对长螺旋钻管内泵压CFG 桩在复杂地基处理施工探讨

摘要：本文主要是采用CFG桩处理高层建筑地基,可以大大提高地基的承载力,同时复合地基的变形模量也得到较大提高,减小了建筑物的沉降量,是一种处理高层建筑地基比较理想的施工技术。在粉砂土层中采用长螺旋钻管内泵压CFG桩施工工艺,不仅大大提高施工速度,同时也可以很好地保证桩基的施工质量,并在该工程施工中取得了良好的效果。

关键词：长螺旋钻管；高层建筑；CFG桩；复杂地基；处理；

1 工程概况

某高层建筑B座地下1 层, 地上13 层, 工程总建筑面积14 000 m2; 框架剪力墙结构, 基底标高最深处为- 7.80 m。场地土层自上而下主要为：① 杂填土： 层厚0.8~2.3 m; ② 细砂： 层厚2.10~ 3.50 m; ③ 粉土： 层厚1.70~ 3.20 m; ④粉细砂： 层厚2.80~ 4.90 m; ⑤中砂： 层厚1.90~ 4.20 m; ⑥粉土： 层厚1.0~ 3.70 m; ⑦粉质粘土：层厚1.60~ 3.80 m。地下水类型属于孔隙潜水, 稳定水位2.50~ 4.50 m, 地下水对混凝土结构无腐蚀性。设计要求地基承载力特征值大于300 KPa, 根据设计基底标高, 基础座落在第④层粉细砂层上, 其天然地基承载力特征值f ak=140 KPa, 不能满足设计对地基承载力的要求, 必须对原地基进行处理。

2 地基处理方案选择

地基处理方法的选择是否正确、合理, 是决定工程建筑安全和造价的关键。可供选择的处理方法有水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法等。水泥土搅拌法的施工质量较难控制，易产生搅拌不均而导致水泥土桩强度差异大，产生沉降不均或沉降过大；高压喷射注浆法造价较高，对场地污染较重；CFG桩复合地基能大幅度提高地基承载力, 可以通过调整桩长、桩距、桩径达到不同的复合地基承载力, 同时通过褥垫层的作用使桩和桩间同承担上部荷载, 其中桩承担的荷载占总荷载的40%~ 75%之间, 从加固机理分析CFG桩复合地基更适合该地基处理; 另外CFG桩身不配置钢筋, 桩体素混凝土加工业粉煤灰, 造价低廉，施工质量容易控制，施工速度快。通过综合分析、比较, 并结合地下水位情况及周围环境条件, 采用长螺旋成孔管内泵压CFG桩对B座地基进行处理较为合适，以处理后的复合地基作为基础持力层。

3 复合地基设计

3.1 复合地基设计参数

设计CFG桩桩径400 mm, 桩距1.2 m, 置换率6.5%,桩长12 m, 桩顶标高- 8.20 m（含保护桩段为-7.70m）, 桩端进入第⑧层细砂层不少于1.0 m, 桩身强度等级C15; 褥垫层厚度20 cm, 采用5~ 10 mm碎石夯填( 图1) 。

3.2 复合地基承载力计算

根据《建筑桩基技术规范》JGJ94- 94, 单桩竖向极限承载力标准值:

Quk=Qsk+Qpk=uΣqsiklsi+qpkAp=1 020 kN, 则Ra=510 kN

根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79- 2002, 复合地基承载力特征值:

f spk=mRaAp+β(1- m)f ak=342 kPa

3.3 变形计算

复合地基的变形包括加固区的变形量和下卧层的变形量, 计算变形的方法采用复合模量法, 根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79- 2002, 计算复合地基最终变形量为53.2 mm, 在规范允许范围之内。

4 复合地基施工

4.1 CFG 桩材料

CFG桩桩身强度等级C15, 材料采用42.5 普通硅酸盐水泥、细砂、粒径5~ 20 mm碎石、Ⅱ级粉煤灰和泵送剂, 混合料坍落度16~ 20 cm。

4.2 施工工艺及控制重点

4.2.1 工艺流程

定桩位施工准备、确定钻进深度钻机就位调整钻杆垂直度钻孔至设计标高预先搅拌混合料提管同时泵送混合料至设计标高清理桩间土凿桩头质量检验褥垫层施工

4.2.2主要项目的施工方法

1) 测量放线。按照设计要求和施工要求,根据建设单位提供的坐标和水准点,在现场设置控制网,包括轴线和水准点。灰线、标高、轴线应进行复核检查,验收后方可施工。

2) 放线定桩位。根据CFG桩平面位置图进行放线定桩位,桩位用

3) CFG桩施工。长螺旋钻管内泵压CFG桩施工工艺是由长螺旋钻机、混凝土输送泵、混凝土罐车等机械组成完整的施工体系。CFG桩施工时,钻机就位后,调整钻机塔身的前后和左右垂直度,达到规范要求后,开始钻孔,关闭钻头阀门(钻管下钻头处设有可开启的阀门,混合料沿钻管通过阀门进入孔中) ,向下移动钻杆至钻头触及地面时,启动马达钻孔,直到设计桩长预定标高。CFG桩成孔达到设计标高后,停止钻进,开始泵送混合料,混合料经混凝土输送泵及输送管道到达钻机动力头处弯头,经弯头进入钻管内,当钻杆芯管充满混合料后开始拔管,拔管时,钻头处阀门自动打开,混合料填充钻孔,继续拔管,混合料全部填充钻孔而成桩。成桩时预留保护桩长500 mm 。

采用泵送施工,要求混合料的坍落度为16 cm～20 cm ,石子粒径不宜大于20 mm。桩头振捣深度不小于2 m。用插入式振捣棒对桩顶加振3 s～5 s ,提高桩顶混合料密实度。严格控制泵送混合料的输送量,灌入量不得低于设计用量,确保桩顶超灌高度。严格控制拔管速率并且速度应均匀,拔管速率太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩,而拔管速率过慢又会造成水泥浆分布不匀,一般控制在1. 5 m/ min～2. 0 m/ min 左右,应与混合料的输送速度相一致。

质量要求:桩施工垂直度偏差不大于1 % ,桩位偏差边桩不大于70 mm ,中间桩不大于150 mm。

4) 清土锯桩头。CFG桩施工完成后,桩身混合料强度达到70% ,即可清除桩顶余土和凿除桩的保护桩头段(具体时间由试块试验报告确定) 。采用小型机械和人工进行清土,先由机械清除上部,预留100 mm 由人工清除,并将桩头清理出来。桩头凿除时采用机械和人工凿除,首先用专用水平切割机从两个方向进行切除,锯断面积大于桩截面积的70 % ,然后用人工使用钎子和锤进行凿除,使桩头面平整,以保证桩头的质量 。

5) 铺设褥垫层。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。当基础承受垂直荷载时,桩和桩间土都要发生变形。桩的强度及模量远比桩间土的大,桩的变形远比桩间土的变形小。但由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层,桩体除向下刺入外,还可以向上刺入,伴随这一变化过程,垫层材料的流动补偿使之不断调整补充到桩间土上,以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与共同工作。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。

本工程褥垫层厚度为200 mm ,宽出底板边300 mm ,采用平板振捣器振捣密实。原材料采用级配碎石,粒径为0. 5 cm～2 cm。

4.2.3 混合料搅拌质量

由于混合料搅拌质量直接影响桩的质量和施工速度,当混合料出现搅拌不均匀、离析、泌水等质量问题时容易产生堵管, 无法正常施工, 要求每盘混合料搅拌时间不少于60S, 混合料坍落度控制在16~ 20 cm。

4.2.4混凝土泵的泵送量与钻机的提拔速度匹配

保证混凝土泵的泵送量与钻机的提拔速度相匹配是CFG 桩施工的关键。该工程选用HBT60 型混凝土泵与ZS21- YC21 型长螺旋钻机配套施工, 在施工时钻机提拔速度宜控制在2~ 3 m/min, 根据提拔速度进行泵送量的匹配,钻杆严禁超拔。在施工时需要熟练技术人员指挥协调混凝土泵和长螺旋钻机之间的配合。

4.2.5 混合料施工工艺中的排气问题

在混合料连续输送过程中, 当钻杆提拔时若无排气装置, 将导致在钻杆内产生负压, 造成断桩或其它桩身质量问题。因此需要在长螺旋钻机动力头弯头处设置排气阀,保证钻杆内的空气可以排出。在施工过程中, 要求每天检查排气阀, 确保排气阀不会被水泥浆堵塞。

4.2.6 保护桩长

施工后桩顶标高高出设计桩顶标高500 mm。

4.3 清土及截桩

CFG桩施工7 d 后采用机械挖土并留置不少于700 mm厚土体, 采用人工开挖; 剔除桩头时用钢钎沿桩周向桩心逐次剔除至设计标高, 桩头处理后, 桩间土和桩头在同一标高; 不得使用重锤横向打击桩体, 清土和截桩时不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。

4.4 褥垫层铺设

褥垫层铺设在桩头处理结束后进行。褥垫层材料使用5~ 20 mm碎石, 虚铺后采用采用平板振捣器振捣密实, 夯填度0.87。

5 质量检测

B座共施工CFG桩595 根, 施工28 d 后抽取60 根桩作桩身完整性检测, 并作4处复合地基静载试验。

5.1 桩身完整性检测

采用低应变反射波法检测桩身完整性, 其中Ⅰ类桩占被测桩总数的78.33 %, Ⅱ类桩占被测桩总数的21.66 %, 桩身质量满足设计及规范要求。

5.2 静载试验

静载荷试验采用混凝土块堆载慢速加载试验法, 确定检验桩的单桩复合地基承载力标准值。加载试验使用油泵、油压千斤顶, 加荷值由连接于千斤顶的压力表测定, 由百分表监测沉降。

单桩复合地基承载力基本值由试验Q- S 曲线直接求取, 复合地基承载力特征值均不小于342 kPa, 满足设计要求。

5.3 复合地基试验检测结果分析

对单桩复合地基载荷试验点的实测数据进行整理、计算,并绘制对应的压力―沉降( P ―s) 曲线。4 条P ―s 曲线均为渐进的缓变形曲线,当试验加至最大荷载时,4 条曲线均未出现明显陡降段。取s/ b = 0. 01( b 为承压板的宽度) 对应的荷载,其值均超过最大荷值的一半,因此取最大加荷值的一半作为CFG桩的单桩复合地基承载力特征值,满足设计荷载的要求。

6 沉降观测

采用CFG桩复合地基处理后, 变形计算值为53.2 mm。结构施工过程中, 自地下室开始在每层结构完成后进行沉降观测, 到结构施工完成。B 座复合地基沉降值不超过20 mm, 沉降速率为0.017 mm/d, 已进入沉降稳定阶段,结构施工完成后建筑物的沉降量约为最终沉降量的70%,按照沉降的发展规律推断, B座地基最终沉降量将不超过设计要求的53 mm, 满足规范要求。

7 结论

( 1) CFG桩复合地基能够很好的解决高层建筑地基承载力问题。从该工程来看, 地基处理后承载力特征值提高2.4 倍。

( 2) CFG桩复合地基充分利用了桩间土的承载力, 与采用桩基础技术相比, 其造价和工期仅为桩基础的1/3 左右, 综合经济效益明显。

( 3) 采用长螺旋成孔管内泵压CFG桩施工工艺其施工效率高、成孔穿透能力强、质量容易控制、噪声低、不存在泥浆污染且造价较低等优点, 值得在城市高层建筑地基处理中推广。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。