素土挤密桩和CFG桩

摘要：根据郑西客运专线ZXZQ06标段新临潼车站湿陷性黄土地基处理设计采用的水泥土挤密桩+CFG桩措施，在大面积施工前开展了工艺性试验。通过大量反复的工艺性试验，验证了设计参数可以达到要求，总结出了一套挤密桩+CFG桩施工工艺，以满意湿陷性黄土地基处理后的要求。

要害词：湿陷性 挤密桩+CFG桩 复合地基 处理 一、工程地质概述

郑（州）西（安）客运专线是我国正在修建的首条真正意义上的高速铁路，设计一次双线，设计时速目标值350km/h，全线正线全部为无渣轨道，郑西客运专线与普通铁路比较，施工具有“建设起点高、设计时速高、设计标准新、质量要求高、技术含量高、施工工艺新”的特点。主要承重结构物的使用寿命要确保满足100年要求，主体工程质量要实现“零缺陷”，并满足高速、重载列车开行的高安全性和恬静度的要求。管段地处湿陷性黄土广泛分布地区，为确保路基工后沉降≤15mm，地基处理和路基工后沉降控制是本段的重点。郑西线工期要求2009年9月9日建成通车。

郑西客运专线ZXZQ06标段，该工程由铁道第一勘察设计院设计、上海天佑工程咨询监理公司监理、中铁一局三公司承建。 DIK441+509.94～DIK444+350段为新临潼车站，全长2.84km，宽80M，建安费1.9亿。设计为8股道，车站线下地基处理有：冲击碾压、素土挤密桩+桩板结构、强夯+CFG或水泥土挤密桩+CFG桩，挤密桩或强夯等地基处理措施。 新临潼车站位于陕西省西安市临潼区新丰镇，所处地貌单元均为渭河一级阶地，地形平坦，地势开阔，地面相对高差为1～2m。本段地基变形计算深度范围地层主要为第四系全新统冲积粘质黄土，第四系上更新统冲积砂层、粉质粘土、粉土；地层自上向下一次分布质黄土、中砂、粗砂、粉质粘土、表层湿陷性黄土厚2.5～9m为非自重湿陷，湿陷等级Ⅰ～Ⅱ级。粉质粘土б。=120 KPa。湿陷厚度约4～15.5m，总湿陷量0～47.03cm。 二、试验段目的和场地选定

试验段目的：明确水泥土挤密桩+CFG桩施工作业的工艺流程、操作要点验

证设计相关参数能否满足客运专线的标准。为消除场地黄土湿陷性，提高地基土的承载力，根据设计要求地基处理后，水泥土单桩复合地基承载力应不小于237kpa，水泥土桩身土平均压实系数均不小于λc0.97，桩间土平均挤密系数均不小于0.93ηc，桩间土湿陷系数应小于δs0.015 CFG桩单桩竖向承载力应＞419kpa，CFG桩单桩复合地基承载力应＞237kpa为减少地基在自重和活载作用下所产生的压缩下沉，确保路基工后沉降≤15mm，确保路基整体结构刚度稳定，，满足客运专线路基工后沉降变形要求。为大面积施工和今后施工提供科学依据。

水泥土挤密桩+CFG桩试验性施工在DIK441+750～DIK442+900 段6个区域，本试验性施工按照设计要求分为6个单元，5个单元水泥土、1个单元水泥土+CFG桩，每单元36根桩，共计225个根，挤密桩桩长根据湿陷性黄土厚度进行设计为5m～8m，桩间距0.9～0.95m，桩径0.4m，采用正方形布置。水泥土挤密桩+CFG桩试验性施工在第五单元，里程在DIK442+600-DIK442+604.5段，在已完成的水泥土桩上，共9根，桩长15m，桩径0.4m，桩间距1.8m，正方形布置。 设计参数如下表： 试验单元 区段里程 桩长（m） 间距（m） 桩径（m） 一单元

DIK441+760～+764.75段 6 0.95 0.4 二单元

DIK441+900～+904.75段 7.5 0.95 0.4 三单元

DIK442+350～+354.75段

6 0.95 0.4 四单元

DIK442+631.5～+636.25段 5.5 0.95 0.4 五单元

DIK442+600～442+604.5段 5 0.9 0.4 六单元

DIK442+670～+674.5段 5 0.9 0.4

试验性施工开工于2006年4月26日，工程完成于7月16日，施工检测完成于8月18日。 三、施工工艺 1、水泥土挤密桩

水泥土挤密桩是消除湿陷黄土地基处理的方法之一，它是用沉管、冲击等方法在土中成孔 ，再用水泥、加土搅拌后，分层回填夯实挤密，来消除黄土的湿陷性并加固地基，从而达到加固地基和减少地基总沉降的效果。

成孔设备采用挤密桩机，自重45t左右，为波兰履带吊改装而成，沉管固定于管架前方，其顶部加设自重2.5t以上柴油锤锤击沉管成孔，成桩回填采用小型夯实机，夯实机有夹杆锤和吊锤两种，夹杆锤锤（含杆）重130kg，锤直径27cm，杆长根据桩长而定，夯实时电闸开启时不间断提锤落锤；吊锤锤重260kg，锤直径30cm，人工操作卷扬机提锤落锤。 试桩开始前先对地基土的含水率、饱和度，桩间土分层取样进行检测，取样深度为设计桩长，确定土样的最大干容重及湿陷系数。当地基的含水率小于12%或大于24%、饱和度大于65%时，一般不宜选用挤密桩。应及时通知设计单位予以确认。由设计单位确定是否变更设计。

施工前清除地耕植土，平整场地。成孔机械表面应有明显的进尺标记，以此来控制成孔深度。施工顺序：挤密桩施工顺序影响到成孔质量，先确定施工顺序，挤密桩施工一般按照隔排跳桩和跳桩法施工，对于处理深度范围内土质含水量在20%以内，成孔可采用跳桩法分两遍进行，对于含水率在20%以上成孔可采用隔排跳桩法。 成孔顺序示意图

① ③ ① ③ ① ② ① ② ④ ② ④ ② ② ① ② ① ① ③ ① ③ ① ② ① ② ④ ② ④ ② ② ① ② ① 隔排跳桩法 跳桩法

挤密桩工艺流程图

桩机就位：机械按布置好的桩位就位，沉管上刻划刻度线，桩机保持垂直，用吊锤或经纬仪检查垂直度，垂直度偏差不大于1.5%。

锤击成孔：锤击成孔按隔排跳打或根据成孔情况采用隔桩法进行，采用沉桩机将与桩孔同直径钢管打入土中拔管成孔。开始成孔阶段要轻击慢沉，打入设计深度后，立刻关闭油门，桩管停滞1min后开始缓慢均速地拔锤。成孔后检查孔径、孔深，是否有缩孔，合格后

进行底夯，底夯夯实次数不小于8击，若孔底含水量较大时应先填筑10～20cm混合料后再进行底夯。夯锤不宜在土中搁置时间过长，以免摩阻力增大后提拔困难。

拌和：水泥土混合料拌和采用稳定土拌和设备在拌和场集中进行拌和，同时配备碎土设备消除土壤的土块。拌和土必须使用经试验合格土场的土源，按预定配合比在拌和设备内拌制水泥土混合料。混合料需拌和均匀，混合料中不应含有大于20mm的土块；并应使混合料的组成和含水率达到规定的要求。

拌合应在灌桩前根据提前进行，水泥土拌和时理论配合比为：水泥:干黄土=8:100，原状土测定实际含水量确定施工配合比。拌和后确保水泥土含水量接近最优含水量，其答应偏差不得大于±2%。混合料拌和后现场可根据“手捏成团、落地散花”判定其含水量是否合适。

防止和处理缩孔：当孔中部出现稍微缩孔时，使用烙阳铲人工修孔保证夯锤顺利夯击；当孔底出现缩孔严峻时可采用桩机二次成孔，或采用机械洛阳铲掏孔至设计深度。 夯填：底夯后检查孔深孔径合格后，然后加料回填成桩，夹杆锤按照每锹土夯击次数不少于5次，吊锤按照每锹土夯击次数不少于2次，夯击时使其在孔中自由下落，若碰撞孔壁，则相应增加夯击次数，详细填料厚度和夯击次数根据工艺性试验结果确定。每次加料前夯击必须听到“清脆锤击声”或“夹杆开始颤动”后，再加料回填，直至原地面。夯击采用夹杆锤要保持夹杆锤与土体顶面高差不小于60cm，使用吊锤保持落锤与土体顶面高差不小于200cm。桩顶夯填高度应大于设计桩顶标高200～500mm，桩孔回填时按照一定速率回填，夯击次数达到技术要求，回填夯击均匀有序进行。

试桩过程中，进行桩身密实度检验。用环刀取土样测定干密度，检测点的位置在距孔心2/3孔半径处，用轻型击实试验测定的压实系数。

根据场地土含水量低或高合理采用从外围向中间或由中间向外围的施工顺序，以增加挤密效果或避免出现场地隆起、桩径回淤、缩颈等现象。

混合料拌制要求随拌随用，已拌成填料不得超过24小时，被雨水淋湿、浸泡的填料严禁使用，按作废处理。下雨期间不得进行拌制。

混合料回填至桩顶时，应重复多次进行回填夯实，保证桩顶水泥土密实度。 2、CFG桩

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称(即cement fIying-ash gravel pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间士、褥垫层一起形成复合地基。

CFG桩施工在水泥土挤密桩施工完成15天后进行。 施工预备

检查实际地质情况，是否符合设计要求，结合设计参数，选择合适的施工机械和施工方法。组织机械、材料、检测设备和人员进场。

本工程成孔采用长螺旋钻，其钻机功率和钻杆长度根据设计桩长确定，灌注采用HBT托式砼输送泵，泵压压力10Mpa，灌注提升速度为3m/min，泵压次数为1次/2～3m，混合料配合比采用：水泥:粉煤灰:砂子:卵石:外加剂=1:1:3.97:6.47:0.018。

清除地基处理范围内0.5m厚的地表耕植土，施工前用压路机压实原地面，做好临时排水设施。

按施工图纸进行放线定位，定出控制轴线、打桩场地边线并标识，各桩中央可用φ20的钢钎插入土中20cm，拔出后再灌石灰定点。

进行满足桩体设计强度的配合比试验，确定各种材料的施工用配比。 施工顺序

CFG桩施工间距施工顺序根据地质情况可以采用连打法，和隔排跳打法。 一般优先采用间隔跳打法，也可采用连打法。具体的施工方法由现场试验确定。 连打法易造成邻桩被挤碎或缩颈，在粘性土中易造成地面隆起；跳打法不易发生上述现象，但土层较硬时，在已打桩中间补打新桩，可能造成已打桩被振裂或振断。全长布桩时，应遵循由“由一边向另一边”的原则。 长螺旋成孔泵送混合料灌注施工工艺

钻机就位：钻机就位后，应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%。采用在钻架上挂垂球的方法，在采用钻机自带垂直度调器控钻杆垂直度，每根桩施工前都有专门的人员进行桩位对中及垂直度检查。满足要求后，方可开钻。

混合料搅拌：混合料搅拌按照配合比进行配料，每盘料搅拌时间按照普通混凝土的搅拌时间进行控制。控制在90-150s，塌落度控制在160-180mm 。

钻进成孔：钻孔开始时，关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触地时，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摆或难钻时，放慢进尺，防止桩孔偏斜、位移，钻具损坏。根据钻机塔身上的进尺标记，成孔到达设计标高时，停止钻进。

在钻进时，记录每米电流变化并记录电流突变位置的电流值，作为地质复核情况的参考。 灌注及拔管：钻孔至设计标高后，停止钻进，提拔钻杆20－30cm后开始泵送混合料灌注，每根桩的投料量应不小于设计灌注量。钻杆芯管布满混合料后开始拔管，施工桩顶高程宜高出设计高程50cm，灌注成桩完成后，桩顶盖土封顶进行养护。

在灌注混合料时，对于混合料的控制采用记录泵压次数的办法，对于同一种型号的输送泵每次输送量基本上是一个固定值，根据泵压次数来计量混合料的投料量。

移机：灌注时采用静止提拔钻杆，提管速度控制在2～3m／min至下一根桩的施工。根据轴线或四周桩的位置对需施工的桩位进行复核，保证桩位正确。

水泥土+CFG桩施工完成检测合格后，在CFG桩顶面清除浮土，铺设水泥土褥垫层，褥垫厚度的在60CM左右，采用轻型压路机进行静压，压实表面。 四、施工试验检测结果评价

试桩完成后，分别委托《陕西省人工地基检测新西北检测站》和《陕西省人工地基检测第四人工检测站》两个有资质的检测单位进行检测。检测采用钻机取样和开挖探井取样后做室内试验，分别在水泥土桩身和桩间土每1米取样一个在孔之间形心点四周、成孔挤密深度内、进行湿陷性试验和压缩试验，计算干密度与其最大干密度的比值（最小挤密系数）、湿陷系数。检测桩间土处理效果，桩身土的压实系数、桩间土挤密系数、湿陷性和复合地基承载力。

在试桩完成28天后，采用平板载荷试验检测，单桩复合地基承载力，根据设计承载力特征值的2倍进行堆载检测；从P-S曲线可以看出，复合地基载荷试验曲线基本属于渐进型的光滑曲线，不存在陡降点。根据检测报告结果，检测6个试桩区：根据检测结果分析： （1）水泥土挤密桩桩身土平均压实系数均不小于λc0.97，满足设计要求。 （2）水泥土挤密桩桩间土平均挤密系数均不小于0.93ηc为0.94，满足设计要求； （3）水泥土挤密桩桩间土湿陷系数δs值最大为0.014，桩间土湿陷系数都小于δs0.015表明处理范围内湿陷性已消除，满足设计要求；

（4）水泥土挤密桩单桩复合地基承载力＞237kpa，满足设计要求

（5）CFG桩桩身检测，检测方法采用低应变检测了6根，桩身属于完整桩5根或基本完整桩1根，桩体强度大于10Mpa。均满足设计要求 （6）CFG单桩竖向承载力＞419kpa、均满足设计要求。

（7）CFG桩复合地基承载力＞237kpa、均满足设计要求。 五、结束语。

1．根据本工程复合地基检测结果数据看，工程所采用的组合型复合地基的应用，可最大限度地发挥这两种桩的长处，使复合地基的承载力得到大幅度的提高，地基变形得以降低和控制。主要特征是在荷载作用下，基体和增强体共同直接承担荷载作用。

2．复合地基中由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载力，其受力和变形类似于素混凝土桩，具有地基承载力高、变形小、稳定快、施工简朴易行、工程质量易保证等优点，工程造价一般为桩基1/3－1/2，经济效益和社会效益非常显著。

3．水泥土挤密桩处理地基是一种效果明显的处理方法，用夯实水泥土桩加固后的复合地基比原地基变形模量会有较大增长，抗变形能力有明显提高。

4. CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小。

5. 挤密桩这种“挖填土方少，以土治土”的地基处理方法。它对各种深度在5～15M的自重湿陷性和非自重湿陷性黄土地基，既有消除湿陷性，又可提高承载力，具有良好的经济效益和广阔的发展前景。

6. 由该工程证实此种地基处理方案，质量易控制，造价低，经济、社会、环境效益明显，有极大的发挥潜力。

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