CFG桩在高速公路软土地基处理中的应用实践

2024-01-23郝孟楠沈佳阳吴恺

四川水泥 2024年1期

郝孟楠沈佳阳吴恺

（浙江交工集团股份有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

高速公路建设过程中经常会遇到软土地基。由于软土地基往往存在着黏性大、稳定性不高、且渗透性差等问题，对其实施处理，不仅要解决地基结构的强度和承载力，更要保证在较长年限内受地质、气象等自然环境变化影响下依然能保持结构的稳定性。目前，软土地基常采用CFG 桩施工法和碎石桩法。实践中，往往需要对处理方法进行正确选择。本文主要介绍CFG桩在高速公路软土地基处理中的应用实践经验。

1 工程概况

某西部高速公路工程线路全长26.996km，其中，涉及软土地基共计3 处，总长度达到1.399km。路基填土高度在3m、5m 不等。项目桩基数量超过5000 根，桩径35cm，桩长12m±3m，间隔1.8m，并需靠近3个集镇。

高速公路软土地基特点：部分为淤泥质黏土，呈现软塑性状，流动性一般，抗剪能力低；部分为砂质粉土，呈现散落性状，流动性大，保水能力弱。工程勘察资料中，对2种软土的物理力学性能进行了介绍（见表1）。

表1 主要土层的物理力学性质指标

2 桩施工技术比选

桩施工技术区别于传统的换填技术，其使用范围广，在固结能力弱、土质松散或黏性大的土质环境中均可有效应用，并保证在较长地质年限内地基稳固。

该工程根据软土地基的力学性能，提出了CFG桩和碎石桩2种施工方案，并进行了模拟试验。在材料使用、承载能力、适用范围、以及环境影响等方面进行了对比[1]，见表2所示。

表2 CFG桩和碎石桩对比表

由表2可知，CFG桩采用的水泥粉煤灰及碎石料的形式，更多依靠自身固结能力，避免依靠周围土体，从而承载能力更强；并且对于保水能力弱的散落砂土路段处理效果更优异；加之当地环保治理要求，该项目综合选择CFG桩施工方案。

3 CFG桩施工技术要点

3.1 施工准备

3.1.1 材料及机械准备

CFG桩施工材料，除包含水泥、碎石外，还含有粉煤灰等材料，其作用主要是提高混凝土的粘结力，能够较大提高桩侧摩阻力，从而不依赖周围土体的约束。按照施工设计要求，先进行实验室试验，严格按照设计的配合比配置混凝土。

CFG 桩施工机械，主要为沉管机械，采用DZ80、DZ90两种型号共计6台，用于桩体施工[2]。其他辅助机械包括搅拌机、输送泵、取土器等。

3.1.2 试桩

试桩是在材料试验结束后，用所选择的施工机械在典型地面进行试钻并灌注成桩，验证CFG桩的工艺。需要注意试桩的精确性，要求成桩养护≥28d，试桩数量不少于总数0.5%，控制桩强度≥10MPa。试桩目的，通过调整混凝土配合比、搅拌工艺参数，使成桩强度更高。该工程通过试桩调整混凝土搅拌时间为110±15s，碎石粒径控制为12.5±5mm，粉煤灰质量为3级。根据综合经济性和工期要求，调整有关隔孔后退打孔顺序，选择隔一孔后退打孔顺序[3]，避免相邻孔洞的注浆压力互相影响导致的变形和坍塌。

3.2 操作流程

工艺操作流程见图1。

图1 CFG桩施工工艺流程图

3.3 实施要点

根据CFG桩施工技术的常见问题，重点选取工艺操作流程中较为关键的钻进成孔、灌注成桩、移机隔桩和清理等几个环节进行分析。

3.3.1 钻进成孔

钻进操作是CFG桩正式施工的第一步，决定了后续成桩的质量。常见问题包括钻进困难和成孔质量差，两方面问题往往会同时发生。

（1）钻进困难是指钻头难以下沉，进度缓慢等情况。这主要是因为地质结构勘探的偏差，机械或参数选择不准确。要解决这一问题，除了在前期认真对待试桩环节，调整钻进机械外，重点需要通过调整钻头转速以及下降压力，逐步解决可能存在部分钻进困难的问题。

（2）成孔质量差，包括深度不足、成孔垂直度偏差大、孔壁坍塌等问题。对于深度不足，不仅需要认真做好记录，还要考虑土质流动性特点，根据实际情况，在钻进深度数据方面要有一定的裕度，并控制好在最后1min内的电动机电流和电压值；对于成孔垂直度偏差方面，要求偏差不大于1%，否则会进一步造成孔壁坍塌及后续的成桩变形和支撑力大幅下降。为此，在机械下沉前，必须做好地面的清理和夯实，调整铅垂线刻度盘。在钻进过程中，除调整下沉速度外，要始终保证机械的稳定和垂直度。对于孔壁坍塌问题，一方面是解决好上述钻机垂直度偏差问题，在钻头接触土层时开始钻机旋转钻进，并注意先慢后快；另一方面，在钻进困难情况下，要减缓下沉速度，避免摇摆，从而避免钻机损坏和孔壁坍塌问题。

3.3.2 灌注成桩

灌注成桩是CFG桩施工技术的关键工序，其机械操作技巧是决定成桩质量的关键。一般发生较大的质量问题是缩径，即桩径小于设计直径，大大降低了CFG桩稳定软土层的作用；常见的机械故障则是堵管问题[4]，造成桩体在中段位置结合性变差，一旦不能快速处理，还会造成管路损坏，甚至钻孔失败。因此，要特别关注其操作技巧和机械参数控制，在保证成桩质量的同时，确保不发生质量问题。

（1）成桩质量控制。控制成桩质量，重点要把握好提管和压浆的时机，严格按照设计参数控制提管速度和压浆量，避免缩径发生。一般提管速度应控制在2～3m/min，并根据压浆情况调节提管速度。该工程中，对于细砂粉状软土层，提管速度根据实际情况保持约2m/min，使得软土层充分与混凝土料浸润结合，减少缝隙量，形成桩体周围的硬化土层；对于塑性软土层，则根据淤泥流动性，提管速度并不固定，主要是考虑流动性造成混凝土料的流失。为此，当发现压浆压力持续降低，浆量不断提高时，可判断软土空隙较大或流动性过大，必须放缓提管速度，甚至停止提管并加大压浆量。在提管靠近面层时，要考虑对桩顶的保护，及时进行封顶，采用不小于5m 厚的黏土封顶，该工程中采用混凝土余料混合就地细砂土进行搅拌后用于封顶。

（2）堵管问题的预防。在确保机械设备状态良好，管路通畅后，重点在于两个方面进行控制：在前期的混凝土预制环节，不仅要严格按照设计数据控制混凝土配合比，还要按照试桩数据控制好搅拌时间，确保不发生初凝或泌水问题；在压浆过程中，把控压浆力度和泵送量，如，泵送压力过大，而流速过小时，意味着土层紧实或提管速度不足，若不加处理，后续存在堵管风险。因此，在确保管路无问题的情况下，可适当提高提管速度，加大流速，从而减少堵管风险。

3.3.3 移机隔桩

移机是在一个灌注成桩后转移至下一桩进行作业的过程，移机过程要提前做好准备，先将下一桩位附近的场地进行二次清理，确保移机后的站位稳定；并对桩位进行复测，通过水准仪对高度进行控制，通过经纬仪对桩位的中心位置进行定位，确保移机后的站位准确。

隔桩作业，是为了保证相邻桩体灌注时不对已成型桩体造成破坏，采取隔1 桩或隔2 桩的顺序进行钻孔的形式。为了避免土层的横向压力，同时保证施工进度，该工程采取后退打孔隔一桩形式。并严格按照每一孔灌注后间隔7d以上的时间再行下一孔作业。

3.3.4 清理桩头

CFG 桩灌注后，桩头难免会出现浮浆、半硬化土层等不坚实情况，若不处理，将影响路面的承载力和稳固性。同时，在工期较长的作业中，一些桩体难免被覆土覆盖。因此，清理桩头十分重要。

清理桩头要把握时机，过早清理会造成桩位变化，影响桩体排布，甚至是桩体垂直度。应在桩体养护期达到后方可进行清理。由于桩顶覆土的半硬化情况，施工现场往往会使用机械清理，其效率较高，但容易对桩体造成破坏。因此，应在机械清理的基础上配合人工清理，在接近桩体时，安排专人指挥和观察，对桩顶上的浮浆必须人工清理。

4 施工质量控制

施工过程中以及施工完毕后，均要对CFG桩体进行试验，测量其力学性能指标是否满足设计要求。还要对整体的沉降情况进行观测，确认CFG桩体对于高速公路路面的支撑和稳固效果。

4.1 桩体强度指标控制

施工过程中的桩体物理力学性能指标控制，一般采用2种方式同步进行：一种是前文中的试桩；另一种采用混凝土试块的方式，与实际桩体保持同材料、同浇筑、同养护的条件下，在不同时段进行检测，可以提高施工过程的实体质量控制。该工程由建设单位委托第三方检验机构对试块强度指标进行检测，养护7d、14d、28d各取6块进行检测。确认在28d达到设计强度标准。

4.2 地基力学性能指标控制

桩体排布及对周围土体结构的改善作用，是决定路基承载能力及稳定性的关键。因此，在施工验收阶段要由勘察单位或第三方检测单位对土体进行检测，并与施工前的数据进行对比。该工程施工前后对比数据见表3。

表3 软土地基加固前后物理力学指标对比

由表3 可知，淤泥质黏土的含水率下降，干密度得到明显提升，这显然提高了周围土体的承载力；散落砂土的孔隙比得到明显控制，压缩模量提高，使得土体流动性减小，相应地提高了土体的稳定性。

4.3 地基沉降指标控制

在单体桩养护阶段、软土地基处理完毕的工序交验阶段以及高速公路路基成型阶段均要分多次进行地基沉降观测，目的是验证施工工艺的实际使用效果。其整体沉降情况应该先快后慢[5]，并满足设计要求。该工程在第一桩养护期满后的沉降量为3.312mm，沉降速率为0.121mm/d；在软土地基处理工序交验阶段，平均沉降量为10.221mm，沉降速率为0.052mm/d。因此，满足沉降指标要求。