计强度的70%）后立即进场检测，选取最佳采集参数进行检测，记录下每根桩的实测曲线。
7.1.3.5判断桩身的完整性和缺陷位置时，要对每根桩的多条实测的时域波形和它的频域谱图分析，并结合桩周地质情况和该桩施工情况作综合判定。完整桩、缺陷桩都有自己各自的波形特征（详见TB10218-2008、JGJ1006-2003），根据这些特征，判定出桩身完整性。检测过程中发现质量问题（Ⅲ、Ⅳ类桩），处理结束后进行复测，以保证施工质量。对于设计有要求或对桩身质量有疑问的桩，采用钻芯法，以检测或验证桩长、桩身完整性、桩身强度和桩端持力层情况。（见表4CFG桩完整性检测成果一览表）
7.2 CFG桩静载试验检测
7.2.1采用单桩及复合地基静载荷试验法进行检测。采用徐州建筑工程研究所生产的JCQ－503A型全自动静力载荷测试仪。
7.2.2按每段软基处理施工桩总数的2‰(且不小于3根)进行单桩及复合地基承载力的静载试验，具体桩号随机抽取或由现场监理确定，对施工中有疑问的桩必须检测。
7.2.3加载等级按8～12级划分，最大加载压力不应小于设计要求压力值的2倍。每加一级荷载前后均应各读记承压板沉降量一次，以后每半个小时读记一次。当一小时内沉降量小于0.1mm时，即可加下一级荷载。当出现下列现象之一时可终止试验：
?沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起；
?承压板的累记沉降量已大于其宽度或直径的6%；
?当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍。
7.2.4根据现场实测的单桩及复合地基静载荷试验数据结果，绘制静载荷试验曲线图，确定复合地基承载力值并对所检工地的复合地基承载力进行评价。
8.CFG桩常见质量缺陷及控制
8.1导管堵塞
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。控制措施：
8.1.1保证粗骨料的粒径、混凝土的配比和塌落度符合要求。在CFG桩施工中,混合料由混凝土泵通过钢管输送管、柔性塑料管、最后通过调整弯头到达钻杆芯管内。坍落度过大的混合料,会产生泌水、离析，泵压输送作用下,骨料与胶材分离，摩擦阻力加大，最终导致堵管，增加施工困难。坍落度太小,混合料在输送管道内流动性差,也容易造成堵管。
8.1.2输送混合料管路避免长距离和弯折次数，每次拆卸导管都必须清洗干净，否则管路内有混合料凝结，增加输送阻力，造成输送管的堵塞。设备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。
8.1.3加强施工管理，保证前后台配合紧密，及时发现和解决问题。钻孔深度达到设计标高后，开始灌注混合料，管道内空气从阀门排出，当混合料到达管体底部时提钻。若提钻时间过晚，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。
8.2断桩，夹层
提钻太快泵送混合料与提钻速度不符或者是临近桩太近均会形成断桩核夹层。控制措施：
8.2.1保持混合料泵送的连续性，可以采取大功率的输送泵，增加运输车辆等措施。
8.2.2严格控制提钻提速，确保中心钻杆内有0.1 m3 以上的混凝土，如泵送过程中因其他原因造成停滞时间长于混合料的初凝时间时，应重新钻孔灌注。
8.3桩身混合料强度不足
CFG桩受泵送混合料技术要求，塌落度一般要保持16--20cm，必须要求和易性良好。混合料中有粉煤灰掺量较大，粉煤灰的化学反应缓慢，这就决定混合料早期强度低，而且碎石料粒径小，如果对用水量的控制不严谨就容易造成混合料强度低。控制措施： 优化粗骨料级配，确定合格砂率；合理选择外加剂。尽量用保坍型减水剂；粉煤灰的选用要经过配比试验以确定掺量。
8.4桩身砼收缩
桩身回缩是普遍现象，一般通过外加剂和超灌予以解决，施工中保证充盈系数>1。控制措施：桩顶至少超灌0.5m，并防止孔口土混入； 选择减水效果好的减水剂。
9. CFG桩施工中的几个注意事项：
9.1因甘肃省甘青段CFG桩施工正值夏季高温季节，气候干燥，混凝土水分散失快，坍落度损失大，可考虑使用保坍剂。
9.2 CFG桩采用卵石混合料，因卵石表面光滑，刚搅拌完成后，与水泥粘结性差，表面可看到自由水，易泌水离析，可考虑用20%的石粉代替砂。
9.3因气温高，在运输过程中罐车漏斗口可用塑料布覆盖，防止水分散失。
9.4在泵送现场，输送管的铁管部分可用石棉网包裹，并浇水降温，防止太阳暴晒发生堵管。
9.5 CFG桩在灌注前，必须清洗输送管，特别是弯头、接口、变径等部位，易留存前一次泵送的剩余料，应先拆开清洗。
9.6 在灌注前，先用同配合比的砂浆润管。
9.7在CFG桩施工中，一定要组织好罐车调度，严谨罐车在某一灌注点停留等待时间超过1小时。
9.8在浇筑前，罐车可先加速转动1分钟，防止混合料在等待过程中和易性变差，确保混合料搅拌均匀，出料时反转出料。
9.9要做好技术交底和操作人员培训工作。
10.结束语：
无论是碎石还是卵石CFG桩地基承载力、静载试验均满足设计要求，其施工设备简洁，施工过程无泥浆污染，更加适合高标准铁路、公路和房屋建筑的地基加固。施工时要严格按照程序组织施工，确保施工过程统一调度，统一管理，保持良好的施工程序。
作者简介：
李永甲，性别：男，1982年出生于内蒙赤峰，2007年毕业于重庆交通大学材料与科学专业，现就职于中铁十二局集团第二工程有限公司计量试验中心。
论文作者:李永甲
论文发表刊物:《防护工程》2017年第31期
论文发表时间:2018/3/14
标签：混凝土论文; 碎石论文; 卵石论文; 强度论文; 钻杆论文; 标高论文; 骨料论文; 《防护工程》2017年第31期论文;