复合载体夯扩桩在某工程中的应用

2015-06-11周少华陈军

信息周刊 2015年10期

周少华　陈军

【摘要】复合载体夯扩桩为最近一种新地基处理桩型。本文通过对比介绍了复合载体夯扩桩与CFG桩地基加固机理；对同一工程采用该两种桩型分别从造价、工期及对环境的影响对比分析其各自优缺点。最后，从复合载体桩的设计、施工及检测介绍了复合载体夯扩桩的应用。近年来复合载体夯扩桩作为一项较成功的技术正逐步应用于工程建设中，而且具有极好的应用前景。本文意就复合载体夯扩桩的基本知识、加固机理以及设计、施工和检测几方面进行探讨。

【关键词】复合载体夯扩桩；CFG桩；加固机理；应用

一、工程概况

1、建筑物结构概况

由某房地产公司开发的大兴某工程，为7栋居民住宅楼，地上11—16层，地下一层，楼与楼间为一层纯地下车库，基底标高相同；楼外侧四周为一层底商，一期总建筑面积12500m2。

2、场地工程地质条件和水文地质条件

根据本场地勘察报告，自然地表下1～10m为粘性土和粉土，地基承载力特征值为70～200kpa，10m往下为④层细砂、⑤层圆砾卵石，地基承载力特征值300kpa以上。场区地下水水位埋深大于19.6m，施工时可以不考虑地下水的影响。

3、场地现有条件及环境状况

场区改造前为成片密集的危旧居民平房，位于黄村镇中心。施工前平房全部拆除，场区存留大量建筑垃圾。

二、地基基础方案的选择

为了满足结构设计对地基承载力的要求，解决主楼与纯地下车库、底商产生的差异沉降，本场地必须进行地基加固，为此项目部对地基基础加固方案组织专项招标，邀请岩土工程专业公司进行地基加固方案设计和投标报价。投标结果主要为CFG桩复合地基与复合载体夯扩桩两种加固方案。为了保证方案在本场地安全、经济合理，需对这两种桩型从技术安全、成本造价、工期进度、环境因素几个方面进行评价。

1、复合载体夯扩桩地基加固机理简介

复合载体夯扩桩是近年来发明的一种新的施工工艺，以桩端土体为研究对象，利用重锤冲击成孔，对周围土体进行挤密加固，当沉管到设计标高时，对桩端进行连续填料、夯实、挤密等操作，并用三击贯入度作为控制指标（三击贯入度为锤重35kN，上提6.0m，自由落体时贯入的深度），再填以干硬性混凝土，使桩端以下深度为3～5m、直径为2～3m区域约10m3的土体得到最有效的加固挤密，形成自上而下由干硬性混凝土、填充料、挤密土体和影响土体组成的复合载体，然后再放置钢筋笼、灌注混凝土。如图1所示：

复合载体夯扩桩的特点：

（1）内管底部的干拌混凝土（无桩尖工艺）可有效起到止淤和短时止水作用，使后续混凝土灌注质量得到保证。

（2）桩身混凝土借助于桩锤和内夯管的下压作用成型，可避免或减少缩颈或断桩等弊病的产生。

（3）在夯扩过程中，锤击力经内夯管的传递，直接贯入桩端持力层，强制将现浇混凝土挤压成夯扩头，同时，也將桩端持力层压实挤密，使桩端持力层得以改善，桩端截面积增大，促使桩端阻力和桩承载力大幅度提高。复合载体夯扩桩与夯扩桩是完全不同的，它主要靠锤击跟管成孔或振动成孔，通过对护筒内填料夯击，使桩端层土体密实。因此复合载体夯扩桩的受力与夯扩桩的受力也是完全不同的，夯扩桩靠桩侧与桩端扩大头承载，而复合载体夯扩桩由于桩侧摩阻力较小，主要靠复合载体受力，复合载体夯扩桩受力时，当荷载传递到桩顶，通过桩顶传递到干硬性混凝土，由于干硬性混凝土下为填充料，填充料与干硬性混凝土相比，孔隙比较大，压缩模量也较干硬性混凝土小，相当于干硬性混凝土下一软弱下卧层，压应力经软弱下卧层扩散后，压力降低；相对于干硬性混凝土，其下的挤密土体也相当一软弱下卧层，压力再次被扩散，当压力经过填充料、挤密土体和影响土体扩散后，当压力传递到复合载体下持力层后，压力已经明显降低，小于持力土层承载力，由于复合载体夯扩桩的桩长较短，其载荷试验曲线大都为一缓变型曲线，可见承载力主要通过复合载体传递到复合载体下持力层。

图2为复合载体夯扩桩的受力简化图。当承台梁下采用复合载体夯扩桩时，桩端载体等效为在桩端深度形成一条形基础；当独立柱基下采用复合载体夯扩桩，桩端载体等效为桩端深度处的一深层独立基础；当采用满堂布复合载体夯扩桩时，桩端载体在桩底等效为桩端深度处的筏板基础，故复合载体夯扩桩施工工艺实际上是一种将条基、独立基础、筏板基础等进行深层施工的技术。

结合本场地地层条件，将复合载体桩端选择在④层细砂上，可以充分发挥桩体作用，满足设计要求。

2、CFG桩复合地基作用机理简介

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，是在碎石桩基础上加进一定比例的石屑、粉煤灰和水泥加水拌和制成的具有一定强度的桩，桩的承载力主要来自全桩长的摩阻力及桩端承载力，桩越长则承载力越高，桩端落在好土层时可很好地发挥端阻，在复合地基增强体（桩体）系列中，CFG桩的置换作用最强，复合地基承载力提高幅度大，复合模量高，地基变形小，是高粘结强度桩复合地基的代表，目前大量用于高层和超高层建筑地基加固，桩身强度等级多在C15～C25之间。CFG桩、桩间土和褥垫层一起形成复合地基，筏板基础素混凝土垫层位于复合地基褥垫层上。其中褥垫层在保证桩、土共同承担荷载、调整桩土荷载分担比，减小基础底面的应力集中发挥着重要作用。根据本场地地层情况，选择第④层细砂作为CFG桩桩端持力层，其复合地基承载力和地基变形能满足结构设计要求。

3、以单栋主楼为对象，对CFG桩方案与复合载体夯扩桩方案进行成本比较在保证技术安全的前提下，企业已降低成本来最大限度提高市场竞争力，为此通过同一楼基础两种桩型的比较，可形象的说明问题。通过设计方案，比较如下：

通过以上基础造价对比分析，单栋主楼基础复合载体夯扩桩方案比CFG桩方案综合造价低19.8万元。

4、两种桩型在工期进度、环境因素上的比较（单栋楼）

从工期上和对环境影响程度方面CFG桩方案略占优势，但结合场地实际情况，开工初期复合载体夯扩桩更适合本场地情况，在不对环境造成危害同时能消纳现有场地建筑垃圾，既为建设方节约成本，又能美化环境。

5、比较结论：

通过以上三方面的比较，建设方选择复合载体夯扩桩在某工程施工更经济合理。

三、复合载体夯扩桩在某工程应用成果

1、复合载体夯扩桩的设计

根据现场勘察及室内土工试验成果，本场地勘察深度范围内的地层划分为人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层三大类，根据各地层岩性及工程性质指标对各地层划分为5大层及相应亚层，各土层的物理力学参数指标见表1。

勘察期间各钻孔均未见地下水，在设计计算时，不考虑地下水的影响。

a、持力层和桩长的确定

根据拟建工程的地质勘察资料，选取层细砂④作为复合载体夯扩桩持力层，既复合载体夯扩桩等效基础的底面位于细砂层的顶面。选取一代表性钻孔进行计算，该孔细砂埋深为30.71m，独立承台埋深35.2m，复合载体夯扩桩的桩长为4.5m。

b、单桩承载力计算

复合载体夯扩桩复合载体持力层的修正深度并不是桩的长度，而是建筑物基底埋深与桩长深度之和，根据规范，承载力深度修正计算按现行地基规范：

式中：ηd为地基承载力深度修正系数；γm为载体基础计算深度以上地基土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度（kN/m3）；d为等效基础埋置深度，，L1根据地质情况和填料略有差异，大量数据统计分析，一般取L1=2.0m，对于单桩承载力计算时，只考虑深度修正，而不考虑载体基础的宽度修正。

基础埋深d1一般自室外地平面算起。在填方整平地区可自填土地面算起，但填土在上部结构施工完成后时，应从天然地面标高算起。对于地下室采用箱形基础或筏基时，基础埋深深度自室外地面标高算起，采用独立基础或条形基础时从室内地面算起。当建筑物存在主裙楼一体结构，主楼结构承载力修正时的d1可以按基础底面以上范围内的荷载按基础两侧的超载考虑，当超载宽度大于基础宽度的两倍时，将基础折算成土层厚度作为基础埋深，基础两侧超载宽度不等时，取折算深度中较小值。经修正后，持力层地基土承载力修正为759kPa。设计桩径为450mm，桩长9.0m，有效桩长为4.5m，桩身混凝土强度为C30，复合载体落在细砂层上，三击贯入度不大于10cm，根据《复合载体夯扩桩设计规程》，Ae=1.9m2，单桩承载力Ra==1590kN>1500kN，满足设计要求。

c、桩身混凝土强度的验算

根据上部结构的荷载，计算出荷载效应基本组合时单桩上作用的竖向力，经计算单桩上作用的竖向力为1500kN，桩身混凝土强度为C30，混凝土强度，fc=14.3N/mm2，0.7fcAp=0.7×14.3×3.14×4502/4=1591kN>1500kN，表明桩身混凝土强度满足设计要求，选用直径450mm的桩径是可以的。

d、配筋

由于复合载体夯扩桩桩身混凝土主要起传力杠作用，故只要满足受力要求，满足构造配筋即可，主筋采用8φ12的纵向钢筋，箍筋采用φ8@200，在桩顶1.5m内进行加倍。

2、复合载体夯扩桩的施工

（1）合理安排打桩顺序。由于单桩承载力高，三击贯入度控制小，填料量大，因此合理安排打桩顺序显得尤为重要。邻桩影响不得超过两次，严格监测相临桩位移的变化，相邻桩的竖向位移差不得大于20mm。（2）控制桩位。用经纬仪和钢尺按建筑物轴线定位桩孔，孔位偏差控制在100mm以内。（3）严格控制桩垂直度。桩机定位后用细长锤成孔，由于护筒直径与桩径匹配，桩径一般不宜出现偏差，但因为场地平整等原因，桩机的打桩架可能不垂直于地面，造成护筒不垂直，直至桩孔不垂直，所以在成孔前与成孔过程中，要严格控制打桩架的垂直度，确保桩孔垂直度在允许偏差1%之内。（4）严格控制三击贯入度。打击护筒使其沉放至设计标高后，（工程桩端持力层为细砂层顶），细长锤锤击出护筒约3cm，连续三击的贯入度要严格控制在10mm以内，并且夯击后地面隆起不得大于50mm。（5）控制夯扩体的投料量。桩孔成型后，分批填入砖、碎石与干硬性混凝土，反复夯实挤密。投料量根据每根桩所处的地质条件异同而变化，投入不宜小于0.5m3，且不宜大于1.8m3，如投入量大于1.8m3时，应调整桩长或改变施工参数，结合试桩的实际情况由设计人员定出投料量。（6）控制钢筋笼的制作与安放。钢筋笼采用点焊制作而成，纵向钢筋连接采用双面焊，焊接要注意同心与焊条规格，同一截面上纵向钢筋接头不得超过50%，箍筋间距和加劲筋的距离要严格按设计文件要求执行。钢筋笼安放时要对准孔位，注意就位后固定。（7）控制混凝土灌注质量。本工程采用C30混凝土，开盘前，应严格控制混凝土坍落度，混凝土坍落度应根据地下水位、桩径等因素确定，一般为140～160mm。混凝土的浇注量要依据理论计算值进行控制，如发现异常，要及时解决。混凝土浇注完成后，提出护筒，护筒提升过程中应严格控制速度，密切觀察混凝土的沉降量，拔管速度过快易出现缩颈现象，严重者甚至断桩。护筒提出后，插入振捣棒进行振捣，注意插入深度，并“快插慢拔”。

5复合载体夯扩桩的检测

为了了解施工完毕的复合载体夯扩桩的施工质量是否满足设计要求，我们对施工完毕的复合载体夯扩桩进行了检测，复合载体夯扩桩的检测包括2部分：静载荷试验检测和低应变完整性的检测。

静载荷试验采用堆载方法进行试验，试验加载到设计要求单桩承载力特征值的2倍即3000kN，按总桩数量的1%进行随机抽取，但不少于3根，本小区共进行了28根静载荷试验，所有试桩在2倍设计荷载下变形最大为18mm，未达到极限，故承载力都满足设计要求，图4为部分试桩的载荷试验Q-s曲线。

低应变完整性检测是为了检测桩身混凝土质量的一种方法，由于静载荷试验检测数量比较少，往往低应变完整性检测作为桩基础的辅助设计进行，按照规范随机抽取20%的桩进行检测，经检测，所有检测的桩，桩底反射明显，波列清晰，表明桩身完整性也满足设计要求。

6.结论

该工程地基加固以历时约2年，经过对主体结构的沉降观测，基础沉降很小，地基加固是个非常成功的。做到了技术上安全，同时为建设单位节省造价。复合载体夯扩桩地基加固工艺由于具有诸多优点，目前在全国已被广泛采用，为国家节约了大量的建设资金。

参考文献：

[1]张东刚，阎明礼，马骥.CFG桩复合地基在北京望京高校小区高层建筑中的应用[J].建筑科学，2000.

[2]贺武斌，梁仁旺，王奎华.关于半刚性桩复合地基若干问题的研究[J].水利学报，2003（5）.

[3]复合载体夯扩桩技术初探--《科技资讯》2011年34期.

[4]叶书麟.地基处理工程实例应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[5]JGJ135/2001复合载体夯扩桩设计规程.