取土成孔柱锤夯扩CFG桩复合地基技术及应用.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.文章编号:10045716(2004)03004904中图分类号:TU472 文献标识码:B取土成孔柱锤夯扩CFG桩复合地基技术及应用康景文,崔 军(中国建筑西南勘察研究院,四川 成都610081)摘 要:对取土成孔柱锤夯扩CFG挤密桩地基处理机理、影响因素、设计方法、施工方案及检测中的具体问题进行分析和讨论。通过工程实例,说明结合特定的地质条件,采用不同的施工工艺可获得满意的地基处理效果。关键词:取土成孔;跟管夯扩;复合地基 取土成孔柱锤夯扩CFG桩复合地基是在土桩、灰土桩、柱锤夯实法及强夯置换法的基础上发展起来的一种复合地基。取土法(还有沉管法、冲击法)成孔,柱锤夯实的CFG桩,其机理与沉管夯扩桩基本相同,只是沉管桩一般孔径小,依靠桩长和数量体现置换加固作用,但对桩间土挤密加固效果较差。取土成孔柱锤夯扩CFG桩是利用柱型重锤夯击回填的CFG填料挤密桩间土形成较大桩体,桩体与挤密后的桩周围土共同工作,从而构成复合地基,以提高地基承载力,减小地基变形量。用该方法形成的复合地基具有少开挖土方、机具简单,施工简便和施工速度快、噪音小、无泥浆污染,且为干作业,施工不受季节限制等优点。取土成孔柱锤夯扩CFG桩复合地基方法可分为柱锤冲孔夯扩挤密法及沉管柱锤夯扩置换法,前者适用于处理杂填土、粉土、非流塑状态粘性土等软弱地基,后者适用于处理地下水位以下的流塑状态粘性土、粘性素填土和淤泥质土等地基。成都地区市近年结合地质和施工条件,为充分利用取土成孔柱锤夯扩CFG桩取得了良好的社会效应和经济效益。迄今为止,我院利用这种地基处理方法在成都及其周边地区已完成工程项目千余项,其中绝大部分为12层以上的高层建筑,根据部分建筑物的沉降观测资料可知,该处理方法除能满足承载力的要求之外,地基的最终沉降量也满足规范要求,并能消除砂土液化现象。根据工程项目的实际情况统计,复合地基处理的工作环境一般有三种,浅基础加固地基土的情形。在这种状态下,桩直接从持力层至地表;深基础加固地基土的情形,一般基坑先开挖57m,然后在基坑底部进行地基处理,这种情形最为常见;特殊的情形,桩底达到持力层,但成桩至基础设计标高,上面一段不填料,然后开挖基坑到基底深度。本文所述的即是在不开挖、而且存在上述不利因素条件下取土成孔夯扩桩复合地基处理的工程项目,着重从施工的角度对这种特殊情形下取土成孔夯扩桩的成桩效果进行讨论。1 加固机理、工作原理和特点及施工工艺1.1 取土成孔柱锤夯扩CFG桩复合地基机理(1)成孔及成桩过程中对原土的动力挤密作用及固结作用;(2)夯扩桩充填的置换作用(包括桩身及挤入桩间土的骨料);(3)水泥的水化和胶凝作用(化学置换),且产生离子交换和表2地基承载力及压缩模量表地层名称厚度(m)承载力标准值(kPa)压缩模量标准值(MPa)掺粘土、粉煤灰砼复合地基1.230030.0掺生石灰、碎石类土复合地基0.82507.0粉质粘土1.92206.8粗砂、砾砂2.525020.0粉质粘土 102009.0(2)主体施工后设备运行期间,对其进行了为期两年的沉降变形观测,沉降观测采用三固定原则,即固定作业人员,固定仪器,固定路线。观测结果表明焦炉基础纵向、横向倾斜沉降均5mm,建筑物未发生裂缝及不均匀沉降。观测成果见表3。6 结论(1)为保证同一建筑物不同基础形式的同步运行,关键在于地基承载力及压缩模量这两个参数是否一致。表3基础沉降观测成果表(单位:mm)观测点号 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 第6次 第7次 第8次 第9次 第10次B100.50.50.50.51.01.52.02.55.0B200.20.20.50.50.50.51.01.53.0B300.20.20.50.51.01.01.52.04.0B400000.20.60.71.01.53.5B500.10.10.10.20.40.71.01.53.0(2)在不损坏原有建筑物的情况下,采用挖洞置换加固地基的方法,不仅加快了施工进度,使企业设备提前投入运转产生效益,同时运用多种常用建筑材料,不仅达到了设计技术要求,也降低了施工成本,是一种值得推荐的方法。参考文献:1 林宗元.岩土工程治理手册M.辽宁科学技术出版社,1993.总第94期2004年第3期 西部探矿工程WEST-CHINA EXPLORATION ENGINEERINGseries No.94Mar.2004 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.凝硬反应,使土的强度显著提高,且具有一定的水稳性。1.2 工作原理通过特制的柱锤在孔内夯实填料,使之侧向挤压周边土,将土压密或将填料侧向挤入土层中,利用CFG材料自身的强度和刚度,充分发挥桩端地基土的承载力和桩侧土的摩阻力及桩间土自身的承载能力形成强度高变形量小的半刚性复合地基。成孔过程中用孔径较小的取土器取土成孔,同时将部分土体挤向孔壁周围,桩间土被挤密。在分层填料分层夯实成桩过程中,通过夯实填料,形成又一次扩孔,使桩间土再次被挤密,这样桩与桩间土组成复合地基。1.3 主要特点通过挤密桩间土,提高了桩间土的强度,使得桩土应力比较小,再加上复合地基与基础之间设置1030cm厚的级配砂石垫层,使处理后的复合地基承载力由桩和桩间土共同承担,充分发挥出挤密后桩间土的承载能力。1.4 施工工艺测量放线 确定桩位 分次取土成孔 分层填料分层夯实成桩 质量检测 复合地基检验。2 施工工艺的选择与比较2.1 施工工艺选择采用何种施工工艺,首先必须满足结构设计对承载力、沉降量和柱基间差异沉降量的要求,以及消除液化等不良地质现象。在此基础上,再细致地研究拟建场地的地质条件,分析各种可能的施工工艺的优缺点、适宜性。同时,结合场地条件及环境条件,对比分析后,选取最优的施工工艺和施工方案,从而保证最终的地基处理方案质量可靠、经济合理。从环境条件考虑,拟建场地地形平坦程度,临近建筑物和构筑物的距离及承受振动的能力。从地质条件考虑,基础持力层是否为杂填土、素填土,厚度和变化程度,是否为新近沉积可塑粉质粘土和粘质粉土,再下是否为新近沉积的稍密、中密和密实粉细砂,粉细砂层、地下潜水水位情况。从经济角度出发,基础设计时排除了桩基方案,而选用了复合地基方案,应考虑独立柱基基础面积较小,竖向荷载大,当要求的复合地基承载力较高,需提高单桩承载力,减少桩数,降低面积置换率。2.2 施工工艺选择综合各种因素考虑,几种可能施工工艺对比分析的结果如下:(1)普通的振动沉管施工方案,该方案有以下几个缺点需考虑,孔底易产生虚土,有时还会塌孔、缩径;同时,若采用短桩,单桩承载力将较小,难以满足承载力的要求,且群桩效应明显,不经济;若采用长桩,在含水砂层中易产生流砂现象,很难保证施工质量。如遇有粉细砂层,振动沉管桩施工工艺,桩端进入粉细砂将是一个很大的困难,且其挤土强烈,对相邻桩产生不利影响,振动沉管桩还容易产生断桩现象,桩身完整性相对较差;同时,由于当距临近建筑物或构筑物较近时,振动、噪声影响严重。(2)长螺旋钻机施工方案,用长螺旋钻机先成孔,然后用高压砼输送泵灌注砼成桩,利用长螺旋钻机先行引孔,进入粉土/粉砂细砂层中,可以避免沉管施工的困难及沉管过程对相邻桩的不利影响,同时避免桩端进入砂层过深,造成孔底产生流砂;但仍无法消除孔底虚土问题,设备一次性投入较大。(3)取土成孔柱锤夯扩施工方案,取土成孔夯扩成桩可挤密孔底虚土和加固桩端地基,扩大桩径,充分利用桩端承载力较高的土层,提高桩的侧阻力和端阻力,最终提高单桩承载力和桩间土承载力及其变形模量,如同时采用跟管成孔,保证地下水和土不能进入桩体。若在成桩过程中,遇软硬不均的地层,可以夯击出变截面的异型桩,增大桩侧的有效侧面积,可进一步提高桩间土及单桩承载力。桩体材料采用干硬性混凝土,以适用于夯扩挤密施工工艺的特点。不过,象其它地基处理方法一样,取土成孔夯扩挤密桩也有其应用的局限性,主要表现在以下几个方面:地下水的影响:取土成孔夯扩挤密桩的基本应用条件应该是在地下水位以上,如果在桩长范围内有地下水,且桩间土渗透性较好时,则必须首先进行降水,然后才能施工。在一些层间滞水无法降干净的情况下,在一定程度上会影响夯扩桩的成桩质量,但工效较低。软弱层的影响:如果处理的深度范围内含有软弱层,施工过程必须严格控制,否则夯实的效果不会太好。在实际情况中,软弱层常和地下水共存,使得混合料形不成桩,填料变成了“无底洞”,混合料过分地向桩间土深入,特别是当桩间距比较小时,取土成桩时可能桩之间会在该层相互贯通,在这种情况下实际上已经破坏了原有的地层结构,虽加固效果比较理想,但增加工程费用。桩长度的影响:由于取土成孔深度越大,柱锤到达混合料时的能量损失越大,因此取土成孔夯扩桩的桩长不宜太长,虽然无法确定出成桩的最佳长度,但根据以往我们的施工经验,最大的长度应 8m,否则会影响加固效果。3 设计问题3.1 适用范围取土成孔夯扩CFG桩复合地基主要适用于处理软弱地基,特别是杂填土、素填土和粘性土地基,对地基承载力在 10m,根据我院的测试结果,可按摩擦桩进行设计。单桩承载力标准值、面积置换率、桩体强度和复合地基复合压缩模量按照相关规范或规程公式计算。应特别说明注意,计算参数的取值及结果应取土层厚度的加权平均值。(3)一般桩的布置宽度(桩中心线)应适当大于基础底宽度或接近基础边缘线,外缘桩体截面30%50%应在基础范围之内,以保证复合地基在边缘处正常传力。桩距取2.53.0倍桩径(可椐基础尺寸变动)。(4)复合地基的下卧层强度验算及沉降计算均采用国标 建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)中推荐的公式进行计算。3.3 设计验证问题不少工程事先未做试验,而是在处理好的复合地基上试验,这种作法的弊端是对达不到设计要求者再采取补救措施,既被动又影响施工进度,故应坚持开工前做试验,为基础设计提供数据。若当地资料积累较多,亦可参照资料,选取有代表性的地段做试验。在确定了地基处理的施工方案后,就需结合现有设备的工艺特点和设备技术参数,进行地基处理设计参数的优化设计。4 施工问题4.1 成孔问题按不同的建筑物场地的土质情况采取不同的成孔方法,一般宜优先采取取土成孔方案;当有缩径及坍孔现象时,可采用边取土边填废干料再取土填桩料夯击或边取土边跟管边夯击的成孔方案;对于难以成孔的饱和松散土层或遇地下水,应采用跟套管成孔方案。4.2 夯填问题桩体填料质量及配合比应符合设计要求,土料必须拌合均匀,分次填入桩孔夯实。锤重、落距及分层填料量应满足设计要求,桩体总填料量应大于按设计桩径计算的桩体总体积的1.3倍以上。成桩的顺序应按土质情况而定,一般间隔夯填成桩,当成桩时地面隆起严重时,可自内向外连续成桩。4.3 配合比问题取土成孔夯扩CFG桩的材料配合比应根据设计要求由试验确定。一般桩体的材料体积配合比为水泥 碎石(或卵石)砂=142。对于地下水位以下的流塑状松软土层,宜适当加大碎石粒径及水泥用量。4.4 施工措施根据设计方案,在打桩施工中应采取一些相应的施工质量控制措施。如拟建场地表层杂填土等较厚,或施工时逢雨季,场地表层土含水量较多,或桩端无相对硬层作为持力层等,可先挖除杂填土,设置适量的地面排水沟,或铺设临时施工道路等,或增大填料粒径,或套管跟进,或采用适当的人工降水方法等,其目的主要是夯扩挤密桩端和桩身,以提高桩的端阻力和侧阻力;若发现孔底虚土较多,可直接投填一些最大粒径 30cm的级配均匀碎卵石,然后用高吊夯锤,强力夯击碎卵石,也可达到基本相同的效果。成桩施工时,从沉管壁上的填料口投填干硬性素混凝土,分层填料,分层夯扩挤密。控制每次填料量为0.080.1m3,夯锤落距 3.0m,夯击57击,每次填料最后三击沉降量 50mm。由于每次填料量、夯击能量均基本一致,则桩体下部由于桩间土侧限作用强,桩径相对较小,桩体上部则由于侧限作用较弱,桩径相对较大。若遇相对软弱土层,则此处桩径会明显增大,因而,最终施工桩型为一近似倒置的不等径的圆台形,这又会大大提高单桩和的桩间土承载力。同时,为了避免挤土断桩、缩径等问题,施工中还应根据场地土质密实情况采取间隔跳打或连续施工,或先施工外围桩等施工措施。4.5 施工质量控制在施工前为了确保施工质量,对影响夯扩桩质量的一些主要参数进行了如下控制:(1)桩位中心偏移 100mm;(2)取土成孔孔径 400mm,垂直度偏差 1.5%;(3)孔深:保证桩长 施工桩长5.8m;(4)桩径:400mm。5 复合地基处理效果检测5.1 复合地基承载力检测为了检验地基处理施工的效果,待地基处理施工结束后,随机抽检了一定根数的桩,进行了单桩复合地基静载荷试验,有条件的工程可分别进行单桩承载力、桩间土承载力及单桩复合地基静载荷试验,以便进行对比验证,确保复合地基均匀性、加固效果完全满足原结构设计要求,并有较大的富余量。5.2 开槽检测地基处理施工结束一定时间后,基坑开挖至设计标高,现场观察每根桩的布置是否不象原来设计的那样规则,有的桩距和桩径是否满足控制标准。造成偏差的主要原因有成孔时造成的偏差,夯锤在夯击时也会产生一定的偏差,这两种偏差都随着深度的增加而增加。以往的工程经验表明,6m的取土成孔夯扩挤密桩能够满足取土成孔垂直度偏差 50%,充填物为砂、圆砾及粘性土,卵石层顶板埋深5.105.90m,承载力标准值fk350kPa。场地地下水属第四系孔隙潜水,砂卵石层为主要含水层,埋深3.90m左右。6.3 地基处理设计根据设计要求,处理后的地基承载力标准值 280kPa,变形模量 20MPa。桩间距1.0m,桩身砼强度设计为C7.5,桩顶设20cm的褥垫层。6.4 工程特点及难点(1)本工程主要为CFG桩的施工,施工工艺为取土锤击成桩法;(2)场地粉土、中细砂厚度约2m,施工中易坍孔,造成成孔困难;(3)由于建筑场地内基坑先开挖,开挖土方堆置于基坑两边,造成施工场地狭小,加之场地内施工单位较多,场地协调是本工程的难点;(4)开挖基坑边缘局部与基础承台位置很近,且基坑外土方堆置较高,造成部分边桩无施工作业面,给施工带来一定难度;(5)由于基础型式为独立基础,且基础种类较多,位置无规律,测量放线是保证工程质量的关键。6.5 施工概况6.5.1 施工条件场地内基坑均已挖至设计基底标高(局部因杂填土或其他原因超挖约0.30m),基坑深约1.20m(设计-2.0标高处深约0.50m),坑壁采用自然放坡,同时场地内土方堆置占据了极大的施工场地,土建施工单位的施工准备工作使场地更加狭小,以上环境对施工较为不利。6.5.2 工程质量评价在本工程施工过程中,通过优化方案、精心施工、严格检测,使工程质量得到了可靠的保证。各种检测数据表明:本工程质量优良。(1)材料检验:材料进场有质量证明书(水泥),且所有材料在正式施工前均送检(由监理单位见证取样),检验合格后才开始使用。混和料经试验后确定配合比,施工中严格按配合比施工。(2)成桩检查:本次施工共完成CFG桩364根,通过现场对桩位、桩长、桩径等的检查,各项指标都满足设计及规范的要求。(3)混凝土质量检测:在施工过程中,每天每台班随机取样制作混凝土试块一组,进行标准养护28天后的试压试验表明,所有砼强度均满足设计要求,经试块强度评定为合格。(4)现场复合地基质量检测:由工程检测单位会同监理、建设方随机抽取的178、284号桩复合地基进行检测,结果表明,复合地基承载力满足设计要求。由工程质量监督检验单位对褥垫层的检测表明,褥垫层施工的密实度满足设计要求。(5)工程质量评价结论和建议:以上各项检测数据表明,本工程方案设计合理,施工质量优良,检测手段齐全,测试结果可靠,保证了CFG桩地基处理工程取得了成功。7 结论讨论了取土成孔夯扩CFG桩复合地基在不开挖条件下的工作过程以及出现的问题。业已完成的大量工程实践证明,如果条件合适,取土成孔夯扩CFG桩复合地基能够极大地改善地基土的特性。而如何控制这些不利因素、力争在不同条件下都能发挥其作用则是今后取土成孔夯扩CFG桩复合地基的主要发展方向。(1)地基处理设计施工中,针对特定的地质条件及施工条件,将两种或多种施工工艺有机地联合使用,将可能获得很好的效果。(2)通过柱锤的夯扩挤密,使桩端土密实,桩的体形在竖向上为异型,这样,即使为较短的桩,也可以取得较高的单桩承载力;同时,桩体材料采用强度较高的素混凝土,可减少桩身压缩量,提高单桩承载力,减小面积置换率。(3)对于上软下硬的双层地基,通过柱锤的夯扩挤密作用,上部强度相对较低的桩间土的强度得到明显提高,相应地大幅度提高了复合地基承载力,减小了地基沉降和柱基间的差异沉降量。参考文献:1 中华人民共和国国家标准.建筑地基处理技术规范(J G J79-91)S.2中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)S.3 中华人民共和国成都市标准.成都地区建筑地基基础勘察设计规范(DB51/T5026-2001)S.4 中国建筑科学研究院企业标准.水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基技术规定(Q/J Y06-1997)S.5 河北省工程建设标准.柱锤冲孔夯扩桩复合地基技术规程S.石家庄.1997.6 地基处理手册M.中国建筑工业出版社,1988.25西 部 探 矿 工 程 Mar.2004No.3