中铁二十局集团第一工程有限公司 江苏 苏州 215153
摘要:结合具体工程实例，详细介绍了CFG桩施工工艺，对灌注及拔管、清土处理进行了重要阐述，提出了施工质量控制要点，指出采用CFG桩加固地基效率高、工期短、复合地基承载力高、造价低、值得推广。
关键词:公路、地基处理、CFG桩、施工工艺
1.引言
CFG 桩(水泥粉煤灰碎石桩的简称)复合地基成套技术，已列为建设部重点推广技术和国家科委重点推广研究成果，已在全国多个省市应用。本文通过分析地基与地基处理方法，及CFG桩在地基处理中的应用并浅析影响其造价的因素从而说明CFG桩复合地基的优点，描述其施工工艺，进一步反映其提高地基承载力，控制沉降方面的作用，由此说明CFG桩在建筑工程中的应用价值和普遍。
2.工程简介
京石二通道8标位于房山区石楼镇、韩村河镇，起点桩号为K19+450，桩号为K23+060.145，紧靠居民区，线路全长为3.61Km（路基全长2.52km、桥梁全长1.09km），此段由于粉质黏土、粉土分布广泛分布，工程性质相对较差。在该段线路中由于其特殊地质状况及北京7.21暴雨的影响，为确保桥头部分路基的施工质量，桥头路基均需要进行地基加固，在地基处理的施工方法中宜选用强夯地基处理施工，但考虑到强夯特有的施工特点——噪声大，影响周边村民的日常生活，故改为复合地基——CFG桩地基处理施工方案。
3.CFG复合地基的应用
3.1CFG桩复合地基概况
CFG桩复合地基由CFG桩、桩间土和褥垫层一起形成复合地基。需要指出的是，褥垫层是复合地基的重要组成部分，是高粘结强度桩形成复合地基的必要条件。
3.1.1褥垫层的意义
按照传统的CFG桩复合地基理论，褥垫层是其重要组成部分，复合地基许多特性都与褥垫层有关。这里所说的褥垫层不是基础施工经常做的10cm厚的素混凝土垫层，而是由粒状材料组成的散体垫层。
3.1.2设置褥垫层的必要性
CFG桩复合地基有无褥垫层，其区别主要是桩间土的承载力发挥的过程不同。当设置褥垫层时，当设置褥垫层时，桩间土一开始就承担了较大比例的荷载，在正常使用状态下，上部荷载主要由桩和桩间土共同承担；而不设褥垫层时，荷载一开始主要由桩来承担，桩间土基本不承担或承担很少。在正常使用状态下，上部荷载主要由桩来承担。当复合地基承载力达到极限时，无论是其承载力的大小以及桩、土的荷载分担比都是相同的，故可取消褥垫层。
3.1.3 CFG桩复合地基的优点
（1）适用性广，承载力提高幅度大。CFG桩复合地基技术适用于非饱和及饱和的粉土、粘性土、填土、砂土、淤泥质土等地质条件，处理后，复合地基的承载力与原地基承载力相比，可提高2-5倍。
（2）施工简便，工期短。CFG桩施工方法一般为长螺旋钻成孔泵送混凝土法，施工时，没有钢筋笼制作等工序，成孔成桩一次完成减少了成桩时间，加快了施工速度。
（3）保护环境。CFG桩施工时，不需泥浆护壁，没有泥浆外运，既节约了资金，又无环境污染，对市内施工，非常适合。
3.1.4 CFG桩复合地基的优势
（1）承载力提高幅度大、可调性强。CFG桩桩体可以从几米到20多米，并且可全桩长发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总荷载的百分比可在40%-75%之间变化，使得复合地基承载了提高幅度大并具有很大的可调性。当地基承载力较高是，荷载又不大，可将桩长设计得短一点，荷载大时，桩长可设计得长一点。特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一般难以满足设计要求，CFG桩复合地基则比较容易实现。
（2）适应范围广。对基础形式而言，CFG桩既可以适用于条形基础、独立基础，也可以用于筏板基础和箱型基础。
就土性而言，CFG桩可用于饱和、非饱和粘性土，既可以用于挤密效果好的土，又可用于挤密效果差的土。
（3）桩体的排水作用明显。CFG桩在饱和粉土和沙土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生超孔隙水压力④。较好透水层上面还有透水性较差的土层时，刚刚施工完得CFG桩将是一个良好的排水通道，孔隙水将沿着桩体向上排出，知道CFG桩体结硬为止。
（4）复合地基变形小。复合地基模量大、建筑物沉降量小事CFG桩复合地基重要特点之一，大量工程实践表明，建筑物沉降量一般可控制在2-4厘米。对于上部和中间有软土层的地基，用CFG桩加固，桩端放在下面好的土层上，可以获得模量很高的复合地基，建筑物的沉降都不大。
4.CFG复合地基施工
4.1CFG桩施工设备
在此，以长螺旋钻管泵压CFG桩为例，此施工工艺是由长螺旋钻机、混凝土泵和强制式混凝土搅拌机组成的完整体系，在现代施工中，步履式长螺旋钻机及商品混凝土比较普遍。
长螺旋钻机是施工工艺中的核心部分，目前长螺旋钻机根据其成孔深度分为12、16、18、24米和30米等机型，施工前应根据设计桩长确定施工所采用的设备。
其次，进行商品混凝土浇筑时如需采用接泵的，需配备泵管。
4.2施工前准备
4.2.1施工材料
CFG桩原材料包括砂、石、水泥、粉煤灰和外加剂，在进场前需确定原材料的种类、品质，并将原材料送至相关部门进行检测。由于现阶段建筑施工多使用商品混凝土，所以需将商品混凝土样品及时送检。
4.2.2施工现场
在降水方面，CFG桩施工要求地下水应降至基底标高0.5-1.0米，确定降水深度时还应考虑集水坑的深度。
在基坑开挖方面，其开挖深度应根据基底设计标高和保护土层厚度确定。当保护土层厚度为50厘米、褥垫层厚度为15厘米时，开挖标高为素混凝土垫层底标高以上35厘米，以此类推。其开挖范围考虑到目前国产长螺旋钻机情况，基底开挖平面尺寸以建筑物的底板边缘为基准向四周均扩出1.0米。
5施工工艺
5.1施工流程（图1）
5.2施工放样
根据布桩图，计算出四角边桩桩位中心坐标，用全站仪进行施工放样，然后用大钢尺放出其它CFG桩位。为保证放出的CFG桩桩位不丢失，先用钢钎打点，然后在钢钎打出的点位灌白灰，插上有红色标志的筷子。
5.3钻机就位
CFG桩钻机就位后，钻机就位采用液压支腿和滑道共同来完成。CFG桩桩位允许偏差为纵横向各2cm，所以钻机就位前要用钢尺进行桩位复核，以确保桩位正确。钻机就位后，应用钻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%。
5.4钻机成孔
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。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、位移及钻杆、钻具损坏。长螺旋钻机匀速钻进，根据以往施工经验，正常钻速为2m／min左右，同时根据钻塔上标记控制钻进深度，并根据电流变化情况控制进入硬层，达到设计深度后停钻。
当钻头进入硬层时，钻头摇晃相对较大，同时钻机设备的电流值达到145A左右。该种情况下持续钻进100cm以上并达到设计底标高，可以认为达到设计要求。
5.5灌注及拔管
灌注前试验人员对拌和料进行坍落度检查，成孔至设计深度后，现场指挥员应通知钻机停钻提升钻杆30cm，使钻头滑瓣打开，并同时通知司泵开始灌注砼并保持连续灌注。灌注砼至桩顶时，应适当超过桩顶设计标高不小于50cm，以保证桩顶标高和桩顶砼质量均符合设计要求。司钻和泵工密切配合，根据泵入混合料量控制提钻速度，保证钻头矛尖始终埋在混合料中1m左右，以防断桩。混合料达不到桩头设计标高时，应及时处理，将泵管插入混合料下面50cm处补料，并振捣密实。灌注砼之前，应检查管路是否顺畅稳固；每班第1根桩灌注前，应用水泥砂浆湿润管路。泵压灌砼时一次提钻高度小于25cm，混凝土埋钻高度大于1.0m；现场设专人负责检查砼灌注质量及意外情况的处理：混凝土进场后应立即灌注(2小时内)，严禁长时间搁置；保证桩身混凝土至少24小时养护，避免扰动；施工过程中应认真填写施工记录，每台班制作混合料试块，进行28d标准养护试件抗压强度检测。
图1 长螺旋钻管内泵压CFG桩工艺流程图
当桩身混凝土强度达到设计值80%后进行复合地基竖向静载试验，试验数量为总桩数的0.5%，并不少于3点；任选总桩数10%的桩进行低应变动力试验。
单桩混合料灌注量控制：
⑴根据钻机每次钻进的实际桩长，确定每根桩的混合料理论灌注量。
⑵根据每根桩的混合料理论灌注量，确定实际需要灌注该根CFG桩所需要泵送混合料的次数（40cm桩径泵压次数暂按5次/m）。实际灌注混合料时应比理论次数多2～3次。
⑶计数方法：当CFG桩成孔至设计标高后，停止钻进，通知司泵人员开始泵送混合料，同时进行统计实际泵压次数。
⑷芯管内混合料控制：在CFG桩停止钻进开始泵送混合料时，在芯管内充满混合料后开始拔管。芯管内的混合料数量可根据芯管的直径进行理论计算，根据理论计算数值进行芯管内混合料的控制，以控制提钻时间，并保证边提钻边灌注混合料。
5.6移机
当上一根桩施工完毕后，钻机移位，进行下一根桩的施工。施工采用间隔跳打的方式进行，相邻桩施工时间间隔大于7天。施工时由于CFG桩的土较多，经常将临近的桩位覆盖，有时还会因钻机支撑时支撑脚压在桩位旁使原标定的桩位发生移动。因此，下一根桩施工时，还应根据轴线或周围桩的位置对需施工的桩位进行复核，保证桩位准确。
5.7弃土清运
CFG 桩施工完毕，待桩体达到一定强度，一般七天左右，方可进行开槽清土。清土包括CFG桩钻孔土清运和保护土层清运两部分，对于CFG桩桩较长且处理面积较大的楼座，由于人工清运效率低，可采用机械和人工联合清运。采用挖掘机清土时，须严格控制标高，防止挖断工程桩和扰动桩工作面以下保护土层，禁止在打桩工作面上行走，挖掘机清理玩大片弃土后，人工将桩身保护桩长大部分挖除，或使其与桩身断开，一般留下30厘米的保护桩长，打桩弃土清运完毕后，其下50厘米保护土层采用人工挖除。
5.8桩头处理
弃土工作完毕后，需将桩顶设计标高以上桩头截断，首先找出桩顶标高位置，在同一水平面按同一角度对称放置2个或4个钢钎，用大锤同时击打，将桩头截断，最好采用截桩机截桩，其次，桩头截断后，用钢钎、手锤等将桩顶从四周向中间修平至桩顶设计标高，允许偏差为0-±20厘米。
5.9CFG桩施工常见问题处理
（1）堵管。堵管是长螺旋钻管内泵压CFG桩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，增加劳动强度，造成材料浪费，若故障排除不畅时，使已搅拌的CFG桩混合料失水或结硬，增加再辞堵管几率，给施工带来很多困难。
若因混合料配合比不合理，和易性不好而发生堵管，需注意细骨料和粉煤灰两种材料的掺入量，特别是注意粉煤灰掺入量宜控制在60-80千克/立方米。
若因混合料搅拌质量有缺陷，需确保混合料能顺利通过刚性管、高强柔性管、弯管和变径管到达钻杆芯管内，同时控制好混合料坍落度，宜控制在16-20厘米。
若因设备缺陷而导致堵管，需保证管件连接顺畅，确保弯管与高强柔性管等连接紧密，保证垫圈无破损。
此外施工人员操作不当也会导致堵管现象发生。
（2）窜孔。在饱和细砂层、粉砂层中施工常遇窜孔现象。在一般情况下，完成一根桩所需时间为30-40分钟，完成1号桩后，在2号桩钻进成孔过程中，1号桩混合料尚未凝固而流向2号桩钻孔中，所以发现已完成的1号桩突然下落，有时甚至达两米以上，当2号桩泵入混合料时，泵送压力加大，迫使2号桩的混合料又流向1号桩恢复到原设计标高。这种现象叫窜孔。
因此可采取大桩距的设计方案，增大桩距的目的在于减少新打桩机器的剪切扰动，避免不良影响。改进钻头，提高钻进速度。减少打桩推进排数，如将一次打好几排改为2排或1排，尽快离开已打成的桩，减少对已打桩扰动能量的积累。必要时采用隔桩、隔排跳打方案，但跳打要求及时清除成桩时排出的弃土，否则会影响施工进度。
（3）断桩。桩基施工完毕，发现桩身裂缝的所在部位，应分析原因，得出自身问题是在施工时，由于提钻速度较快，空气未全部释放出来，致使桩身产生断面裂缝，另外是混合料的搅拌时间不够，和易性差，出现蜂窝麻面桩。外部原因是土建施工时机械挖基坑平整土方时，被挖掘机和铲车碰断。
解决方案是,浅部断桩,对断桩单独进行处理,剔除上部断桩,用与桩身相同的混合料按桩径设计标高补桩。如果是外部原因土建单位用机械施工,造成大范围的浅部断桩,应与设计单位、监理单位、建设单位共同制定方案。一般情况下,在原定检测方案的基础上,选择几根断桩进行单桩复合地基静载荷试验,对比完整性桩和断桩试验结果,确定断桩是否能够使用,如果确定复合地基承载力和变形能满足设计要求,可不进行处理,如不符合要求，需进行设计方案论证。但在CFG桩施工时,要特别注意浅部的施工质量,在开挖基坑时,在桩顶标高以上1m处,一定采用人工开挖,以免碰断桩身,保证CFG桩的完整性和质量。
桩头断桩后进行接桩，当桩顶高程低于施工图标识高程时，如开槽或剔除桩头必须进行补桩，可采用比桩体强度高一等级的豆石混凝土接桩至施工图标识桩顶标高，注意在接桩过程中保护好桩间土。
6影响CFG桩的造价因素
在施工准备阶段，钻机选型要充分考虑施工场地情况。避免钻机体积过于庞大而现场场地狭小，上下基坑和钻孔移位时行动困难，从而延误工期。其次，需合理安排钻孔行走路线，合理布置配套设备。防止漏桩和减少不必要的管线敷设，从而节约成本。在清运弃土方面，钻出的土方要及时清运出基坑。余土如果不及时清运，不仅会影响到钻机的位移，还会影响到钻孔的定位精度，造成桩位偏移，严重的要补桩使成本加大。
在施工过程中，提钻、泵送压灌混凝土是整个CFG桩施工最重要的环节。从材料上讲，混凝土的坍落度要适宜。坍落度过小会堵管，影响施工进度、浪费混凝土，造成成本加大；坍落度过大，成桩后干缩过大，桩体塌陷。如遇到含水量较大的土层，还会造成瓶颈桩、断桩等质量事故。其次是提钻速度和泵送混凝土速度。相关资料中规定提钻速度小于等于2.5米/分钟,多为1.2—1.5米/分钟，此速度是在一般土层中的提升速度，若在含水量较高的砂层中应适当放慢，防止因流砂造成塌孔断桩的现象。实际施工时除了要注意提钻速度外，还要注意配合泵送混凝土速度，严格控制混凝土的压灌量，防止混凝土超灌量过大，造成材料的浪费。
7结束语
道路工程中遇到的复杂地质情况使基础工程越来越重要，其工程造价占整个工程总投资的比例也越来越大，深基坑支护、地下连续墙等工艺先后被采用。现在广泛应用的钻孔灌注桩、振动沉管灌注桩等固有的缺陷十分突出，主要表现在施工速度慢，场地污染严重，成桩质量难以保证，材料浪费大，容易出现各种弊病，而CFG桩表现出较大的优势，桩体材料价格低，施工方便，节省投资，是一种较为理想的地基处理技术，具有显著的经济效益和广阔的推广前景，在后续施工发展中，定能书写新的篇章。
论文作者:赵罡颉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/7/2
标签：地基论文; 钻机论文; 标高论文; 褥垫论文; 混凝土论文; 土层论文; 桩头论文; 《防护工程》2018年第4期论文;