CFG 桩施工控制及工艺性试验研究

2023-12-04周磊

中国设备工程 2023年22期

周磊

（中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江哈尔滨 150000）

1 前言

试桩是为了确认建筑施工机械设备、施工工艺和方式以及建筑施工次序，并确认水泥的坍落度和含水率。此外，还需要规定混凝土搅拌持续时间和拔管速度，以防止断桩等问题的发生。CFG 桩的检查分为单桩静载试验、低应变检测和综合地基承载力测试。

许多学者已经对CFG 桩进行了深入的研究，李智杰总结了双向水泥搅拌桩、钉形桩及管桩等桩型在该地区的可行性和可靠性，并且分析了高压旋喷桩和CFG 桩无法成桩的原因，提出了布袋注浆桩作为替代方案。则对CFG 桩复合地基的承载力进行了理论计算，并与实际试验进行了比较分析。研究发现，CFG 桩对桩间土没有显著的挤密作用；曾召田、吕海波等人对CFG 桩的设计、施工和检测技术进行了深入分析，证明了采用CFG 桩复合地基的可行性，为类似工程提供了宝贵的参考经验。可行性和可靠性，分析了高压旋喷桩和CFG 桩不能成桩的原因，提出了布袋注浆桩来替代高压旋喷桩的处理措施；马永峰、张志豪等，曾召田、吕海波等，王旭、张延杰等探讨了两种复合地基的承载特性，试验研究成果对饱和黄土地基处理提供了借鉴和经验。张泰安、王军琪通过对CFG 单桩及单桩复合地基的实验研究，结合静载测试和分析，张泰安和王军琪提出了一种有效的静载试验方法，以鉴定CFG 单桩及单桩复合地基的强度。

“防患于未然，先行先试”是一种基本原则，通过对试桩工程施工的各项指标进行综合评估，可以验证施工技术方法的科学性和适用性。实验结果可以为后续施工提供参考，帮助我们更好地完成工作。

2 工程概况

伊翠公路特大桥全长528.35m，桥梁均呈直线布置，构成了一条完整的交通网络。桩基础桩径为1.0m 合计140 根，3088m；桩基为C30 混凝土共计2535.26m3，钢筋共计107.42t。按照设计和规范的要求，我们进行了工艺性试桩。CFG 桩总长138812m，桩径0.5m，桩间距2.0m，呈长方形布局，平均桩长4 ～10mm。试桩号分别为试桩10、试桩11、试桩12、试桩13、试桩14、试桩15、试桩16、试桩17、试桩18，设计桩长为5m，设计单桩承载力280KN。在这些桩中，低应变检测桩的编号分别为10、12、14 和18；而单桩承载试验桩的编号则分别为10、14 和12，试桩布置图如图1 所示，试验现场如图2 所示。

图1 试桩布置图（单位：m）

图2 试验现场

3 CFG 桩复合地基工艺试桩方案

3.1 施工流程

（1）准备工作。在开始试桩施工之前，应当对建筑施工场地实行彻底的清理，清除多余的物品，并严格按照规范要求使场地保持平整。同时，还要检查一下供电、线路等工作情况；按照建筑施工前放置的建筑桩位，将钎子伸入地底，使用白灰标记，桩位误差不得超过10cm；此外，还要确认长螺杆钻机为履带型走行钻机，可以自动就位。在钻机安装完毕后，必须保证它的平整度和稳固性，以避免在建筑施工时出现倾倒或移动情况。为了保证钻杆的水平程度，应在钻架上挂上垂球，并使用前后左右的直角标准检测塔身导杆，以校准钻杆的高度，使其与桩位中央保持直角。为了保证钻孔深度的正确性，应在桩架上安装一个标准，便于在现场开展观察和记载。此外，在钻塔前安装一个400A 的交流电流表，便于依据不同的地质条件实时监测电流变化，试验现场如图2 所示。

（2）混凝土制备。参照实验室规定的施工配合比完成混合料拌和，通过计算机监控和打印机录入，每盘料拌和时限严格控制在120s 以内，塌落度也要参照实验室配合比规定的各种数据加以限制，坍落度一般在160 ～200mm。在钻机起步时，应先关掉钻头闸门，然后上下移动钻杆至钻头触地时，再启动电机钻入，先慢后快，以确保浇筑质量。在每个钻机到位前，应当通过自动调整操作系统校核导向架的垂直，以确保桩身的稳定性。如果出现钻杆摇晃或难以钻入，应当减慢钻机转速，以避免桩孔倾斜、定位，并避免钻具损伤。此外，还应当依照钻机塔上面的进尺标志，在成孔到达工程设计高度时，立即停车钻入。在钻入流程中，应当确保注浆软管的安装牢固，避免出现折角，以免发生堵爆管事故。为了更好地掌握钻入流程中的电流变化情况，应当记下每米电压值，并采集每米及其设计断层面土样，以便开展地质条件检查。通常，钻进速度应掌握在1.2 ～1.5m/min。

（3）灌筑成桩。在钻井至工程设计高度后，终止钻进，开启泵送混杂料灌注，当钻杆芯管装满混杂料后，采取静止提升钻杆，控制提升灌注速率在2.5 ～3m/min，浇筑时桩顶标准应超过工程设计标准50cm，并在桩顶下方2.5m 区域内实行震动捣固，以确保浇筑质量。做好桩的灌注后，应当对桩顶实行土封，以确保其良好的保护。

3.2 试验方法

（1）低应变检测。在桩头截取完成后，使用低应力反射波法对桩身加以测量，以保证其整体性和混凝土强度，并使用钢卷尺检验桩径是否满足要求。反射波法是一种垂直激振技术，它根据分析桩身不同部位的反光波传播时间、幅值、波形特征和频率等信息内容，来确定桩身的反光情况。

（2）桩身混凝土钻芯取样检测。当需要进行低应变检测时，可以使用全长钻芯法。在桩身的上、中、下三个部分取样，并至少取三个试样进行混凝土抗压测试，以评估桩身的强度、密实度和垂直度。

（3）静载荷试验。利用压重平台装置和预制块作为反力控制系统，液压油泵和千斤顶将负荷增加到桩顶，并施以竖向式压强，随后，负载逐级加在桩顶上，由荷重传感器检测荷载，并在计算机上实时显示桩顶所受负荷的多少。经过手动补载和判稳，流量控制器可以有效地控制油泵，使加载和补载过程变得平稳。当桩身发生变形沉降时，电子位移传感器将会对桩头作出对称分布，以便及时记录各种负荷影响下桩顶的下沉量。电子位移传感器利用磁力表座安装在两根1200 型槽钢制成的基准梁上，两端固定在基准桩上，距离试桩中心保持5m的距离。为了更好地完成测试，我们将负载分为两个级别：增加和卸载。每级加载量为实际试验最大荷载的十倍，第一级负荷为二倍。卸载则按照级别执行，每级卸载量为装载时的两倍。

（4）变形观测。在每一层负荷增加后，应每隔5分钟、10 分钟和15 分钟进行测读，1 小时后，每30 分钟再次测读，直至到达相对稳定的标准，方可增加下一层负荷。卸载时，每一层压力持续一星期，分别在第15、30、60分钟进行测读，卸载至0 后，维持3 个星期。

3.3 预防断桩

在CFG 桩施工中，我们采用长螺旋钻机进行开挖。当钻机安装完毕后，开动电机，将螺旋钻杆钻入地底。在下料流程中，我们使用线锤检测钻杆的垂直，并记下钻机工作流程中的电压值。当钻至工程设计高度时，我们开启泵压搅拌料，并在搅拌料下到孔底后均匀提钻。为了确保钻头矛尖永远埋在搅拌料中，并防止断桩，需要按照泵入搅拌料量调节提钻频率。如果发现搅拌料问题，请按下联动开关按键，以便及时停机提钻。拔管频率过快或许会引起桩径偏小或缩颈断桩，而拔管频率过慢则会引起水泥料分配不匀，桩顶浮浆较多，从而使桩体硬度不够，甚至出现混和料离析现象。在施工进程中，应严控拔管速度，一般情况下，拔管速度应保持在2.5～3m/min。

4 CFG 桩试验结果

4.1 桩身完整性检测

通过低响应反射波法检查CFG 试桩，可以准确地评估桩身的整体性。桩头遭受纵向激振时，应力波会沿着桩身方向流传，并在桩身缺口部份及桩底产生反映，从而可以准确地测量出反射波的走时、相位、频谱等参数，并利用多种数据处理方法，如频谱分析、传递函数分析等，对桩身质量做出综合数据分析，以确保桩身的稳定性。经过低响应反射波法测试，4 根CFG 试桩的时域信号特征显示：2L/c 时间前没有任何缺口反射波，而桩底反射波则存在，其相邻频差△f ≈c/2L，表明桩身稳定性良好。

4.2 复合地基承载力检测

根据《铁道施工地基处理技术法规》（TB10106-2010）附录C，C.0.12 条规范，检测的三点，当增加至设计强度的二倍时，p-s 曲线均表现出平缓圆滑的特点，而且按照相应变化值（s=0.008d=16mm）设定的强度也超过了最高加载压强的一半，因此，单桩复合地基的允许强度可以取400kPa 的一半，以确保其安全性和可靠性。200kPa 是一个极高的电压。结果得出，本次检测的3 点CFG 试桩单桩复合地基容许承载力均满足设计要求。

4.3 基桩承载力检测

对3 根CFG 试桩进行了复合地基单桩载荷试验，以检验其单桩竖向抗压容许承载力是否满足设计要求。根据《铁道施工地基处理技术法规》(TB10106-2010)附录B，B.0.10 条的规定，在检测过程中，3 根桩均未出现异常状况，Q ～s 曲线平缓圆滑，如图3 所示，因为桩顶最高下沉小于40mm，所以，我们将测试最高加载压力设定为单桩竖向耐压极限承载力，其中一半作为单桩轴线耐压允许承受能力，即280kN，CFG 试桩的单桩轴线耐压允许承受能力均达到了设计要求。

图3 10#桩Q-s 曲线

4.4 参数评价

通过工艺试验，跨伊翠公路特大桥9#墩-1#桩基获得主要试验参数，护筒埋设采用内径1.4m，壁厚6mm，长度3m 钢护筒。使用高强度钢制的导管，内径达300mm，每节长度为3m，并配有1.5m 长、1m 短的管道，由粗丝扣和法兰螺栓相连，插头处使用橡皮圈封口，以确保防水效果。使用前泌水试验，无漏水现象发生。首封混凝土采用储砼量2m³的大料斗，满足导管埋深1m 的要求。在水泥浇注流程中，管道的埋深被控制在2 ～6m，使得整体浇注流程变得顺利而高效。这些主要试验数据以及其他获得成果指标能够指导现场冲击钻机成孔工艺的施工，该项工艺试验成果可以推广，可用于后续冲击钻机进行本标段其他地质情况类似的桩基钻孔桩施工。