水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)的设计与应用

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  【摘 要】水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低廉的特点,目前已成为应用最为普遍的地基处理技术之一。近年来随着其理论和工艺的不断提高,其应用范围愈来愈广,其中在小高层建筑地基处理中应用较多,在一些地区已应用到了31~35层建筑。本文通过利用单桩承载力计算复合地基承载力工程实例,介绍CFG桩的设计、施工与存在问题。
  【关键词】水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩);单桩竖向承载力特征值;复合地基承载力;复合地基沉降量计算;设计施工中误区
  
  Application of cement fly-ash gravel pile (CFG pile) Design
  Yang Hong-chang, Xia Jie
  (1. Xi'an survey Engineering company Limited Xi'an Shaanxi 710016;
  2. Shaanxi Provincial supervision of construction quality and safety station Shaanxi Xi'an 710016)
  【Abstract】Cement fly-ash gravel pile (CFG pile) has the construction of fast, short duration, quality, easy to control, low-cost characteristics of the application has become the most common one of the foundations of processing technology. In recent years, with its theory and the continuous improvement process, and its increasingly wide range of applications, including high-rise building in a small foundation to deal with the application of more, in some areas has been applied to the 31 ~ 35-storey building. In this paper, through the use of single pile bearing capacity of composite foundation bearing capacity of the project an example, CFG pile design, construction and there are problems.
  【Key words】Cement fly-ash gravel pile (CFG pile); Eigenvalues of vertical bearing capacity of single pile; Bearing capacity of composite foundation; Settlement Calculation of composite foundation; Design and construction errors
  
  1.工程概况
  
  水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)是由水泥、煤粉灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩,由桩、桩间土和褥垫层一起构成的复合地基,适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基[1]。尤其是作为“九五”攻关项目-长螺旋钻管内泵压水泥粉煤灰碎石桩施工工艺的成功研究,克服了沉管成孔工艺的CGF桩的缺陷,CFG桩的使用范围更加广泛[2]。
  某工程位于西安市西南郊大寨路与团结南路交叉口西南角,楼高22层, 1层地下室,基础埋深7m。建筑尺寸46×27m。剪力墙结构,片筏基础,基底压力标准组合值Pk=594KPa。
  
  2.工程地质条件
  
  场地地貌单元属古皂河二级阶地,非湿陷性场地。地下水埋深10.03~10.52m,场地地层自上而下依次由①填土(Qml4)、②黄土(Q2eol3)、③黄土(Q2eol3)、④古土壤(Q1el3),⑤粉质粘土(Q1al+pl3)、⑥中粗砂(Q1al3)、⑦粉质粘土(Q1al+pl3)、⑧粗砂(Qal+pl2)、⑨粉质粘土(Qal+pl2)、⑩粉质粘土(Qal+pl2)、(11)粉质粘土(Qal+pl2)等构成。
  自桩顶以下各层地基土的主要物理力学性质如下表。
  层号层底埋深W(%)γ(KN/m3)eIl(%)a1-2(MPa-1)Es4-5Es5-6Es6-7标贯击数承载力特征值
  ②5.70~6.3021.016.50.9990.340.376.08150
  ③10.20~11.2024.518.00.8850.550.439.38140
  ④14.90~16.2024.419.90.6940.570.3514.917.213160
  ⑤22.70~24.7024.819.90.7070.690.3017.018.420.425180
  ⑥25.30~27.305044320
  ⑦40.00~42.0023.720.10.6680.500.2719.321.122.930220
  ⑧45.20~48.105564350
  ⑨55.30~56.0023.020.20.6610.400.2819.522.923.933240
  ⑩67.00~67.2026.019.50.7610.490.3218.819.720.9230
  (11)75.0024.119.90.6980.340.3119.220.623.4250
  
  3.CFG桩设计
  
  桩端持力层选择厚度较大,层位稳定,力学性能好的⑥中粗砂,桩长取17.80m。桩径d =400mm,桩距1.2m,排距1.04m,桩身周长Up=0.4×π=1.257m,桩身截面积Ap=π×0.22=0.1257m2。桩身混凝土强度等级C25,桩顶预设置200mm厚级配砂石褥垫层。设计计算时③④⑤⑥层土平均厚度按3.50m、4.68m、8.39m、1.23m取值;③④⑤⑥层土侧阻力特征值qsia分别按32KPa、34KPa、36KPa、50KPa取值;⑥层土端阻力特征值qpa按1000KPa取值。桩间土承载力折减系数β取0.75,地基处理后桩间土的承载力特征值fsk取140KPa[1]。
  3.1CFG桩复合地基承载力计算。
  依据JGJ79-2002规范计算等效圆直径de=1.05×1.2m=1.26m,根据JGJ79-2002规范公式7.2.8-2计算桩土面积置换率m=d2/d2e=0.42/1.262=0.1008。据该规范公式9.2.6估算单桩竖向承载力特征值Ra=UpΣni=1qsili+qpAp=797.8+125.7=923.5KPa,桩体试块抗压强度fcu≥3RaAp=22040KPa(公式9.2.7),复合地基承载力fspk=m RaAp+β(1-m)fsk= 0.1008×923.50.1257+0.75(1-0.1008)×140=740.6+94.4=835KPa >Pk=594 KPa (公式9.2.5),计算结果承载力满足要求。
  3.2CFG桩复合地基变形计算。
  复合地基分层压缩模量:ξ=fspk/fak=835/140=6.0(JGJ79-2002公式9.2.8-1),黄土③Es=6.0×9.3=56MPa,古土壤④Es=6.0×17.2=103MPa,粉质粘土⑤Es=6.0×20.4=122MPa,中粗砂⑥Es=6.0×50=300MPa。
  基底压力准永久值594×0.94=558KPa,对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力P0=P-rmd=558-6.55×16.5=450KPa(d取基础实际埋置深度)。
  按GB50007-2002规范5.3.5公式S=ψsS′=ψsΣni=1P0Esi(ziαi-zi-1αi-1)计算复合地基沉降量如下。根据GB50007-2002规范5.3.6公式△S′n≤0.025Σni=1△S′i,2.81<0.025×236.4=5.91mm。地基压缩层厚度Zn为基础底面下基层35m。压缩模量当量
  Es=ΣAiΣAi/Esi=23.926/0.5253=45.55MPa,依据GB50007-2002表5.3.5取ψs=0.2,最终沉降量S=ψs×S′=0.2×236.4=47.3mm。根据西安市沉降观测资料,CFG桩复合地基最终沉降量约在40mm左右。
  
  4.CFG桩复合地基施工
  
  该工程采用长螺旋钻成孔、管内泵压混合料灌注成桩。施工顺序为:测放桩位→钻具对准孔位→钻机成孔→提钻泵送混凝土同步实施→成桩→桩间土开挖→破桩头。施工钻至设计深度后,准确掌握提拔钻杆时间,钻孔进入土层预定标高后,开始泵送混合料,管内空气从排气阀排出,待钻杆内管及输送软管、硬管内混合料连续时提钻。混合料泵送量与拔管速度相配合,提拔钻杆中应连续泵料,特别是在饱和砂土、饱和粉土层中不得停泵待料,避免造成混合料离析、桩身缩径和断桩。根据工程实践,混合料坍落度过大可能造成混合料泌水、离析,泵压作用下骨料与砂浆分离,导致堵管;坍落度太小,则混合料流动性差,导致泵送压力过大或不能正常泵送,所以水泥粉煤灰碎石桩混合料坍落度最好控制在16~20cm,且尽量取低值。施工桩顶标高宜高出设计桩顶标高50~60cm。清土和截桩选择正确的方法,不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。
  褥垫层铺设宜采用静力压实法(当桩间土的含水量较小时也可采用动力夯实法),材料多为粗砂、中砂、或碎石,碎石粒径宜为8~20mm,不得选用卵石,由于卵石咬合力差,施工时扰动较大,褥垫层厚度不容易保证均匀[1]。褥垫层厚度一般为10~30cm,虚铺铺厚度可按公式h=Hλ(H为褥垫层厚度,λ为夯实度,一般取0.87~0.90)[2]计算。
  施工过程中每台机械一天作一组3块混凝土试块,标准养护,测定其立方体抗压强度。
  CFG桩检测中往往发现的大量浅部断桩主要表现在桩顶标高以下2~3米内的桩长范围内,开挖发现多为桩间土挖除过程中挖掘机挖斗碰撞桩头所致或是破桩头方法不对。正确的方法是,桩间土尤其是桩周土的清除必须为人工清除。破桩头时在桩顶标高位置同一水平面按同一角度对称放置2个或4个钢钎,用大锤同时击打,将桩头截断。严禁用钢钎向斜下方向击打或用一个钢钎单向击打桩身。最好用截桩机截桩[2]。清运桩时严禁大型设备在CFG桩场地通行,西安北郊张家堡广场西侧某工程7#、8#楼人工凿除CFG桩头后用低应变法检测结果桩身基本完整,但在褥垫层施工前桩身完整性检测时断桩却高达37%,究其原因是由于CFG桩桩径较小,抗剪力较差,清理CFG桩头时用装载机和大型运输车扰动桩体所致。
  
  5.CFG桩复合地基验收
  
  CFG桩施工完毕,一般在28天后对CFG桩和CFG桩复合地基进行检测。检测包括低应变对桩身完整性检测和静载荷试验对承载力检测。静载荷试验检测数量一般为总桩数的0.5~1.0%,且单体工程不少于3组,低应变检测数量一般为桩数的10%[1]。检测时试验点应随机分布的原则选取。在CFG桩静荷载检测中发现个别桩承载力小或沉降大,经低应变检测发现这类桩多为断桩或严重缩径的缺限桩。为保证载荷试验的代表性,进行载荷试验的桩在试验前应进行低应变检测,保证所检桩为完整桩。另外由于地层原因或工艺原因造成大量的缺限桩时,宜增大低应变抽检量。
  另外CFG桩验收还应包括桩数、桩位偏差、褥垫层厚度及其夯实度、桩体试块抗压强度等内容,这些在验收时往往被忽略。
  在湿陷性黄土地区CFG桩检测中,根据静荷载试验取得的复合地基承载力特征值是地基土在天然含水量情况下的承载力特征值,当地基浸水时,桩侧摩阻力将会有不同程度的降低,所以检测报告中应注明其承载力特征值为地基土在天然含水量状态下的承载力特征值;个别工程中桩身上部置于自重湿陷性地层中,根据静荷载试验取得的复合地基承载力特征值或单桩承载力特征值应不但要扣除自重湿陷性地层部分的正摩擦阻力,还要扣除负摩擦阻力,负摩擦阻力扣除时,长螺旋成孔工艺可按-10KPa(自重湿陷量的计算值70~200mm时)或-15KPa(自重湿陷量的计算值>200mm)扣除[3]。
  
  6.CFG桩设计施工中的误区
  
  由于粉煤灰价格上涨,一些施工单位改用低标号水泥,但桩的标号应该是C15~C20,而目前有的工程已用到C25~C30,这同低标号素混凝土桩的要求不相一致;有的设计或施工单位在使用水泥粉煤灰碎石桩时,取消了褥垫层,将桩与基础底面和承台用钢筋锚固,改变了水泥粉煤灰碎石桩复合地基的受力性状;有的设计在施工水泥粉煤灰碎石桩中,在桩中加进构造钢筋,有的将褥垫层中的碎石用卵石料替代[2]。
  CFG成孔工艺主要有长螺旋成孔和沉管成孔。其中只有沉管成孔对桩间土有挤密作用,在湿陷性黄土场地甚至自重湿陷性场地,选用长螺旋成孔工艺,甚至个别工程桩身整体置于自重湿陷地层中。有的工程CFG成孔工艺选择不当,例如在易缩径地层中选用沉管成孔而且成孔未隔孔跳打,导致大量桩缩径或断桩。
  
  7.小结
  
  利用单桩载荷试验计算复合地基大型载荷试验的方法,无论在经济上还是技术上都有价值。通过工程实例,分析计算,认为是可行的。
  根据《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72-2004)8.4.1条,对勘察等级为甲级的高层建筑采用复合地基方案时,须进行专门研究,并经充分论证[4]。目前国内CFG桩已用于35层建筑的地基处理(西安地区也已超过30层),但由于复合地基仍存在研究不够、理论滞后的问题(工作机理、沉降分析、抗震性能等)。个别工程存在竣工后沉降量较大,不均匀沉降、抗震性能研究甚少,因此复合地基方案仍有待于不断总结工程经验和提高理论分析水平,所以目前将复合地基适用的建筑等级做出限制是必要的。
  
  参考文献
  [1] 《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)
  [2] 徐至钧主编《水泥粉煤灰碎石桩复合地基》机械工业出版社
  [3] 《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)
  [4] 《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72-2004)
  [5] 《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)
  
  [文章编号]1006-7619(2009)06-08-438
  [作者简介]杨宏昌(1969.10- ),男,高级工程师,西安中勘工程有限公司工作,长期从事岩土工程勘察、施工与检测。
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