长螺旋钻孔管内压灌CFG桩在砂卵石地层复合地基中的应用

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  摘要:介绍了长螺旋CFG 桩复合地基的概念和设计要点,并根据某工程砂卵石地层中长螺旋中心压灌CFG 桩复合地基实例进行了分析总结,为进一步推广长螺旋CFG 桩复合地基在砂卵石地基处理中的应用具有一定借鉴、指导意义。
  关键词:长螺旋钻孔;中心压灌;CFG桩;砂卵石地层;复合地基
  0 引言
  水泥粉煤灰碎石桩(简称CFG 桩)最早是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘性强度的桩体,桩、桩间土和褥垫层共同工作构成复合地基,CFG桩复合地基适用于处理自重固结已完成的素填土、淤泥质土、粉土和砂土等地基,也可在软土层、流沙层等不良地质条件下成桩。
  长螺旋钻孔管内压灌系采用长螺旋钻机钻孔至设计深度,停钻后在提钻的同时通过(设在内管钻头上的混凝土孔)钻头活门向孔内连续泵注超流态混凝土,压灌至设计桩顶标高,是一种新型的桩基础施工手段。长螺旋钻孔适用于民用与工业建筑地下水位以上的一般黏性土、砂土及人工填土、强风化岩地基。长螺旋钻机即可钻孔又可压灌混凝土,操作简便,混凝土灌注速度快,成桩质量好。随著国家经济建设的发展,CFG 桩复合地基在全国范围内得到比较大的推广及应用, 而长螺旋钻孔管内压灌又有其成孔灌注的优越性,综合CFG桩和长螺旋钻孔各自的优点发展成长螺旋钻孔CFG桩复合地基,在适宜的地层得到极大的发展和推广,但长螺旋钻孔CFG桩在砂卵石层中运用受人们固有思维的限制而运用不广。
  本文通过工程实例介绍、论述了砂卵石层中长螺旋钻孔管内压灌CFG桩在一定的条件是完全可以适用的,为类似地区的CFG桩复合地基施工中提供有益借鉴。
  1 长螺旋钻孔管内压灌CFG桩复合地基的特点
  CFG桩桩体不配筋,又充分发挥了桩间土的承载力,与普通混凝土桩相比,所需桩数较少,其造价一般只有桩基的1/3~1/2,工程造价也低。长螺旋钻孔特点是成孔不用泥浆或套管护壁,施工无噪声或低噪音、无振动、不挤土,对环境无泥浆污染、施工现场文明,机具设备简单,装卸移动快速,施工准备工作少,穿硬土层能力强,施工效率高,操作简便,单桩承载力高、工效高,社会和经济效益明显等。
  长螺旋钻孔管内压灌CFG桩采用长螺旋钻机成孔,可通过钻杆中心管管内将混凝土进行泵送称CFG桩施工,即能钻孔灌注成桩一机一次完成。桩尖无虚土,防止了断桩、缩径、塌孔等施工通病,施工质量容易得到保证,综合效益较高。
  2 CFG桩复合地基的设计
  依据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)中7.1.5-2式:
  式中:  —复合地基承载力特征值(kPa),CFG 桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定,初步设计时也可按式(7.1.5-2)估算;
  —面积置换率;
  —单桩的截面积(m2);
  —处理后桩间土承载力特征值(kPa)
  —单桩承载力发挥系数;
  —桩间土承载力发挥系数,可按地区经验取值;
  —单桩竖向承载力特征值(kN),按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)中(7.1.5-3)式估算:
  3工程实例
  某工程第三期拆迁安置小区项目3、4、5号楼位于某省**小学西侧,设计为3#、4#楼25F框剪结构建筑,主楼采用筏板基础,基底筏板顶高程465.5m,筏板厚度1.50m;5#楼18F框剪结构建筑,主楼采用筏板基础,基底筏板顶高程465.5m,筏板厚度1.20m。该三栋楼均设有一层地下室。根据基础平面布置图和地质情况,3#~5#楼地基设计拟采用复合地基。
  3.1地层岩性结构特征
  根据本工程岩土工程勘察资料,场地筏板底面以下地层主要为第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)细砂和卵石层组成,其地层特征分述如下:
  ③0细砂(Q4al+pl):青灰色,中密,湿~饱和,矿物成分以石英为主,局部含少量卵石、圆砾,该层在场地内个别钻孔揭露,呈透镜体产出。
  卵石层:灰黄色、黄褐色、灰黑色,,湿~饱和,卵石成分以火成岩和石英砂岩为主,卵石呈亚圆形、圆形,一般为中等风化,少量呈强风化或微风化。充填物为中砂及圆砾,局部为黏性土。主要分4个亚层:
  ④1松散卵石:松散,干-稍湿,卵石粒径一般2~5cm,呈亚圆形。卵石含量占重质量的50%~55%。
  ④2稍密卵石:稍密,干-稍湿,卵石粒径一般2~7cm,个别约10cm,呈亚圆形。卵石含量占重质量的55%~60%石。
  ④3中密卵石:灰黑色,中密,稍湿~饱和,卵石粒径一般4~8cm,个别达12cm,呈亚圆形。卵石含量占重质量的60%~70%。
  ④4密实卵石:密实,稍湿~饱和,卵石粒径一般2~10cm,个别达15cm,呈亚圆形。卵石含量占重质量的70%以上。
  ⑤0圆砾:稍湿~饱和,卵石的主要成分为花岗岩、砂岩,粒径一般2-6cm,局部达到10cm,呈亚圆形,粒径大于2cm粗颗粒含量小于50%,充填中砂、砾石和少量粘性土,交错排列,绝大部分不接触。
  3.2复合地基设计
  该项目经过换填、高压旋喷、CFG桩等几种方案的综合比较,最终采用CFG桩复合地基进行处理。桩身材料C20素混凝土,桩径设计值500mm,桩端持力层为中密卵石层,桩端进入中密卵石不小于0.5米,设计桩长5.0~7.3米,施工桩顶标高宜高出设计桩顶标高0.5米。根据设计要求设计计算为: 3#、4#楼设计要求加固处理后复合地基承载力特征值为500kpa,压缩模量为40Mpa,3#单桩承载力特征值为662K、4#单桩承载力特征值为660KN;5#楼设计要求加固处理后复合地基承载力特征值为450kpa,压缩模量为34Mpa,单桩承载力特征值为730KN。   4主要施工组织
  4.1主要施工工艺
  主要施工工艺:进场(人员、设备、材料)→设备安装→施放主要轴线、确定场地标高→放桩位→CFG桩施工(钻机就位→钻孔至设计标高→按规定速度边泵送混合料边提拔钻杆成桩→移机)→桩体养护→检测→合格后进行浮土浮浆和桩头处理→CFG 桩复合地基检验→验桩→褥垫层施工→验收。
  4.2 长螺旋钻孔管内压灌CFG桩施工组织
  本项目由于基底下存在松散卵石、细砂、圆砾层,又含有地下潜水,采用干成孔灌注混合料或素混凝土,会由于孔壁坍塌及振捣不实等方面出现若干质量问题,综合地质情况,选择长螺旋钻管内压灌CFG桩的施工工艺进行施工。
  在正式施工前应进行CFG桩工艺性试验,以复核场地地层情况及机械设备性能、施工顺序等是否符合要求,确定混合料配合比、坍落度、搅拌时间、提钻速度等各项参数,根据试桩中出现的问题调整施工参数。钻孔过程中根据该场地的地层情况,卵石粒径一般2~10cm,个别约12~15cm,合理采用螺距达15cm的长螺旋钻机进行钻孔施工。如果在钻机过程中螺旋钻遇到大卵石甚至漂石不易钻机时,将螺旋钻退出,采用潜孔锤钻机将该部位大卵石甚至漂石破碎后在恢复长螺旋施工工艺进行施工。
  4.3质量保证措施:
  1)根据地层情况,选用合适的施工机械和钻头,如果含水量较高就选用密封性能好,底压式“喷门”钻头。
  2)搅拌的混合料塌落度、流动性必须保证能顺利到达钻杆机芯管内。
  3)CFG桩混凝土浇筑成桩过程中,应准确掌握提拔钻杆时间,钻机提钻速度应和泵送速度保持一致,确保钻头埋在混凝土面以下50cm左右,提钻时提速不可过快,使孔内产生负压,导致孔壁坍塌掉块而造成桩身夹泥、断桩或缩颈现象。
  4) 提钻与泵送的配合:每次钻进至标高后,司钻应先将钻具提升约20~30cm,以利于活门打开。同时通知泵工开泵,现场设专职信号员负责司钻与泵工之间的联系。
  5) 泵送过程中如达不到设计标高时应及时处理,如混凝土面已超出地下水位,应再次进行复钻,重新浇筑混凝土,防止断桩;如混凝土面低于地下水位,在补灌时泵送管应插入混凝土面下50cm确保不断。
  6) 要求在钻进粉砂层时,采取“跳打”等有效措施避免“窜桩”,甚至造成上部空桩,控制桩顶标高。
  5 桩基及复合地基检测
  该项目3#楼共布置534根CFG桩、4#楼共布置453根CFG桩、5#楼共布置814根CFG桩。根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)、《**省建筑地基基础检测技术规程》(DBJ51/T014-2013), 低应变检测总数按总桩总数的10%抽取,且每个承台不少于一根,复合地基静载试验按总桩数的1%抽取且每个单体工程不少于3点、复合地基增强体单桩静载荷试验按总桩数的1%抽取且不少于3个点。本次选点由甲方、施工、建立、设计、地勘及检测单位在现场根据场地开挖的地质情况及建筑的荷载要求共同确定进行检测。
  1)、单桩进行低应变检测以推断缺陷类型及其在桩身中的位置(其中Ⅰ类桩为桩身完整;Ⅱ类桩桩身有轻微缺陷,不会影响结构承载力的正常发挥;Ⅲ类桩桩身有明显缺陷,对桩身结构承载力有影响;Ⅳ类桩桩身有严重缺陷)
  低应变采用HPT21-01293基桩动测仪及1705速度计进行检测,根据某建设工程质量质量检测鉴定有限公司对该征地拆迁安置小区建设项目低应变检测报告得出以下结果:
  ①、3#楼确定54根低应变检测点、4#楼确定47根低应变检测点、5#楼确定82根低应变检测点,检测结果均为Ⅰ类桩,桩身完整。
  2)、复合地基静载荷试验、复合地基增强体单桩静载荷试验,通过静载试验,测定CFG桩复合地基的承载力特征值、CFG桩单桩竖向抗压承载力特征值。
  根据某建设工程质量質量检测鉴定有限公司对该征地拆迁安置小区建设项目静载荷试验得出以下结果:
  ①、3#楼、4#楼、5#楼分别确定复合地基静载试验点6个、5个、9个,复合地基增强体单桩静载荷试验点6个、5个、9个。根据静载荷试验结果,该场地3#楼、4#楼、5#楼CFG桩复合地基承载力特征值分别为506.5kpa、514.2kpa、460.4kpa,计算压缩模量分别为43MPa、42MPa、37MPa,满足设计要求;并且该场地3#楼、4#楼、5#楼复合地基增强体单桩承载力特征值分别为673.9kN、667.5kN、748.8kN,满足设计要求。
  从以上设计要求和检测结果,说明长螺旋钻孔CFG桩在砂卵石层中采用合适的施工工艺是完全等达到地基处理设计要求,质量是合格的。
  6结论
  1)长螺旋钻孔管内压灌CFG桩不仅一次性成孔成桩快速,并且能良好处理砂卵石层中的软弱层,能够很好的提高地基承载力,使处理后的地基趋于均匀,减少地基的不均匀沉降,同时具有不污染环境、受季节影响小、经济效益显著等特点。
  2)长螺旋钻孔管内压灌CFG桩复合地基在某工程三期项目砂卵石地基处理中的应用是成功的,适用于有地下水的砂卵石等各类土层情况,为其他类似工程的应用积累了经验,具有广阔的应用前景。
  参考文献
  [1] 《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)中国建筑工业出版社,2013.
  [2] 袁文章.CFG桩复合地基的设计及在工程实际中的应用(2009)35-0060-03
  [3] 宋红民,王思瑞,马志强.长螺旋钻孔泵压灌注工艺在CFG桩复合地基施工中的应用,安徽建筑,2021.10.070
  [4] 朱炳寅,娄宇.建筑地基基础设计方法及实例分析(第一版)中国建筑工业出版社,2010.
  作者简介:
  曾勇生,(1973-),男(汉族),四川威远人,中国十九冶集团有限公司教授级工程师、注册土木工程师(岩土)、注册一级建造师(建筑工程、市政工程)、注册安全工程师,主要从事岩土工程勘察、地基处理和边坡治理等工程的设计、施工与管理工作。
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