浅谈CFG桩在软基处理中的施工 及处理后的效果
摘要：通过国道主干线广州绕城公路九江至小塘段第四合同段CFG桩处理软基的施工实践，总结CFG桩应用于高速公路软基处理的施工工艺，质量控制手段，质量检测方法，经CFG桩处理后的软基，克服了涵洞基础沉降，桥头跳车，路基沉降现象。它具有施工工艺简单、处理效果好、全桩长发挥侧阻力、端阻力明显、对地基承载力提高幅度大等优点
关键词：CFG桩，软基处理，施工，效果
1、概述
本合同为国道主干线广州绕城公路九江至小塘段第四合同段，起点桩号K8+800，终点桩号K13+400，全长4.60公里。
本路段平、纵面线形按高速公路计算行车速度100公里／小时设计，按六车道设计，设计路面宽度为33.5m，设计时速100km／h，设计荷载汽车—超20级，挂车—120级。
1.1工程地质
本合同段路线地处南海市西部西、北江两条河流挟持的平原区内，有两种地貌单元，即平原和残丘区，以平原为主，偶见残丘点缀。珠江三角洲的平原地形平坦开阔，地势由北向南微倾斜，海拔高程1.60~3.80m，鱼塘密布，沟渠纵横，给现场施工造成一定的困难。
区内岩土层为耕植土、亚粘土、亚砂土、软土及第三系红色岩系及火山岩等，其中软土为第四系全新统地质中夹层软土，软土为淤泥、淤泥质亚粘土、淤泥质粉细砂，工程地质条件差，全标段路基均处于软土地段，是本合同段工作的重点和难点，也是控制工期的关健。
本合同段属地震烈度Ⅵ度区，抗震设计为7度。
1.2CFG桩的设计要求
桩径：400mm。
桩长：要求打穿淤泥层，在砂砾石层上，一般14.5～16m。
桩距：1.5m×1.5m(排距)，等腰三角形布置；桥头20m内及涵洞基础：1.5m×0.75m(排距)，采C15素砼。
桩身强度：90d龄期无侧限抗压强度1900KPa，复合地基承载力：280KPa。
CFG桩完工后28天进行检测，检测完毕合格后在CFG桩顶安放预制的扩大的圆形素砼桩帽头(直径为600mm)，平整砂垫层摊铺土工格栅后进行路基填筑施工
2、CFG桩施工
CFG桩处理软土是采用机械振动锤击沉管，场拌砼运至现场，打桩架吊砼灌桩。利用砼和软土之间所发生的一系列物理化学反应，在原地基中形成强度、刚度较大的桩体，同时也使桩周土体性质得到改善，桩体与桩间土形成复合地基共同承担外荷载。
2.1影响加固质量的关键因素
桩体的强度及支承桩体的地层承载力，要求桩长打穿淤泥层，桩尖坐在砂砾层上，且桩身强度达到设计要求。
2.2影响桩身强度的主要因素
(1)砼用量：CFG桩的强度随砼灌入量增大而增大,保证桩身连续不断桩。
(2)龄期：桩身强度随龄期增大而增大，三个月龄期强度作为标准强度，28d强度作为标准强度的60％～75％；
(3)砼灌入的均匀性：砼和软土，桩身强度也越高。
2.3施工工艺
2.3.1严格按CFG桩设计及施工规范施工
按设计桩距，排距测量放样，施工工序如下：
(1)振动机就位：空心钢管对准位后，使钢管垂直，倾斜度小于1％，桩位偏差小于5cm。
(2)沉管：启动振动机，钢管在振动中沉入(沉入中不能有泥进入管内，以免影响活瓣的打开)。
(3)砼搅拌：砼现场搅拌，采用全自动搅拌机，严格按设计配合比进行控制，砼坍落度控制在3-5cm，和易性要好，保证灌注的连续。
(4)吊灌砼：当管到达设计标高后停止沉入，把搅拌好的砼运送到现场装入料斗。
(5)拔管：启动振动机，提升钢管，在刚提升钢管保证管内有足够的砼来冲开活瓣，提升过程中也要保证管内有足够的砼，防止断桩。拔管速率控制在1.2m/min，且每上拔1米留振5S，当沉管拔至离地表2m时，应减速且留振10s。
(6)灌注结束：当每根桩灌注结束时，将拔管时出的淤泥等杂物清出路基外，以免污染砂砾垫层。
2.3.2CFG桩的质量控制
CFG桩处理软基属隐蔽工程，在施工过程中加强对施工工艺、砼质量、桩长、施工速度的控制，主要控制内容为：
(1)检查桩距、桩位是否符合设计要求。
(2)逐桩控制砼用量：根据桩长，按0.14m3／m砼用量进行灌注，根据钢管沉入的长度计算砼数量，然后通过手推车进行量取。
(3)桩长控制。根据设计桩长及试验桩确定的长度，在钢管上标明桩长，并根据沉入时桩机的负载电流数据突变，直至钢管杆不再进尺(表明桩尖已座在砂砾石层上)，现场丈量，测定实际桩长。
3、CFG桩的质量检验
为了确保工程质量，CFG桩施工满足龄期要求后，我们采取如下检验方法验收桩体的质量。
3.1钻芯取样
本工程采取对于28天龄期进行桩体任一部位钻芯取样来验收桩体的强度，即达到90天龄期的75％以上(大于1.9×75％＝1.43MPa)，抽样频率为5％，部分试验结果见表1、2。
Ⅰ组(取2／3桩体处)
Ⅱ组(取1／3桩体处)
3.2低应变动态质量检测
本检测办法的主要内容就是对桩的完整程度的检测与诊断，即判定桩身是否完好，桩身是否均匀等等，最终给定综合判定结果。
3.2.1检测方法原理
桩基无损动态检测是根据弹性波理论，当施工于地下的CFG桩达到一定强度后，且桩长L远大于桩径D时，在理论上可将桩身视为一维弹性杆件体，当在桩顶施加一激励信号F(t)时其激发的弹性波将沿桩身(纵向)向下传播，传播过程满足波动方程：
式中V0为桩体弹性纵波速度
由于桩端和持力层之间存在一明显的波阻抗界面，弹性波传播至桩底将产生反射，并被布置于桩顶的拾振器接收。若CFG桩体均匀、完整、规则，则只存在桩底一个波阻抗界面，这样反映在时间域波形上的能量集中，波形圆滑，桩底反射时间(t)清晰，则纵波速度：
V0＝2×L／t
式中L为桩长，t为反射波初至。
若桩身存在不均匀、断裂、夹泥、断桩等缺陷，都易形成波的置前反射，因此，在弹性波的传播过程中，能量分散，反映在时间域波形上则多个波组迭加的复合波形，且缺陷深度［L1、L2……］满足：
L1＝1／2×V0×t1
L2＝1／2×V0×t2
根据弹性波理论，通过实测的桩身时间域波形，经室内计算机对资料的处理，即可对桩的完整性及施工质量进行全面评价。
3.2.2现场检测布置及仪器设备
质量检测是利用单质点反射法，将拾振器耦合于桩顶，用小锤激发，使之产生一激励信号作用于桩顶，通过拾振器接收弹性波沿桩反射的全过程，送至数据采集库采集，计算机存储、分析、计算。本次检测工作使用中国科学院岩土力学所制的RSM－2FD型工程检测仪。
3.2.3资料分析与结果
根据现场测试的原始记录，本工区低应变曲线波形较为完整，经室内分析计算，现根据桩身的完整程度分类描述如下：
(a)完好桩：桩身连续性好，桩身规则、均匀，无缺陷存在。反映在时域波形上规则、圆滑、无异常信息迭加，桩底反射信号清晰。见桩原始记录所示。
该工程共测试桩800根，其中完好桩共721根，占抽测总桩数的90％。检测桩长介于16.5～18.0m之间。
(b)一般桩：桩身连续性尚好，但存在有桩头破损，桩头强度偏低，局部不均等。反映在时域波形上：曲线基本规则，局部有轻微异常信息迭加，桩底反射信号基本清晰。
通过对该工程抽检的800根桩中，一般桩共有79根，基本上全部表现为桩头的局部破损和浅部的喷粉不均匀现象，占抽测总桩数10％。检测桩长介于16.5～18.0m之间。
3.3复合地基静载荷试验
采用接近于复合地基实际工作条件的试验方法，依据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79－91)，测定复合地基的轴向承载力，为设计提供基础设计的校核依据，确保工程质量和复合地的使用安全。
3.3.1试验装置
采用“堆载法”，即采用平行放置的横梁(钢梁)作为堆载平台，平台由试验基坑周围的土层支撑，平台上堆放的配重块(钢锭)通过平台下的主梁—测力传感器—千斤顶—压板，把垂直荷载用力施加到压板面积之上。
3.3.2试验设备
试验采用JCQ－503型静力载荷测试仪，配以700KN液压千斤顶，由DYB－1A电动高压油泵供油，压力测量采用GYL－2A－2KN测力传感器，沉降观测采用中国航空精密机械研究所生产的电子数显位移传感器(量程50mm，分辨率0.01mm)。压板面积1.0×1.0m2。以上设备调试安装完毕即可进行桩基静荷载的自动测试、自动测读、判稳、自动补载、自动记忆、自动输出打印等等。
3.3.3试验方法
依据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79－91)，采用接近于复合地基实际工作条件的试验方法进行试验。
(A)加荷分级：依据规范要求，试验最大加荷为设计荷载的两倍，或达到地基极限承载力。根据规范要求，加荷分级如下表所示：
(B)沉降观测：按《规范》要求“每加一级荷载，在加载前后各读记压板沉降一次，以后每半小时读记一次”直至达到相对稳定后，施加下一级荷载。沉降观测采用每加一级荷载，间隔5、10、15min各读一次，以后每隔15min测读一次，累计1h后每隔30min测读一次，直至达到相对稳定后施加下一级荷载。
(C)沉降相对稳定标准：每一小时的沉降观测不超过0.1mm。认为已达到相对稳定，即可加下一级荷载。
(D)终止加载条件：当出现如下条件之一时，即可终止加载：
a)沉降量急剧增大，土被挤出或压板周围出现明显的裂缝。
b)累计的沉降量已大于压板宽度的10％。
c)总加载量已为设计要求的两倍。
3.3.4试验过程
试验桩号9－3。于2005年5月5日晚9点开始加压，每一级60KN，稳定后逐级累加，至第七级420KN，每级稳定时间短，沉降累计19.50mm，未出现沉降急剧增大、土被挤出或压板周围出现明显的裂缝现象，卸荷观测，总回弹量为2.36mm，残余沉降量为16.88mm。
3.3.5资料整理与分析结果
为确定复合地基的承载力，将试验资料整理成“数据汇总表”，并绘制出Q－S曲线、S－lgQ曲线及S－lgt曲线。
按《规范》(JGJ79－91)复合地基承载力的基本值确定“深层搅拌或旋喷桩复合地基，可取s／b或s／d＝0.004～0.010所对应的荷载，由于CFG桩处理软基跟深层搅拌或旋喷桩复合地基相似，也可取s／b或s／d＝0.004～0.010所对应的荷载(b和d分别为压板宽度和直径)”。
根据现场测试和试验的结果，依据《规范》(JGJ79－91)复合地基承载力基本值的确定原则，及现场工程地质条件，取s／b＝0.0093所对应的荷载，其承载力基本值为300KN，满足设计地基承载力要求。
