CN1439778A - 水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于该施工方法是：取桩长至待固结层下0.8～1.2米，桩径400～500毫米，桩体强度C₈～C₂₀；根据公式估算桩间距，根据设计的桩长、桩径、桩间距，利用桩机进行布桩，形成水泥粉煤灰碎石桩复合地基；利用2－4级配碎石和土工织物形成复合地基的柔性承台。本发明的优点是：该方法无论在成桩质量、承载力和处理深度等方面均优于粉喷桩复合地基，而且，在处理效果、处理质量等方面也好于粉喷桩复合地基。再加之本发明提供的一整套质量检测手段，可以控制质量达到设计要求。本发明可用于结构物地基、结构物与桥头过渡路段、老路堤加宽路段、滑塌路段的再处理、含结构物路段和桥头过渡路段的补强处理。

Description

水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法

一、技术领域

本发明涉及一种高速公路软基处理的施工工艺，特别是一种水泥粉煤灰碎石桩(CFG)在高速公路软基处理中的施工方法，它包括CFG桩成桩质量控制、不同工况情况下的设计要点和质量检测手段。

二、背景技术

经过多年高速公路软基处理的实践，人们在总结经验的基础上，将软基问题归为三类，即稳定性问题、沉降问题和含结构物路段及桥头过渡段等差异沉降问题。要提高高速公路软基处理质量，减少含结构物路段及桥头过渡段等差异沉降是必需的。

在本发明提出前，对含结构物路段及桥头过渡段等的处理通常采用粉喷桩复合地基处理方法，该方法在成桩质量、承载力和处理深度等方面均存在不足，严重制约了软基处理质量的提高。

在高速公路建设中软基处理的施工工期、工后沉降等一直是人们所关心的问题，一般软基段处理采用超载预压、真空预压等，特殊路段如桥头、通道等，常采用粉喷桩处理。从已施工情况看，粉喷桩处理有许多不尽人意的地方，如沉降问题、处理有效长度问题、承载强度问题和施工质量控制问题。通过调查研究和对高速公路软基处理特点的认真分析等，本申请人在新台高速公路软基处理上最先进行CFG桩的系统试验和研究，取得了许多有益的成果，为这种软基处理方法的推广应用提供了借鉴依据。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是为了克服粉喷桩复合地基处理方法的缺陷，引进一种可处理含结构物路段地基、结构物地基、桥头过渡路段地基、老路堤加宽路段地基、滑塌路段的再处理地基、结构物与桥头过渡路段的补强地基的方法。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明所述的水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于该施工方法是：

(1)取桩长至待固结层下0.8～1.2米，桩径400～500毫米，桩体强度C₈～C₂₀；

(2)根据公式 $f_{\mathrm{sp},k}=m\frac{R_k}{A_p}+\mathrm{\α\β}(1-m)f_k$ 或f_sp，k＝{1+m(n-1)}αβf_k及 $S=\sqrt{\frac{A_p}{m}}$ 估算桩间距，式中S为桩间距、f_sp，k为复合地基承载力标准值；f_k为天然地基承载力标准值，m面积置换率；n桩土应力比；A_p单桩截面积；α＝f_sk/f_k，f_sk加固后桩间土承载力标准值；β＝0.75～0.95；R_k单桩承载力标准值A_P单桩截面积、m面积置换率；

(3)根据设计的桩长、桩径、桩间距，利用桩机进行布桩，形成水泥粉煤灰碎石桩复合地基；

(4)用2-4级配碎石和土工织物形成复合地基的柔性承台。

本发明所述的工艺方法包括以下几个方面：

(1)CFG桩复合地基设计中5个设计参数的确定，即桩长、桩径、桩间距、桩体强度、垫层厚度及材料。

A、桩长的确定。

根据地质资料，取桩长至待固结层下0.8m～1.2m，如某高速公路软基路段淤泥层厚度20.6m左右，以下为强风化泥质粉砂岩，设计桩长取21.6m。施工中以最后10击(锤击式沉管工艺)下沉量控制终桩长度。

B、桩径、桩间距、桩体强度的确定。

考虑路堤填土高度、路面结构层厚度、车辆动载以及适当的安全贮备，承载力的估算采用如下方法： $f_{\mathrm{sp},k}=m\frac{R_k}{A_p}+\mathrm{\α\β}(1-m)f_k---\left(1\right)$ 或             f_sp，k＝{1+m(n-1)}αβf_k                       (2)式中：f_sp，k复合地基承载力标准值；f_k天然地基承载力标准值，m面积置换率；n桩土应力比；A_pCFG单桩截面积；α＝f_sk/f_k，f_sk加固后桩间土承载力标准值；β＝0.75～0.95；R_kCFG单桩承载力标准值。在已知天然地基承载力标准值、单桩承载力标准值和复合地基承载力标准值的条件下，按(1)式求得置换率m。根据高速公路软基处理特点，以及大量的试验和理论研究，桩径取400mm～500mm，桩体强度取C₈～C₂₀，在计算m时取桩间土发挥系数β＝0.9，桩间土强度提高系数α＝1.5。采用正方形布桩时，桩间距S按下式估算： $S=\sqrt{\frac{A_p}{m}}---\left(3\right)$ 如某高速公路滑塌段，根据路堤填土高度、路面结构层厚度、车辆动载以及适当的安全贮备等情况，复合地基承载力标准值f_sp，k取250Kpa，天然地基承载力标准值f_k＝45Kpa。经计算m＝0.0687、A_p＝0.19625m²，代入(3)式可得桩距S＝1.69m，设计桩距取1.50m。

D、垫层厚度及材料的确定。

在高速公路软基处理中，根据桩距的估算，在试验研究和理论研究的基础上，垫层厚度按下公式计算： $\mathrm{\ΔH}=\mathrm{\λm}\×S\×\frac{f_{\mathrm{sp},k}}{f_k}---\left(4\right)$ 式中：ΔH垫层厚度；λ修正系数，取值范围0.5～0.6。如在处理某高速公路软基滑塌段中，λ取0.526，垫层估算厚度为ΔH＝0.3011m，设计垫层厚度0.30m。备注：a、桩间距一般在S＝(3～5)d。

  b、桩体试块抗压强度f_cu应满足f_cu≥3(R_k/A_p)，R_k单桩承载力标准值；A_p桩截面积。

  c、垫层材料一般选用2-4级配碎石。

  d、布桩形式采用梅花形或四边形。

(2)CFG桩成桩质量控制。

在CFG桩施工过程中，桩体的缩径、吊脚、断桩等现象易发生，因此，确保桩身完整性、避免出现断桩是CFG桩施工中需解决的重点问题。桩身的完整性由施工过程中桩头与套管的垂直程度、提升套管的高度、拔管速度等因素决定，所以在施工时要特别注意控制以下几点。具体控制方法如下：

A、沉管前调平桩机，使桩头垂直套入套管，防止因套管与桩头接触不紧密而使淤泥挤入套管中。在沉管时落距不能过大，防止因冲量太大而造成套管与桩头分离。在沉管过程中混合料停放时间不能太长，避免出现离析现象。

B、当达到设计深度后，在桩管内灌入一定的混合料，应先震动10～15S，再开始拔管，避免出现吊脚现象。每次拔管高度宜控制在0.5～0.8m，间隔停拨震动10～15S或者反插深度0.3～0.4m(两者应视现场施工情况而定)。拔管过程中，应分段添加混合料，桩管内混合料始终高于拔管高度1.2m，拨管速度控制在1.4m/min以内，以保证桩身的完整性。

C、当拔管通过淤泥夹层时，应适当放慢拔管速度，以防止桩身出现缩径现象。

D、混凝土坍落度控制在60～80mm，水灰比宜在0.6～0.8之间；桩位应保证准确，其偏差允许不大于100mm，桩身保持垂直，垂直度偏差不应大于1％。

E、根据桩机顶部吊下的垂球即可控制垂直度，垂直度控制在1％以内。

F、施工过程中应根据实际情况采用按序跳打的工艺，以防止地冒。在已成桩的桩顶埋设标尺，观察施工对已成桩的挤压情况，防止桩体受挤压而断裂，并了解地面地冒情况。

G、若遇孤石，桩位应适当移位，以保证桩体满足设计要求。定期对桩机进行检测，保证施工的连续性。

(3)CFG桩复合地基的柔性承台即垫层。

柔性承台技术是CFG桩在高速公路软基处理中应用的关键技术之一，形成柔性承台的步骤如下：

A、采用2-4级配碎石，柔性承台的厚度按公式(4)计算。

B、为了保证承台的整体性，碎石层上下各设置一层土工织物(土工格栅或土工布)。

C、采用门型钉固定土工织物，门型钉宽0.20m～0.25m、高0.15m～0.20m；按行间距2.5m～3.0m、纵间距5.0m～6.0m。

(4)对特别情况的处理。

A、对于已进行过软基处理的软基路段、桥头过渡段和含结构物路段的情况，按1/3～1/4比例设置砂桩(可用同机施工)，提供纵向排水通道；碎石层侧边敞开，提供横向排水通道。

B、CFG桩中加入钢筋笼可起抗滑桩作用，以解决高速公路营运期间的异常沉降、桥头软基加固问题。

C、CFG桩搅拌中不加水，直接灌入沉管(沉管直径0.10m～0.15m)，可解决深厚软基段的加固处理问题。

3、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：该方法无论在成桩质量、承载力和处理深度等方面均优于粉喷桩复合地基，而且，在处理效果、处理质量等方面也好于粉喷桩复合地基。再加之本发明提供的一整套质量检测手段，可以控制质量达到设计要求。本发明可用于结构物地基、结构物与桥头过渡路段、老路堤加宽路段、滑塌路段的再处理、含结构物路段和桥头过渡路段的补强处理。

四、附图说明

附图是本发明CFG桩复合地基设计流程图

五、具体实施方式

为了验证本申请技术的可靠性，申请人与新台高速公路有限公司合作，在新台高速公路软基处理上最先进行CFG桩的系统试验和研究，取得了许多有益的成果。

实施例1：对桥头段路基的处理。

为了减少桥头段工后沉降，避免桥头跳车问题，申请人进行了CFG桩处理。根据实际已施工情况(袋装砂井、砂垫层施工完成)和地质情况，CFG桩设计为直径50cm、桩间距1.8m，要求打入持力层下1.0m(由收锤标准控制)。原排水系统可以避免因打桩引起的地基超静孔隙水压力的消散问题，桩间距和收锤标准由地基上部荷载(路堤、车辆等)和容许的工后沉降确定。在打设过程和施工完成后对桥墩进行沉降观测，施工期间累计沉降43mm，工后累计沉降12mm(时间：1月3日～3月5日，沉降已趋稳定)。CFG桩处理，填土由两个月缩短为十天，大大缩短了工期，同时通车后工后沉降也很小，说明CFG桩在该桥头段的处理是成功的。

实施例2：对塌方段路基的处理。

由于地质复杂、淤泥层变化急剧，广东省新台高速公路牛湾立交附近的K18+380～K18+545发生滑塌。当时全线路堤已经填至设计高度，若按常规方法或真空预压处理，除工期要延长外，新老路堤的不均匀沉降也会产生裂缝。为了解决上述问题，专家会议决定采用CFG桩加砂桩处理。为了降低成本，设计院采用了变间距布置，路中桩间距采用1.5m、左右路肩桩间距采用2.0m、路坡桩间距采用2.5m。为了消散超静孔隙水压力，提高桩间淤泥的固结度，CFG桩之间加打砂桩，砂桩和CFG桩的比例为1∶3。砂桩和CFG桩处理40天，7m多路堤填土和碎石垫层及桩检测15天。CFG桩不仅大大缩短了工期，而且还解决了新老路堤的不均匀沉降问题。

根据设计理论和计算，滑塌段软基处理的设计方案为，平均桩长21.6m，桩径500mm，桩体强度C₁₅，桩距1.5m，采用正方形布置，垫层厚0.3m，采用2-4级配碎石。根据设计院图纸，2000年10月9日CFG桩开始施工，11月11日CFG桩施工完成；7.4m高的路堤10天完成填筑，保证了通车工期。

实施例3：对加宽段路基的处理。

广东省新台高速公路牛湾立交主线收费站加宽段采用CFG桩处理，由于主线填土完成较早，为了使加宽段和主线不产生不均匀沉降，CFG桩间距采用1.5m，碎石垫层30cm。通车3个月CFG桩处理与原路基之间，即加宽段和主线未出现因不均匀沉降而产生的裂缝。

实施例4：对通道管涵路基的处理。

在广东省新台高速公路司前连接线辅道K10+911.5处，由于填土高度发生变化，原小桥变更为2-4*3钢筋砼盖板涵。为提高地基的承载力也采用了CFG桩处理。结果表明，不仅原有的排水功能不变，而且还降低了成本。

实施例5：对桥头路基的补强处理。

为防止桥墩因土体对其进行挤压而造成偏移，在施工过程中，先在靠近桥墩处打设了两排砂桩。既减小了土体对桥墩的挤压，又使水能从砂桩中排出，从而提高了地基的承载力。施工顺序从靠近桥墩处向远离桥墩处进行。由于设计合理科学，在打设过程中未发现桥墩有偏移现象

在施工过程中根据实际情况采用按序跳打的新工艺：在加固桥头时因应从台背向路堤填土一侧施打；如果加固路堤应从路堤向路堤外施打；同一排桩要跳打向一个方向逐渐推进，以防止地冒。在已成桩的桩顶埋设标尺，观察施工对已成桩的挤压情况，防止已成桩受挤压而断裂并了解地面地冒情况。

实施例6：对营运期异常沉降路基的处理。

广东某高速公路软基段K17+820～K18+000长180m，路面施工完成后，3日～6日观测点最大累计沉降14.4cm，至24日最大累计沉降18.4cm，25日发生近30m长的异常沉降，最大

沉降点累计沉降达29.7cm，并伴有路基外的隆起，路面上的裂缝有继续发展趋势。对于这种高速公路已在试运营期情况，大范围的进行软基处理已不可能，采用路堤内压浆补强、路堤坡脚加打抗滑桩处理方法较为适合。在实际处理过程中，先在路基外隆起的范围填高2m反压护道，路堤边坡排水沟外侧处打设2排由CFG桩改型的抗滑桩，抗滑桩采用沉管灌注桩，桩径0.5m，间距0.8m，桩体强度C₂₀，要求打至淤泥层下4.0m，按正三角形布置。在沉管打设到设计深度后把焊接好的钢筋笼(主筋10φ12，箍筋φ8a35)放进沉管，然后开始灌注混凝土。施工顺序从沉降较大处向沉降较小处进行。桩顶每6.9m设帽梁将桩联系。在抗滑桩施工完成后28d对抗滑桩进行检测，桩体符合设计要求，抗剪强度达到了预期目的。处理后路堤异常沉降停止，路基沉降趋于稳。

为了确保施工质量、保证路堤安全，进行现场表面沉降观测和水平位移观测，现场表面沉降观测设置5个观测点，水平位移观测设置3个观测点。

Claims (10)

1、一种水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于该施工方法是：

(1)取桩长至待固结层下0.8～1.2米，桩径400～500毫米，桩体强度C₈～C₂₀；

(2)根据公式 $f_{\mathrm{sp},k}=m\frac{R_k}{A_p}+\mathrm{\α\β}(1-m)f_k$ 或f_sp，k＝{1+m(n-1)}αβf_k及 $S=\sqrt{\frac{A_p}{m}}$ 估算桩间距，式中S为桩间距、f_sp，k为复合地基承载力标准值；f_k为天然地基承载力标准值，m面积置换率；n桩土应力比；A_p单桩截面积；α＝f_sk/f_k，f_sk加固后桩间土承载力标准值；β＝0.75～0.95；R_k单桩承载力标准值A_P单桩截面积、m面积置换率；

(3)根据设计的桩长、桩径、桩间距，利用桩机进行布桩，形成水泥粉煤灰碎石桩复合地基；

(4)利用2-4级配碎石和土工织物形成复合地基的柔性承台。

2、根据权利要求1所述的水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于在利用桩机进行布桩时，当桩管达到设计深度后，在桩管内每灌入一次混合料时，应先震动10～15秒，再拔管，每次拔管高度为0.5～0.8米，拔管速度在1.4米/秒以内，间隔停拔震动10～15秒，或反插0.3～0.4米。

3、根据权利要求2所述的水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于混合料坍落度为60～80米，水灰比为0.6～0.8。

4、根据权利要求1或2所述的水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于桩位偏差小于100毫米，垂直度小于1％。

5、根据权利要求1所述的水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于利用碎石形成复合地基的柔性承台时，在碎石层上下各设置一层土工织物，并用门型钉固定。

6、根据权利要求5所述的水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于门型钉宽为0.2～0.25米、高0.15～0.20米、行间距2.5～3.0米、纵间距5.0～6.0米。

7、根据权利要求1、5或6所述的水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于柔性承台的厚度根据如下公式估算： $\mathrm{\ΔH}=\mathrm{\λm}\×S\×\frac{f_{\mathrm{sp},k}}{f_k}$

式中：ΔH垫层厚度；λ修正系数，取值范围0.5～0.6。

8、根据权利要求1所述的水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于对软基路段、桥头过渡段和含结构物路段的滑塌路段的处理，加宽路段的处理，同样适用于已进行过软基处理的情况，此时可按1/3～1/4比例设置砂桩，提供纵向排水通道；碎石层侧边敞开，提供横向排水通道。

9、根据权利要求1所述的水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于在桩中加入钢筋笼形成抗滑桩。

10、根据权利要求1所述的水泥粉煤灰碎石桩在高速公路软基处理中的施工方法，其特征在于在桩搅拌中不加水，直接灌入沉管，桩管直径0.10～0.15米。

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