CFG桩复合地基技术在地基处理工程中的监理控制

陈士凯（浙江江南工程管理股份有限公司深圳分公司， 广东 深圳 518026）

0 引 言

水泥粉煤灰碎石桩（Cement Fly-ash Gravel Pile，CFG桩）是由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用成桩机械制成的具有一定强度的可变强度桩，是在碎石桩基础上发展起来的地基处理技术，是介于刚性桩与柔性桩之间的桩型。其具有灵活性强、加固效果好等多重优势，通过应用CFG桩，有利于提高地基的稳定性，维持上方建筑结构的安全性[1]，对天然地基的松散、不均匀和持力不足等问题提出一种科学合理的处理方式。自20世纪80年代起，我国通过实验对CFG桩基技术应用进行科学研究，积累了宝贵的施工经验，至20世纪90年代原建设部将其列为重点技术并于全国范围推广。经过长期的施工研究、探索总结和技术革新，CFG桩基已经具备荷载调整幅度大、变形小、施工快、工效高和成本低等特点，特别适用于多层和高层建筑及公路工程等项目。不可否认，我国地缘辽阔，地质及气候环境复杂多变，工程人员技术水平欠缺以及在CFG桩基施工中遇到诸多难题，造成过不同程度的经济损失，因此应当根据实际工况加以分析研究，因地制宜地制定有针对性的技术措施进行控制，以达到预期施工目的。本文以CFG桩复合地基技术应用于商丘市某大型棚户区改造及安置房项目1号楼工程（以下简称“本工程”）为例，对CFG桩复合地基技术进行梳理、探讨与研究，具有重要的推广价值。

1 CFG复合地基加固机理

1.1 置换作用

CFG桩中的水泥、粉煤灰和水通过复杂的化学反应后凝结硬化，生成不溶于水的结晶化合物，这些结晶延伸到缝隙中形成了空间网状结构，将原来点-面结构和点-点结构的粗细骨料紧紧黏结在一起，极大地提高了桩体的弹性模量、剪切模量[2]，起到了置换作用。正是基于将CFG桩置换作为重要的技术考量，才大幅提升了桩土承载力。置换作用大小主要取决于置换材料的强度、弹性模量以及置换率等因素，CFG桩复合地基就桩体自身材料和桩间土的力学性质而言，其桩体强度和弹性模量要远大于桩间土，桩所承担的荷载约占总荷载的40%～75%。由此可见，CFG桩在复合地基中的置换作用是提升地基承载力的主要因素之一。

1.2 桩间土的改良作用

经过对CFG桩复合地基加固前后桩间土的物理力学性质指标的试验研究分析表明，加固后的桩间土的物理力学性质得到较大提高，一般含水量降低14%～19%，孔隙比降低13%以上，压缩系数减小11%～52%，天然容重增加1.03%～2.20%，静力触探比贯入阻力提高30%以上。同时发现在地基加固作用影响下，CFG桩对黏性土或粉土地质工程改善明显，而对砂类土改变相对较小，但振密效果较为明显。因此，CFG桩复合地基对桩间土的改良作用效果明显，也提升了地基承载力。

1.3 桩对土的约束作用

在CFG桩复合地基中，桩基既能将上部建筑荷载向较深土层传递，也能对桩间土起到阻止侧向变形的作用，间接提高了桩间土的压缩模量，从而提高了桩间土的竖向承载力。在相同荷载条件下，无侧向约束地基土的侧向变形非常大，使得地基竖向变形增大，在有侧向约束条件下，由于CFG桩对土体侧向变形存在一定的约束作用，减少了侧向变形，同时也减少了土体的竖向变形，使得复合地基抵抗变形能力大幅度增强。

1.4 褥垫层调整均化作用

在竖向荷载作用下，CFG桩复合地基由于褥垫层的作用，桩体逐渐向褥垫层中刺入，桩顶上部垫层材料在受压缩的同时向周围流动，而垫层材料的流动补偿使桩间土的承载力得到充分发挥，桩体承担的荷载相对减少，从而使基底的接触压力得到了均化和调整，地基中的竖向应力分布得到均化，地基的变形状况得到明显改善，复合地基的承载力将大大提高[3]。另外，随着作用在桩间土上部竖向荷载的增大，桩间土的压密度得到提升，使桩侧法向应力增大，桩身的侧摩阻力也增加，使得复合地基承载能力进一步提高。

2 工程背景

2.1 工程概况

商丘市某大型棚户区改造及安置房建设项目是一项重大的民生工程，对项目建设提出了极高要求。总建筑面积466 303.10 m2，其中地上面积326 630.70 m2、地下面积139 672.40 m2，主要包括住宅、地下车库、商业配套、物管房、储藏室以及道路、绿化、给排水、消防等辅助设施。其中1号楼为27层建筑，结构类型采用筏板基础＋框架剪力墙形式，自然地面标高约47.95 m，基坑开挖深度11.37 m；CFG桩端进入第⑥层粉砂层，桩数462根，桩长≥18 m，桩径400 mm，桩间距1.3 m，材料强度等级C25，单桩竖向承载力Ra≥680 kN。褥垫层采用3∶7级配砂石，最大粒径小于30 mm，300 mm厚，每边宽出筏板300 mm，夯填度≤0.9，复合地基承载力fspk≥460 kPa。

2.2 地质特征

根据岩土工程勘察报告，场地自然标高约为47.95 m，属于近期黄河冲积平原地貌，地势平坦开阔；地下水类型主要为潜水，在钻孔期间测得稳定水位埋深5.0 m～5.3 m。各土层揭示如下。

（1）①层杂填土：主要以拆迁后的建筑垃圾为主。

（2）②层粉土：褐黄色，湿，中密，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低；局部夹粉质黏土，棕褐色，可塑，分布不均匀。

（3）③层粉质黏土：灰褐色，可塑，摇振反应无，切面稍光滑，干强度中等，韧性中等。

（4）④层粉土：褐黄色，湿，中密～密实，定性为中密，含云母及铁猛质，摇振反应中等，无光泽反应，干强度及韧性低。

（5）⑤层粉质黏土：棕灰色，可塑～硬塑，定性为硬塑，摇振反应无，切面稍光滑，干强度及韧性高。

（6）⑥层粉砂土：褐黄色，饱和，密实，主要成分为长石、石英及少量云母，分选性较好，砂质纯净。

3 工程施工重难点分析

根据岩土工程勘察报告显示，本工程地下水位高，场地内广泛分布较深厚的饱和粉土及粉质黏土层，土层变幅范围大，地质环境复杂，极易因技术控制不合理而出现断桩、缩径、窜孔等问题；工程为旧城区拆迁改造工程，现场存在大量的旧基础、树根等废弃物，对CFG桩机钻进质量控制存有较大影响；由于施工时处于冬季，极端寒冷天气易导致泵管出现堵塞现象。因此，工程技术人员应根据工程的实际工况进行分析研究，编制出具有针对性的专项施工方案。

4 施工前的工作准备

4.1 施工工艺流程的确定

场地整平→定桩位→桩机就位开钻至设计深度→边压灌混凝土边提钻杆至超灌标高→成桩→挖除桩间土→凿除桩头→桩基检测→褥垫层施工。

4.2 施工前技术预控

首先督促施工单位根据设计图纸、岩土工程勘察报告、施工技术规范、工程验收标准及气候环境等相关文件编制有针对性的施工方案，完成内部审核后提交监理单位进行审核。监理工程师应结合相关施工图纸、特殊的地质环境和水文状况，重点对机械选型、工艺流程及技术控制参数等进行可行性审核，经总监理工程师签字确认后作为工程施工依据。其次，在工程开工前，应针对桩基工程概况、施工环境及验收标准等做好技术交底工作，然后进行试桩施工，以验证制定的各项技术参数的可行性，使相关人员能够掌握CFG桩复合地基工程的技术控制要点，确保工程质量控制有序展开。

5 施工技术控制

5.1 钻孔压灌技术控制

（1）首先进行场地的清理整平工作，根据桩位坐标及地面标高进行测量放线，报监理人员复核验收。其次，根据施工专项方案，采用长螺旋钻孔灌注桩机进行CFG桩施工，考虑到砂性土地质易产生混凝土窜孔问题，采取间隔跳打法由一侧向另外一侧推进施工；待相邻桩位混合料凝结固化后，再钻相邻桩位。

（2）钻机就位后，保持钻头中心对准桩位中心，调整双向水准泡，保证钻杆铅垂仪垂直，再根据桩底标高、桩顶标高与钻机动力头之间的高差关系，在钻机主塔下端标出钻机动力头相对于桩底标高处的标识以及在主塔上端标出钻机动力头相对高出桩顶80 cm处的标识，经监理人员复核确认后同意开钻。

（3）开钻时应向下移动钻杆使钻头触及地面，并关闭钻头阀门，启动按钮开钻，先慢后快。这样既能减少钻杆摇晃，又能检查钻孔的偏差。钻杆垂直度控制应通过钻机自身铅垂仪随时观测与纠偏，保证垂直度≤1%。钻进应匀速，速度控制在2.5 m/min，并及时清理返出孔口的渣土，当桩机动力头到达主塔下端相对于桩底标识处时，表明钻头已到达桩底标高，应当停止钻进。

（4）当钻机停止钻进后，应先向钻杆的芯管内压灌混凝土，停顿10 s～20 s，再缓慢提钻，边提钻边压灌混凝土，提钻按1.5 m/min控制，钻头在混凝土内埋深1 m左右，使钻杆叶片对混凝土有一定挤压作用，确保带压提钻。当动力头提升至主塔上端相对高出桩顶80 cm标识处时应停止压灌混凝土，保证混凝土超灌高度≥80 cm，然后提钻出孔移机至下一桩位。

（5）由于施工现场广泛分布饱和粉土和粉质黏土，土层变化范围大，且稳定水位埋深5.0 m～5.3 m，桩身土体处于饱和水状态，不利的地质环境极易产生断桩、缩孔等问题，在施工前应针对施工的具体桩位计算出饱和粉土和粉质黏土的相对标高，在提钻过程中适当减少至1.0 m/min～1.2 m/min为宜。

（6）浇筑混凝土时应加强坍落度检查，因为坍落度大小对CFG桩基质量影响很大。混合料坍落度过大，会形成混凝土的离析和泌水，导致桩顶浮浆过多，桩体强度会降低，因此混凝土坍落度必须控制在180±20 mm之间。

（7）在混凝土浇筑过程中，监理人员应全过程进行旁站，并记录混凝土浇筑的起止时间、钻杆提升速度、混凝土坍落度、混凝土浇筑标高、浇灌数量、充盈系数以及有无发生塌孔等异常现象，按有关规定见证混凝土试块的留置，并送标养室进行养护。

（8）由于CFG桩混凝土全部埋入地面以下，故采取湿土覆盖养护即可。桩基混凝土浇灌完成14 d后方可安排桩间土的开挖外运，养护期间，任何大型机械不得进入现场，防止产生扰动。

5.2 清除桩间土及凿除桩头

（1）在桩间土开挖过程中，严禁大型机械在桩顶上部通行，防止对桩顶混凝土产生挤压破坏。严格加强对基坑、集水坑、电梯井的边线位置和标高尺寸的测量与控制，防止出现超挖、误挖及错挖等现象。

（2）当机械开挖至基底上部30 cm时，用水准仪及时测量标高，采取人工配合清土，将机械挖不到的地方和桩边土清除后运到机械作业范围，由机械挖运至指定场地堆放点。开挖集水坑和电梯井时应按放好尺寸线，先将内口线开挖至设计标高处，然后再按外口线进行修坡。

（3）基坑留置的30 cm土层清除后，在桩顶标高处绕桩身周围做一道水平标记线，沿此线采用手持电动切割机进行切割，切割交圈后用手锤和錾子进行截桩处理。在桩身四周切缝处采用手锤分别对3个錾子进行均匀锤击，直至桩身被截断为止，并对桩顶的凸突面作凿除处理。

5.3 褥垫层施工控制

（1）CFG桩头凿除施工完成后，即可进入褥垫层施工。褥垫层的铺筑按3∶7级配砂石均匀拌制，有机物含量＜3%；砂石应根据其干湿程度和气候条件适当洒水，保持最佳含水率控制在8%～12%之间。

（2）褥垫层铺设深度不同时，连接面应挖成踏步或斜坡形，同一标高的接茬处应做成斜坡。施工应按先深后浅顺序进行，分2层铺设，每层铺170 mm，采用蛙式打夯机分层夯实，落距为400 mm～500 mm，要一夯压半夯，夯夯相接，全面夯实，且不少于3遍，每层夯实至150 mm。

（3）铺设标高处于同一层面的，铺设厚度按340 mm控制，采用8 t～12 t压路机往返静力碾压，碾压遍数≥4遍，轮距搭接≥500 mm，碾压厚度达到300 mm即可，以符合夯填度≤0.9设计要求。另外，应对标高及平整度进行验收，标高满足±15 mm，平整度符合20 mm/2 m。

6 施工中出现的问题及相应对策

6.1 泵管堵塞

CFG桩基开钻不久，经常出现泵管堵塞，导致无法连续进行泵压混凝土，对成桩质量产生严重影响，极易出现断桩。据此，对混凝土原料及配合比进行优化，采用级配良好的碎石掺入20%卵石，粒径8 mm～25 mm，粉煤灰掺量由76 kg/m3增加到90 kg/m3，以进一步减少混合料的泌水性，增加和易性，改善可泵性。另外，结合冬季施工特点，在混合料搅拌时掺入3%～5%的防冻剂，以降低拌和料冰点，同时加强对混合料的测温工作，确保混合料的入孔温度≥5℃。在泵管的外层包裹一层防冻棉，防止混合料降温速度太快，减少泵管的过弯数量，以降低泵送压力。通过对泵送混凝土进行必要的技术调整，堵管问题得以解决。

6.2 钻进困难

在钻进87号桩孔时，遇到地下不明障碍物，出现憋钻现象，且钻杆摆动非常厉害，而操作人员多次提钻后复钻，均无法钻进，此时钻头距离地面仅约1.4 m。经现场查看后移开钻机，对桩位进行开挖检查，发现是一口废弃的砖砌古井，对古井尺寸进行尺量，深度约为17 m，井口内径为60 cm，古井深度较深且井内水位较高，无法挖除。由总监理工程师组织各参建单位负责人召开专题协调会进行讨论，经研究决定：在原87号桩的东侧70 cm处重新确定87号桩，以取代原桩位，在基坑开挖完成后，采用导管伸至井底部，再用C15素混凝土浇灌至基坑的底标高，根据场地原始地形地貌，对旧基础、树根等障碍物进行探明及挖除。

7 施工效果评价

7.1 试验检测

JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》规定：复合地基静载荷试验和单桩静载荷试验数量不少于总桩数1%，且每个单体工程的复合地基静载荷试验数量不应少于3点，采用低应变动力试验检测桩身完整性，检测数量不低于总桩数10%。据此，确定桩基检测数量：低应变动力检测47根；单桩静载荷试验5根；复合地基静载荷试验5组。

CFG桩基施工完成28 d后，根据施工状况选择47根桩提交桩检单位进行采集信号并作综合分析判定：本次检测共计47根桩，其中I类桩为40根，II类桩为7根，所检测的47根桩身结构完整性满足设计要求。选取5根代表性桩进行单桩静载荷试验，加载至1 360 kN时终止加载，总沉降量在14.34 mm～17.08 mm之间且Q-s曲线平缓，无明显陡降段，s-lgt曲线呈规则排列，根据JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》判定，取680 kN为单桩静载荷特征值，满足设计要求。

选取5个试点进行复合地基静载荷试验，加载至920 kPa，其对应最终沉降量在10.18 mm～12.45 mm范围内，P-s曲线和s-lgt曲线正常，沉降速率稳定，根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》判定，取460 kPa为复合地基承载力特征值，满足设计要求。

7.2 效益分析

（1）CFG桩基施工环节少，桩基无需配置钢筋，成桩效率高，与其他桩基相比，可缩短工期约30%；与静压预制及其他桩基类型相比，可节约工程造价约30%～50%。由此可见，CFG桩可用于多种软弱或相对软弱土层中，能大幅提升地基承载力，具有适用性强、地基变形量小、工期短和投资成本低等优点。

（2）在CFG桩基混凝土中加入一定量的粉煤灰，不仅可改善混凝土的微观结构，提高粗骨料与砂浆之间的界面强度，还可以改善混凝土和易性，显著提高混凝土的施工性能，节省大量的水泥；利用工业废料，减少对环境产生的污染，桩基施工噪声低，也实现了绿色施工，产生了良好的社会效益和环保效益。

8 结 语

CFG桩基是近年来国内快速发展的复合地基处理方式，特别是因天然地基存在松散、不均匀、持力不足等不良条件下的行之有效的一种技术处理。本文重点从复杂工况环境下施工技术的监理控制以及所遇问题实施对策方面进行阐述，旨在为CFG桩复合地基处理技术进一步完善提供有益技术积累，为工程技术人员提供经验参考。由于施工工况环境差异极大，应针对不同环境科学合理地研究分析出不同的施工工艺参数，编制有针对性的专项施工方案，为施工提供确实可行的控制依据，也为CFG桩复合地基处理技术迈向成熟作出积极探索。