某CFG桩复合地基质量缺陷的原因分析与处理措施

2017-03-17李思佳李春亮

化工矿产地质 2017年4期

李思佳李春亮

1.石家庄衡顺永泰建筑工程有限公司，河北石家庄 050031

2.中化地质矿山总局河北地质勘查院，河北石家庄 050031

CFG桩复合地基应用广泛，主要是由于其具有施工工艺较为简单，经验成熟，工程造价相对较低，使其在地基处理领域具有较大的优势，但常出现一些质量缺陷问题。通过某工程CFG桩的质量问题进行总结分析，提出处理意见，同时对在CFG桩复合地基施工过程中容易出现的质量问题做个总结并提出预防措施，并对检测中需要注意的事项提出建议。

1 工程概况

河北省某工程1、2号住宅楼，地上32层，地下2层，采用剪切墙结构，筏板基础，基础标高均为―8.400m，±0.000m，相当于绝对高程77.15m。基底土质为粉质粘土。由于天然地基土强度不能满足设计要求，设计要求采用CFG桩复合地基，处理后的复合地基特征值不小于530KPa，平均沉降量不大于60mm，整体倾斜不大于0.25%。本工程地基设计等级为甲级。

2 场区地层概况及地下水

2.1 场区地层概况及桩设计参数

根据勘察报告资料，勘察最大深度60.00m，主要地层由表层的人工填土以及第四系冲洪积成因的粘性土、粉土、中粗砂等构成，详见表1。

表1 地层及桩基设计参数表Table1 Stratum and design parameters of pile foundation

2.2 地下水情况

根据勘察资料，本场地稳定地下水位埋深约14.50m左右，地下水属于第四系孔隙潜水，水位受季节影响较大，补给来源主要受大气降水及区域地下水侧向径流补给，下水年变幅1～2m。

3 CFG桩复合地基设计参数及施工概况

3.1 CFG桩设计参数

（1）桩径和桩长：桩径为400mm，有效桩长20.00m，施工桩长20.50m，桩顶土质为（4）层粉质粘土，桩端土质为选择（9）层粗砂（表1）。

（2）单桩承载力特征值：采用下式计算【1】：

Ra= Up∑qsiLi+αqPAp

式中：α—桩端端阻力发挥系数，根据当地经验，本工程取0.9。

qp—桩端端阻力特征值(kPa)；

Ap—桩体截面面积（m2），为0.1256m2；

Up—桩身周长(m)，为1.256m；

qsi—桩周第i层土侧摩阻力特征值(kPa)；

Li—桩长范围内第i层土的厚度（m）。

根据各钻孔计算结果，Ra值为915～942kN，根据当地经验保留一定的安全度，设计采用值为870kN。

（3）CFG桩面积置换率和桩间距：根据河北省地标《长螺旋钻孔泵压混凝土桩复合地基技术规程》（DB13(J）/T123-2011)第 4.3.1 条规定【2】，当地基设计等级为甲级时，设计计算时复合地基承载力特征值按按0.9的系数折减，故实际计算时复合地基承载力特征值应达到 530/0.9＝588.9kPa。桩在基础范围内按矩形布置，桩间距取1.25m*1.35m，面积置换率为7.44%，则复合地基承载力特征值按下式计算【1】【2】：

fsp，k= mλR/Ap+β·(1-m)·fak

式中：β—桩间土强度发挥系数，根据当地经验取0.90。

Λ—单桩承载力发挥系数，根据当地经验取0.90。

fk-—天然地基承载力特征值，这里为150kPa。

则 fsp，k= 0.0744╳0.9╳870/0.1256+0.9（1-0.0744）╳150=588.95kPa ＞530/0.9＝588.9kPa。

（4）桩体材料：桩体材料拟采用混凝土，材料轴心抗压强度平均值【1】应满足：

Ra≤fcu·Ap/4，即 fcu≥27.7（MPa）。

按河北省地方规程【2】桩体材料强度还应满足：Ra≤ψcfcAp

式中：ψc—施工工艺系数，有地下水时取0.6。

fc—混凝土轴心抗压强度设计值（kPa）。

即 fc≥11.54（MPa）。

因此设计桩体混凝土强度为C30混凝土。

（4）设计桩数量和检测值：1号楼和2号楼布置桩数分别为315根桩和368根桩，单桩复合地基承载力特征值检测值均不小于 589kPa，单桩承载力特征值检测值均不小于870kN。

3.2 CFG施工概况

工程自2013年7月10日开工，7月28日完成，历时18天。施工工艺为长螺旋钻孔孔内泵压混凝土工艺【2】，采用CFG-23A型CFG桩基，混凝土采用HBT60泵送，桩体混凝土为商品混凝土，其强度为C30，塌落度为180～200mm。

桩的施工顺序是自一端纵向开始连续施工，采用三班24小时不间断施工。在施工期间未见异常情况，在施工过程中做了相应施工记录及混凝土试块的制作等，每台班不小于一组试块，标准养护。根据检测中心提供的检测报告，桩用混凝土试块强度均达到了设计要求。

4 CFG桩质量检测情况、处理措施及变形监测结果

4.1 CFG桩质量检测情况

在CFG桩完成后整体均达到28天后由建设方委托检测单位对工程桩依据检测规范【3】进行了质量检测，包括单桩承载力特征值检测，单桩复合地基承载力检测以及桩身完整性检测。检测数量要求：单桩及单桩复合地基承载力检测数量各不少于1%且各不少于3根，桩身完整性检测数量不少于桩总数的30%【2】（表2）。

由于二栋建筑物中均存在一根单桩承载力特征值未达到设计要求，故检测结果给定为未达到设计要求。

根据检测结果，CFG桩复合地基未达到设计要求，根据规范相关要求，建设方委托了另外一家检测单位进行了扩大检测。为保证工程质量，消除隐患，建设方要求检测单位除另外抽检了 3个桩进行单桩承载力特征值的检测的同时，对所有桩进行了完整性检测。

单桩承载力特征值检测采用堆载式慢速维持荷载法，加载量不小于单桩承载力特征值的2倍。

桩身完整性检测采用低应变法，桩身缺陷位置按以下公式【3】计算：

确定桩身完整性类别按规范【3】判定。

根据扩大检测结果，二栋建筑物单桩承载力特征值均达到了设计要求（分别在I、II类桩中选取试验桩），桩身完整性检测结果（表3）。

表2 CFG桩复合地基检测成果表Table2 Test results of CFG pile composite foundation

表3 扩大检测桩身完整性检测结果表Table3 Expanding pile integrity detection results

IV桩说明：根据检测结果，本工程的出现的IV类桩基本上为夹泥砂造成的缺陷桩，位置位于7.0～9.0m。

4.2 CFG桩处理措施

根据扩大检测结果，综合两次检测结果，经多方沟通认为单桩和单桩复合地基特征值均达到了设计要求，在对IV类进行加固处理合格后【3】，可以进行复合地基的验收工作。

结合桩身完整性检测结果，由岩土设计单位对IV桩给出了加固处理方案，按处理方案处理后复合地基可达到设计要求。

加固方案要求：由于IV桩非集中分布，建筑物采用筏板基础，以及结合当地处理经验，处理方法为在 IV桩二侧各增加一根同原设计参数的桩，然后将原IV桩顶部1m混凝土截除后再采用中粗砂分层压密回填到桩顶标高。

施工单位根据设计要求采用原施工工艺进行了处理，监理单位对加固过程进行了全程旁站监督，完成后又对其所有加桩进行了桩完整性检测，检测结果所有加桩均为I类桩。在施工时，为了减小桩机对其他桩及桩间土的影响，该加固桩一定范围内回填了约50cm素土做为保护桩长，在桩顶移动路线铺设了钢板等防护措施。

4.3 建筑物沉降变形结果

本工程于2015年6月主体竣工，在施工期间和主体竣工 2年以来进行的在基础上设置的变形监测结果，建筑物沉降累计变形值1号楼6个监测点：11.52～14.68mm，2号楼 6个点监测值：12.79～14.83mm。

根据监测单位给定的监测分析结果为：

（1）沉降观测成果分析：建筑物各处最大差异沉降量较小，说明建筑物沉降均匀，未发生明显的差异沉降。

（2）时间—荷载—沉降关系分析：根据时间—荷载—沉降关系曲线结果可以看出，随着时间的推移、楼层（荷载）的增加和沉降量的增加为对应发展关系，说明沉降量均匀，同时在观测过程中没有出现反常现象，观测结果和观测精度可靠。

综合结果为建筑物在施工过程中及施工完成后至观测结点时沉降量较小，符合规范和设计要求。

5 CFG桩质量缺陷原因分析

虽然本工程的CFG桩质量缺陷问题最后较为圆满的解决了，建筑物总体变形也满足规范和设计要求，但是，我们会从中发现，不论是在施工还是在检测过程中，都或多或少存在的问题，通过分析其原因，也是为了给以后施工提供借鉴。

5.1 施工因素

根据扩大检测结果，发现了一定数量的IV桩，该问题在第一次检测中未发现，虽然也存在着一个概率问题，但也对工程质量留下了隐患，通过扩大检测结果消除了隐患。

根据测试结果分析形成IV类桩的主要原因，主要是桩身夹泥（砂），缺陷位置基本在7.0～9.0m左右，即地下水位附近，从中暴露出施工时的机械操作上的问题，主要为钻机提钻较快，混凝土泵压不及时。而II类桩也基本上是轻微缩径现象，也与钻机操作有关。对于个别桩头混凝土强度低，则主要是保护桩长不足，造成桩顶区混凝土离析使得混凝土强度变低的结果。

在处理出现不合格桩质量问题时，通过现场验槽，还发现其他一些问题，例如：

（1）桩位偏差：除放线偏差外，主要原因是钻机就位不准，孔位复查不到位等。

（2）桩径偏差：部分桩桩径较小，主要原因是钻具磨损变细，而修补不及时。

（3）桩头混凝土局部离析：个别桩头混凝土离析，石子含量少，强度低，主要原因是保护桩长不足。对于这种情况除要保证桩长外，还可以通过桩头混凝土震捣来避免。

（4）桩头破损：在现场发现部分桩桩头混凝土现在破碎、裂缝、缺角等情况。分析其主要原因是施工中及完成后保护不利。一是清槽时采用小型钩机在基槽上行走和回转，碾压桩头，造成桩头损坏。同时也存在在检测桩时的,使用的吊车在基槽上行走对桩头造成损坏、配重块及钢梁冲压桩头造成损坏等。

5.2 桩检测因素

一般情况下，在出现质量问题后，大多是从施工上找原因或者从地质条件变化上找原因，很少从检测方面找原因。分析本工程质量问题，虽然主要是施工上的问题，但是，也存在的检测方法的不尽合理性，虽然一般是个例，也有存在共性的地方。

（1）桩的最大加载值

根据调查，一般在进行桩的检测时，最大加载量大多取设计值的 2倍，严格来说根据相关规范规定加载量不应小于设计值的2倍【3】，虽然未违反规范规定，但这样为以后评价留下了隐患。当最大加载值取检测值的 2倍时，若当有一组桩存在缺陷不能达到设计值时，其平均值永远不会达到设计值，这样，就与《建筑基桩检测技术规范》第4.4.3条【3】规定相违背，不能客观评价桩的质量，给施工和设计增加了不合格的风险。因此，在实际试验时，最大加载值应超过设计值一定量，以便更客观和合理的对桩的质量进行评价。

（2）桩完整性检测及复测

该工程初次进行单桩及复合地基检测时，虽然对桩完整性进行了检测，但在检测后，没有再对桩的完整性进行复测，特别是出现质量缺陷问题后，也未对其进行复测，直接给出不合格结果。对于检测程序上，是不尽合理，且不利于分析不合格的原因。另外，分析桩的完整性更多的是靠技术人员的经验，经验丰富的能客观反应实际情况，经验欠缺的，可以对一些问题判断不准或者漏判，从而影响对整个工程质量的判断。

本工程在第一次检测结果出来后，对二栋楼的两根检测不合格单桩的原因进行了调查分析，其中一根桩是桩头碎裂破坏造成单桩承载力不足，另一根桩是沉降变形过大，超出了规范要求值造成单桩承载力未达到设计要求。通过原检测报告中的二根桩在试验前的小应变检测结果，第一根桩为I类桩，第二根桩为II类桩，通过进一步分析，第一根桩为I类桩没有问题，第二根桩存在较明显缺陷，定成IV类桩也未尚不可。而在桩试验结束并发现质量问题后，检测单位也未再对两根桩的完整性进行复核性检测，也没有相应的记录内容。而根据扩大检测结果，第二根定为IV类桩，曲线特征与检测前很相似。

根据两根不合格桩的检测结果及现状分析，第一根桩桩头破碎的主要原因是桩头混凝土强度不足。对于这种情况通常做法是通过分析原因，找出问题所在，是桩混凝土质量问题，还是试验问题等，若是认为是桩头混凝土有问题，则通常做法是将破碎的桩头清理掉，把桩头再继续整平，再对这根桩进行试验，查验试验结果，若合格，可以就是桩头混凝土质量有问题，如若仍不合格，则再分析原因。对于第二根桩，判断结果正确，但对于试验结果缺少进一步工作和描述，是存在不足的。因此，对于有疑问的桩或者在进行载荷试验结果有问题的桩，在试验结束后，仍应对桩的完整性进行复测，以便为分析质量原因提供依据。

（3）其他因素

在进行桩质量检测时，还存在一些其他对质量有影响的因素，比如：桩头处理平整度不够，试验桩的代表性，承压板刚度问题以及员工职业道德因素等。