CFG桩复合地基在工程中的应用

CFG桩复合地基在工程中的应用侯松岩1，彭颖华2（1青岛钢铁集团公司工程管理处，山东青岛266043；2莱钢建设有限公司建筑安装分公司，山东莱芜271126）摘要：在青钢活性白灰工程地基处理中，采用CFG桩复合地基技术，通过对处理后的地基试验与检测，验证了CFG桩复合地基承载力及沉降达到设计要求。同时指出了使用CFG桩时普遍存在的问题,并给出了预防措施。关键词：CFG桩；复合地基；质量控制；桩基中图分类号：TU473.1文献标识码：B文章编号：1004-4620（2007）03-0073-02随着工程建设的飞速发展，地基处理手段也日趋多样化，CFG桩复合地基（水泥粉煤灰碎石桩的简称）是在碎石桩加固地基法的基础上发展起来的一种地基处理技术。由于CFG桩改善了碎石桩的刚性，使其不仅能很好地发挥全桩的侧阻作用，同时也能很好地发挥其端阻作用，并通过褥垫层的设置发挥了桩间土的承载力，使之成为复合地基，提高了CFG桩的承载能力。1工程概况青钢活性白灰工程由石灰窑本体、预热器、燃烧室、除尘器及上料系统组成。除设备基础外，均为框架结构。地基采用CFG复合地基进行加固处理，总桩数约为1800余根。复合地基承载力设计值240kPa。CFG桩采用长螺旋钻成孔，管内泵压混合料灌注成桩。桩身设计强度为C25；褥垫层采用5～10mm砾石，厚度为0.3m。工程地质条件如表1所示。表1场地土层地质条件编号土层名厚度/m承载力标准值/kPa极限侧阻力标准值/kPa极限端承力标准值/kPa(h为桩长)1杂填土1.6-6.002含淤泥粗砂0.00-3.7080103粗砾砂0.00-3.8024045粉质粘土0.00-3.10120304粉质粘土0.00-4.40250605粗砾砂最大9.5360902000（h≥10m）6粉质粘土最大7.226080700（h≥15m）7粗砾砂最大5.53601102400（h≥15m）8安山岩强风化带3.90～4.6080060009安山岩中等风化带1.0025008000平面布置以石灰窑为例，平面形状为长方形。布桩时考虑桩受力的合理性，尽量利用桩间土应力σs产生的附加应力对桩侧阻力的增大作用。通常σs越大，作用在桩上的水平力越大，桩的侧阻力越大。CFG桩有效桩长不小于12m，桩径均为0.4m。桩中心距为1.5m。2基本原理CFG桩复合地基粘结强度桩是复合地基的代表，目前多用于高层和超高层建筑中。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，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。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，桩顶的垫层材料在受压的同时会挤向周围桩间土，以保证在任意荷载下桩和桩间土始终参与工作；由于CFG桩桩体材料可调，可避免散体材料及低强度桩的限制而使荷载传递深度有限的缺陷；CFG桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，降低了工程造价。复合地基设计中，基础与桩和桩间土之间设置一定厚度散体粒状材料组成的褥垫层，是复合地基的一个核心技术。基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。若不设置褥垫层，复合地基承载特性与桩基础相似，桩间土承载能力难以发挥，不能成为复合地基。基础下设置褥垫层，桩间土载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使桩端落在好土层上，也能保证荷载通过褥垫层作用到桩间土上，使桩土共同承担荷载。3施工中常见质量问题及预防措施3.1堵管堵管是长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩工艺常遇到的主要问题之一。它直接影响CFG桩的施工效率，增加工人劳动强度，还会造成材料浪费。特别是故障排除不畅时，使已搅拌的CFG桩混合料失水或结硬，增加了再次堵管的几率，给施工带来很多困难。堵管的原因及预防措施：1）严格控制混合料配合比。当混合料中的细骨料和粉煤灰用量较少时，混合料和易性不好，常发生堵管。因此，要注意混合料的配合比，尤其要注意将粉煤灰掺量控制在70～90kg/m3的范围内，坍落度应控制在160～200mm之间。2）施工操作不当。钻孔进入土层预定标高后，开始泵送混合料，管内空气从排气阀排出，待钻杆内管及输送软、硬管内混合料连续时提钻。若提钻时间较晚，在泵送压力下钻头处的水泥浆液被挤出，容易造成管路堵塞。3）冬期施工措施不当。冬期施工时，混合料输送管及弯头均需做防冻保护，防冻措施不力，常常造成输送管或弯头处混合料的冻结，造成堵管。冬施时，有时会采用加热水的办法提高混合料的出口温度，但要控制好水的温度，水温最好不要超过60℃，否则会造成混合料的早凝，产生堵管，影响混合料的强度。4）设备缺陷。弯头曲率半径不合理也能造成堵管。弯头与钻杆不能垂直连接，否则也会造成堵管。混合料输送管要定期清洗，否则管路内有混合料的结硬块，还会造成管路的堵塞。3.2窜孔窜孔主要是由于被加固土层中有松散的饱和粉土及粉细砂或钻杆钻进过程中剪切作用使土体受到扰动或能量积累土体产生液化。预防措施：1）在工程桩施工前，应先做不少于2根试验桩，并在竖向全长钻取芯样，检查桩身混凝土密实度、强度和桩身垂直度，根据发现的问题，修订施工工艺。2）采取隔桩、隔排跳打方法。3）根据地质具体情况，合理选择桩间距，一般以4倍桩径为宜，若土的挤密性好，桩距可以取得小一些。4）减少在窜孔区域的打桩推进排数，减少对已打桩扰动能量的积累。5）合理提高钻头钻进速度。3.3桩头空芯桩头空芯主要是施工过程中，排气阀不能正常工作所致。钻机钻孔时，管内充满空气，泵送混合料时，排气阀将空气排出，若排气阀堵塞不能正常将管内空气排出，就会导致桩体存气，形成空芯。为避免桩头空芯，施工中应经常检查排气阀的工作状态，发现堵塞及时清洗。3.4桩端不饱满主要是因为施工中为了方便阀门的打开，先提钻后泵料所致。这种情况可能造成钻头上的土掉入桩孔或地下水浸入桩孔，影响CFG桩的桩端承载力。为杜绝这种情况，施工中前、后台工人应密切配合，保证提钻和泵料的一致性。3.5缩颈或断桩主要原因是由于灌装填料配比有误及搅拌时间不够；冬施混合料保温措施不当；拔管速度控制不好；开槽机桩顶处理不好。预防措施：1）要严格按不同土层进行配料，搅拌时间要充分，每盘至少3min。2）做好成孔、搅拌、压灌、提钻各道工序的密切配合，提钻速度应与混凝土泵送量相匹配，严格掌握混凝土的输入量大于提钻产生的空孔体积，使混凝土面经常保持在钻头以上1m，以免在混凝土中形成充水的孔洞。3）控制拔管速度，一般1～1.2m/min。用浮标观测(测每米混凝土灌量是否满足设计灌量)以找出缩颈部位，每拔管1.5～2.0m，留振20s左右(根据地质情况掌握留振次数与时间或者不留振)。4）施工中要详细、认真地做好施工记录及施工监测，一旦出现缩颈或断桩，可采取扩颈方法（如复打法、翻插法或局部翻插法），或者加桩处理。3.6施工中局部实际灌量小于设计灌量主要原因是由于开始拔管时桩尖活瓣被粘性土抱着张不开，材料不能顺利流出；桩间距过小；混凝土初凝后才灌入。预防措施：1）在沉管前灌入一定量的粉煤灰碎石混合材料，起到封底作用。2）确定实际灌量的充盈系数（按规范规定的1.1～1.3选用）。3）用浮标观测检查控制填充材料的灌量，否则应采取补救措施，并作好详细记录。4试验与检验4.1复合地基试验为检验CFG桩施工工艺及复合地基加固效果，取得设计和施工的技术数据，进行了一点三桩复合地基和三根单桩静荷载试验，参数与工程桩相同。三桩复合地基试验最大加载值为5000kN，单桩试验加载值分别为900kN、600kN、300kN，加载程序和判定标准按规范要求。一点三桩复合地基和三根单桩静载试验结果表明：试验曲线基本属于渐进型的光滑曲线，不存在陡降点，且沉降随荷载和时间变化都是均匀的。取相对变形为0.01对应的荷载，其值均超过最大加荷量的一半，因此取最大加荷量的一半作为CFG桩复合地基承载力设计值。即CFG桩复合地基承载力设计值大于350kPa，复合地基承载力显著提高，满足设计要求。按相对变形0.01确定复合地基承载力，单桩复合地基在标准值为450kPa的荷载下沉降值与压板作用宽度之比分别为0.009、0.0096、0.004，其比值均小于0.01，表明单桩复合地基承载力满足设计要求。单桩静载试验在标准值为450kN时，沉降分别为2mm、3.6mm、3.6mm，说明单桩承载力仍有很大潜力。4.2轻便触探试验为对比加固前后桩间土承载力的变化，完工后，布置了7个轻便触探点进行试验。综合分析桩间土测试结果，CFG桩处理后浅层桩间土的承载力基本值不低于120kPa，比地基处理前的桩间土承载力有所提高。4.3低应变动力试验利用低应变检测CFG桩桩身完整性，检测比例约为10%，所测的180根CFG桩均属于完整桩或基本完整桩。试验表明：一点三桩复合地基高于三根单桩复合地基，发挥了桩间土的承载能力，基本消除了断桩、缩径、夹泥等质量通病，表明采取的施工工艺和技术措施是可行的。5结语1）复合地基的地基处理方式使得地基的承载力得到大幅度的提高，地基变形得到控制。2）由于CFG桩桩体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能力，具有地基承载力高、变形小、稳定快、施工简单易行、工程质量易保证等优点，经济效益和社会效益显著，发展潜力巨大。3）是否设置褥垫层以及垫层的材料和厚度，直接影响复合地基的桩和桩间土强度的发挥，合理的垫层厚度对提高复合地基承载力和减少沉降变形是非常有利的。