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CFG 桩复合地基的加固机理及施工工艺

2014-11-18韩新平

山西建筑 2014年19期
关键词:泵压褥垫成桩

韩新平

(山西长兴路桥工程有限公司,山西 长治 046000)

在施工中,当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时,就要对地基进行处理。随着技术的发展,地基处理手段也日趋多样化,有机械压实法、强夯法、挤密法、CFG 桩等。各种方法均有其适用范围,在施工中,应结合地基条件、加固要求、工程造价等综合因素,选择合适的处理方法。

随着科技的飞速发展,复合地基特有的工程技术优势和低廉的工程造价得到了越来越广泛的应用。CFG 桩复合地基是其中的典型,是应用最广泛的地基处理方法之一,常用于软弱地基或路基加固处理。在使用CFG 桩进行地基加固中,桩的作用使得地基的承载力提高,变形减小,且CFG 桩不配筋,混合料使用粉煤灰等工业废料作为掺合料,大大的降低了工程造价,且具有施工速度快、质量易于控制的优势,地基处理效果良好,在我国得到了广泛应用。

1 CFG 桩复合地基

CFG 桩(Cement Fly-ash Gravel Pile,简称CFG 桩),水泥粉煤灰碎石桩的简称,是在碎石桩的基础上发展起来的一种新型地基处理方法,是在碎石、粉煤灰中掺加适量的水泥加水拌合成混合料,使用成桩机具制成的可变粘结强度桩,属于复合地基刚性桩的一种。CFG 桩主要由桩身、桩帽、褥垫层组成,结构形式主要有:桩+板,桩+帽+褥垫层两种(见图1)。在CFG 桩中,桩体的主要材料是碎石,石屑为中等粒径骨料,能够改善级配,粉煤灰具有细骨料和低标号水泥的作用。在CFG 桩的设计中,可以通过水泥掺量以及配合比的调整,使得桩体强度在C5~C20 之间的范围内调整。在CFG 桩复合地基中,CFG 桩本身具有一定的粘结性,可在全长范围内受力,以充分发挥桩周摩阻力和端承力,从而大幅提高地基的承载能力。CFG 桩复合地基具有工后沉降小,稳定快的特点,适用于对填土、饱和及非饱和粘性土,以及松散的砂土、粉土等进行加固,但对塑性指数高的饱和软粘土使用时要谨慎。

图1 CFG 桩的两种结构形式

2 CFG 桩的地基加固机理

在CFG 桩结构中,桩全长受力,比碎石桩提高承载力可达4 倍或更高;同时,可提供将桩体向上贯入褥垫层来调整桩土的应力比,实现桩土的协调变形,确保承载性能。

2.1 CFG 桩复合地基的加固机理

在载荷状态下,CFG 桩复合地基依靠桩与桩间土始终共同工作,来共同承担荷载,利于大幅提高承载力。在CFG 桩复合地基中,当受到垂直荷载时,桩和桩间土都要发生沉降变形。由于桩的变形模量远高于土,故桩比土的变形要小很多。而设置的褥垫层是由散体材料构成的,在载荷状态下,可使得桩向上贯入(见图2)。在桩体贯入褥垫层的过程中,褥垫材料不断调整补充到桩间土上,以确保桩和桩间土始终共同工作(见图3)。桩对桩间土具有的挤密作用,可使得桩间土的侧应力增加而改善桩的受力性能。

图2 CFG 桩贯入褥垫层示意图

图3 CFG 桩复合地基示意图

2.2 CFG 桩褥垫层的作用

在CFG 桩复合地基结构中,褥垫层是由粒状材料组成的散体垫层。无论桩端是落在软土层还是硬土层,桩间土对桩始终有一个摩擦力。这对提高桩间土的承载力,减少地基的沉降变形起着关键作用。褥垫层可使桩、土共同承担荷载,调整桩、土对垂直以及水平荷载的分担,以减少基础底面的应力集中。试验结果表明,当荷载一定时,褥垫越厚,桩间土承担的荷载就越多;褥垫厚度一定,荷载越大时,桩承担的荷载比例就增加。可以看出,CFG桩复合地基能够有效的提高地基承载力,就是充分利用桩和桩间土的垂直和水平承载能力。根据这一原则,可大量减少桩的数量,且CFG 桩使用钢筋,工业废料和石屑作为掺合料浇筑桩体,水泥用量少,可大大降低工程造价。

3 振动沉管施工工艺

在我国20 世纪80年代,由于振动沉管打桩机数量多(见图4),分布也广。在CFG 桩复合地基的施工中,使用了振动沉管施工工艺并应用成功。

图4 振动沉管打桩机桩尖

1)施工准备。施工前,应准备好与施工相关的以下资料:地质勘察报告,CFG 桩布桩图,注明桩位编号、设计说明和施工说明等,地下电缆管线等设施,水准控制点和线路控制图,试成孔及施工可行的报告等。2)施工措施。施工机具和配套设备到位,施工材料供应到位,进行试成孔,地质资料复核,测量的基线、水准点及桩轴线定位点等关键部位复核,沉管标记检查,施工人员培训等。3)施工流程:场地平整→测量放线→套管就位→套管下沉及接管→终孔投料→振密→桩套拔出。在使用振动沉管法施工中,关键步骤包括沉管、投料及拔管。a.沉管。按照CFG 桩设计的要求,如:桩长、成管的入土深度等,合理确定机架高度及沉管的长度。待桩机就位后,将桩管垂直,要求的垂直度偏差不得大于1%。当采用预制钢筋混凝土桩尖时,则要将桩尖埋入地表以下300 mm 处。开始沉管后,启动马达,确定沉管达到预定的标高后停机。在沉管过程中,做好数据记录,例如激振电流变化等。b.投料。当沉管达到设计标高后须尽快投料,直到混合料与投料口齐。如在投料过程中发生投料量不足的情况时,应在拔管的过程中投料,确保成桩桩顶标高满足设计要求。c.拔管。拔管前,需在原位振动约5 s~10 s 后再拔管。拔管速度是影响成桩质量的重要因素。拔管过快,容易出现局部缩颈或断桩现象;拔管太慢或是振动时间过长,容易使桩顶浮浆增厚,增加混合料离析的可能。因此,为确保成桩质量,拔管速度一般控制在1.0 m/min~1.5 m/min 为宜。将沉管拔出地面后进行检验,确定成桩符合设计要求后,使用粒状材料或者湿粘性土进行封顶作业。采用振动沉管施工工艺进行施工,具有施工简便,经济性好,对桩间土挤密、加固效果显著的特征,是我国目前最主要的CFG 桩施工工艺。存在的不足是对施工质量控制要求较高,在施工中存在着振动和噪声污染等。

图5 长螺旋钻管内泵压CFG 桩设备

4 长螺旋钻管内泵压CFG 桩施工工艺

在我国,20 世纪90年代末,研制成功了专用于打设CFG 桩的长螺旋钻管内泵压CFG 桩施工设备(见图5)。该设备由长螺旋钻机、混凝土泵和强制式搅拌机组成。1)施工准备。施工前,以测量控制基准点为控制点,定位测量放线,确定桩位;使用钢筋或竹片标示好桩位,每个桩位标明柱位编号,并加以保护;施工机具准备好并就位;组织施工人员进行培训等。2)成孔。钻机就位后,先进行预检,要求钻头中心与桩位偏差不得大于20 mm。根据预钻结果调整钻机,采用双垂球双向控制好钻杆垂直度,合格后方可平稳钻进。当钻头刚接触地面时,先关闭钻头封口,下钻速度要慢。在钻进的过程中,将正常钻进速度控制在1 m/min~1.50 m/min。遇到卡钻或是发现钻机摇晃、偏移等情况时,应立即停钻调查原因,进行处置后方可继续钻进。钻出的土方应及时清理至指定地方堆放,不得在施工场地堆放。根据钻杆上标示的孔深标志控制钻孔深度至设计要求。3)泵送混合料成桩。合理安放地泵,尽量减少混凝土输送管路的管弯,利于混合料输送。拌合好的混凝土应符合设计要求,坍落度应控制在160 mm~200 mm 的范围内,并具有较好的和易性和流动性,严格禁止不符合要求的混凝土输送入管。送料斗内的混凝土高度不得低于40 cm,以确保泵送混凝土连续进行,以免吸进空气造成堵管。提升钻杆快要接近地面时,为确保桩头质量,应放慢提管速度并清理孔口渣土。在施工中,设置专人进行泵压与钻机提升情况指挥,确保钻杆提升速度与泵送速度相匹配。为确保成桩质量,必须严禁先提钻后灌料。4)桩头清理。成桩后,在不影响后续施工的前提下,组织设备和人员进行清运打桩弃土作业。清土时,要注意保护完工的桩体,必须将弃土堆放至指定地点。5)桩基检测。成桩施工完毕28 d 后进行成桩质量检测,再进行桩帽制作工作。

采用长螺旋钻管内泵压CFG 桩施工工艺,具有无振动和噪声污染的环保优势,且施工效率高,钻孔成桩一次完成。但工程成本高,这是影响其推广应用的最大因素。

[1]CFG 桩复合地基原理与施工技术[Z/OL].http://wenku.baidu.com/view/9c888d0f7cd184254b3535a4.html,2014.

[2]长螺旋CFG 桩简介[Z/OL].http://www.sdcfg.com/c_html_news/chaluoxuancfgzhujianjie-4.html,2014.

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