王巍
(中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司,北京 101100)
CFG樁是粉煤灰碎石水泥樁的統(tǒng)稱,由水泥、砂礫石、粉煤灰加水混合攪拌而產(chǎn)生的高強(qiáng)度粘合樁體,它與褥墊層一起經(jīng)受上方載荷,組成復(fù)合地基[1]。軟土地基經(jīng)CFG樁施工后,承載作用可以取得有效的改進(jìn),適用于處理以昆明滇池區(qū)域?yàn)榇砟嗵抠|(zhì)土及淤泥質(zhì)軟土地層。
CFG樁與其他地基處理的施工方法相比,由于其施工周期短、選用工業(yè)生產(chǎn)的廢渣粉煤灰為原材,不需要配筋,在減少工程造價(jià)的同時(shí),又可以確保樁基礎(chǔ)的荷載能力,所以被我國的軟土地區(qū)大量采用。
滇池湖相沉積層形成環(huán)境復(fù)雜,發(fā)育深度大,規(guī)律性不強(qiáng),尤其以淤泥質(zhì)土及泥炭質(zhì)土為代表軟弱土層壓縮、孔隙比大、強(qiáng)度低、含水率較高,工程性能低。
文章以昆明地鐵3號(hào)線石嘴車輛段工程為例,通過試樁、樁身完整性檢測、單樁復(fù)合地基載荷等一系列試驗(yàn),對CFG樁在湖湘沉積層中的施工技術(shù)進(jìn)行分析,明確提出了質(zhì)量管控的對策,對相似地質(zhì)條件下的施工有著借鑒價(jià)值。
因湖相沉積的各土層屬軟弱土,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用快剪指標(biāo),各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。
表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)
CFG樁是粉煤灰碎石水泥樁的統(tǒng)稱,由水泥、砂礫石、粉煤灰兌水混合而產(chǎn)生的高強(qiáng)度粘合樁體,CFG樁與周圍土一起形成復(fù)合地基土共同承受上部荷載,其上設(shè)置褥墊層。因?yàn)樵贑FG樁擴(kuò)大樁頭上部鋪設(shè)碎石墊層,由于摩擦力的作用效果,在完成施工,并且強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后,樁周圍的土體會(huì)因上方載荷作用從而發(fā)生沉降趨勢,同時(shí)對CFG樁產(chǎn)生負(fù)摩擦作用,如此一來CFG樁本身的承載力得到了提高。此外,CFG樁體中的粉煤灰可增加整體的黏合強(qiáng)度,進(jìn)而增強(qiáng)負(fù)荷地基的置換作用,由于樁體承受了較大部分的荷載,使得樁體之間土的應(yīng)力有所減小,避免樁周邊土體出現(xiàn)下沉現(xiàn)象,同時(shí)也可以使土體的承載能力得以實(shí)現(xiàn)提升[2]。
如此一來促使CFG樁和土體便可以形成了一個(gè)共同的受力結(jié)構(gòu),從而構(gòu)成復(fù)合地基,使軟土地層的承載能力得以有效的提高。
按照圖紙的相關(guān)要求,為了保證CFG樁的工程質(zhì)量、荷載要求,以及有碴軌道工后沉降的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在正式施工之前,第一步要對CFG樁的樁體原材料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件下的配合比試驗(yàn)。施工圖中規(guī)定樁體水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其摻量不應(yīng)少于200 kg/m3,粉煤灰摻入量為70~95 kg/m3,粗骨料必須達(dá)到配比要求,松散堆積密度需大于1 500 kg/m3。經(jīng)過計(jì)算得出
(1)適配強(qiáng)度:
(2)水膠比:
(3)根據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程(JGJ55—2011)中混凝土坍落度要求,單位用水量mw0取值為205 kg/m3。
(4)單位混合料用量:
(5)單位水泥及摻合料用量:根據(jù)施工圖紙要求,粉煤灰摻量取30.0%,因此粉煤灰用量為:
成樁工藝試驗(yàn):根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,最終確定混合料拌和時(shí)間:60~70 s;CFG樁拔管速度控制在1.5~2 m/min;鉆機(jī)電流控制在120~230 A。
通過工程試樁發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有工藝條件下CFG樁成樁效果不理想,施工過程中常見堵管現(xiàn)象,部分樁體存在樁身不連續(xù)、斷樁、縮徑問題,竄孔現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。
經(jīng)過調(diào)查分析,造成CFG樁施工質(zhì)量缺陷的原因主要有:
(1)受CFG樁體材料拌合質(zhì)量和配合比不當(dāng)因素影響,使得混合料工作性能較差,從而引起堵管問題。當(dāng)樁體材料中的粉煤灰用量較少或者混合料的坍落度太小時(shí),其流動(dòng)性較差是堵管的重要原因之一;其次當(dāng)混合料坍落度較大,極易產(chǎn)生骨料和砂漿分離析現(xiàn)象。另外,在施工過程中由于操作不當(dāng),未能及時(shí)進(jìn)行提鉆,使得CFG鉆頭處的漿液溢出從而形成堵管。
(2)在混合料的灌入過程中,長螺旋鉆桿提升速率較快是斷引起斷縮頸、樁樁的主要原因;此外,預(yù)留空樁較長,后期開挖時(shí)土體受外力擾動(dòng)破壞較大,也是引起斷樁的原因之一。
(3)竄孔問題。由于被加固土層中含有松散狀的粉質(zhì)土及粉砂,在CFG樁鉆進(jìn)過程中,土體在CFG樁樁機(jī)葉片剪切擾動(dòng)的影響下,容易引起液化現(xiàn)象,從而發(fā)生竄孔現(xiàn)象。
(1)嚴(yán)格控制CFG樁體材料的施工配合比,保證其良好的施工性能,尤其要控制粉煤灰、水泥的摻量和拌合料的坍落度,并根據(jù)混凝土坍落度要求重新對配合比進(jìn)行調(diào)整計(jì)算。
單位用水量mw0=215 kg/m3。
膠 凝 材 料 用 量:mb0=mw0(W/B)=215/0.69=311.59 kg/m3;粉 煤 灰 用 量:mf0=311.59×30.0%=93.48 kg/m3;故 水 泥 用 量:mc0=mb0-mf0=311.59-93.48=218.11 kg/m3。
(2)由于施工場地內(nèi)泥炭質(zhì)土分布廣泛,為防止斷樁和縮頸現(xiàn)象發(fā)生,根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)降低提鉆和拔管的速度,將其CFG樁拔管速率控制在2~2.5 m/min。與此同時(shí)在打樁前,對場地進(jìn)行開挖平整,將空樁長度控制在50 cm左右,以此減少后期開挖時(shí)樁體受外力作用而引起的破壞。
(3)在樁底適當(dāng)座漿。當(dāng)CFG樁到達(dá)樁底時(shí),應(yīng)繼續(xù)攪拌15 s,用來鉆進(jìn)樁底松土。在鉆入的過程中,需要對樁機(jī)的電流表進(jìn)行觀察,如果發(fā)現(xiàn)電流出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),那么表明地層發(fā)生了變化,此刻需要調(diào)整鉆進(jìn)速度。通過計(jì)算鉆機(jī)電流宜控制在120~230 A。
(4)采取隔樁、隔排的跳打方法進(jìn)行CFG樁施工,同時(shí)盡可能地避免在發(fā)生竄孔問題的范圍內(nèi)施工推進(jìn)排數(shù),最大限度地將已施工的樁體擾動(dòng)能量的積累降至最低;如遇特殊情況,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,聯(lián)系設(shè)計(jì)單位對樁距進(jìn)行調(diào)整。
在試車線CFG樁完工后28 d,于每根檢測樁樁徑方向1/4處,取不同深度的試樣做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。
根據(jù)施工圖紙要求,檢測頻率應(yīng)為施工總樁數(shù)0.2%,由于試車線CFG樁加固施工總數(shù)為2 982根,因此選取9根CFG樁強(qiáng)度進(jìn)行檢測,結(jié)果全部滿足要求。
取樣結(jié)果顯示CFG樁芯樣連續(xù)、完整、膠結(jié)好、芯樣側(cè)表面光滑、骨料分布均勻,芯樣呈長柱狀,成樁效果較好,成樁質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度與施工要求。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求試車線CFG樁單樁復(fù)合地基承載力不小于200 KPa。
根據(jù)施工圖紙要求對試車線CFG樁進(jìn)行低應(yīng)變樁樁身完整性檢測,在所檢測的457根工程樁中,一類樁為421根,占受檢樁數(shù)的92.1%,二類樁為36根,占受檢樁數(shù)的7.9%,成樁效果良好。
根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ 8—2016)及《城市軌道交通工程測量規(guī)范》(GB/T 50308—2017)和設(shè)計(jì)圖紙要求,本項(xiàng)目共計(jì)布設(shè)18個(gè)點(diǎn)位,CFG樁加固地基監(jiān)測于2015年10月3日開始,截止到2016年12月6日,實(shí)際監(jiān)測天數(shù)為429 d,累計(jì)最小沉降量為-9.5 mm,累計(jì)最大沉降量為-11.7 mm,滿足工后沉降不得大于-20 mm技術(shù)要求。
(1)滇池湖相沉積層CFG樁在施工過程中存在的典型質(zhì)量的缺陷為常有堵管現(xiàn)象發(fā)生,部分樁體存在樁身不連續(xù)、斷樁、縮徑問題,竄孔現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。
(2)按照施工圖紙的相關(guān)要求,根據(jù)試樁質(zhì)量缺陷進(jìn)行研究分析,最終確定單位用水量為215 kg/m3,粉煤灰用量為93.48 kg/m3,水泥用量為218.11 kg/m3。
(3)CFG樁拔管速率控制在2~2.5 m/min。鉆機(jī)電流控制在120~230 A。與此同時(shí)在打樁前,對場地進(jìn)行開挖平整,將空樁長度控制在50 cm左右,以此減少后期開挖時(shí)樁體受外力作用而引起的破壞。
(4)軟土地層在CFG樁施工加固后,土體強(qiáng)度顯著提高,滿足了地基承載力設(shè)計(jì)要求,有效地解決了軟土地層的工后不均勻沉降這一難題,根據(jù)實(shí)踐總結(jié),基本掌握了CFG樁在昆明滇池湖相沉積層軟土地基中的施工工藝。對相似地質(zhì)條件下的施工有著借鑒價(jià)值。