CFG桩基的加固机理及施工工艺
CFG桩复合地基是软基处理中一种较为有效的方法,近年来得到广泛的应用,但相关的研究开展的不多。本文对CFG桩的加固机理进行了分析,同时介绍CFG桩基施工工艺,对指导软弱地基处理与加固具有一定参考价值。
标签：CFG桩基 复合地基 施工工艺
0 引言
复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强,或被置换,或在天然地基中设置加筋材料,加固区是由基体(天然地基土体或被改良的天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下,基体和增强体共同承担荷载作用。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料,如土工聚合物、金属材料格栅等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩,竖向增强体复合地基通常称为桩土复合地基。
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。CFG桩复合地基成套技术是中国建筑科学研究院地基所20世纪80年代末开发的一项新的地基加固技术。1992年由建设部组织鉴定,专家一致认为该成果具有国际领先水平,推广意义很大。该技术于1994年被列为建设部全国重点推广项目,被国家科委列为国家级全国重点推广项目。1997年被列为国家级工法,并制定了中国建筑科学研究院企业标准,现已列入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》。
1 CFG桩加固机理
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌和形成的高粘结强度桩,和桩间土、褥垫层一起形成复合地基(复合地基法是在天然地基中设置一定比例的增强体(桩体),使桩土共同承担荷载,并具有密实法和置换法的效应)。CFG桩因属高粘结强度桩,可全桩长发挥侧阻,桩端落在好的土层时可以很好的发挥端阻。成桩时的挤土效应,桩体的排水作用以及褥垫层对桩、土荷载分担比的调整作用,可以有效的提高地基的承载力,减小地基变形。
通过十余年的科研和工程实践,CFG桩复合地基技术己经成为一种被广泛应用的地基处理方法。这种地基加固方法吸取了振冲碎石桩和水泥搅拌桩的优点,第一,工艺简单;与振冲碎石桩相比,无场地污染,振动影响也较小。第二,所用材料仅需少量水泥,便于就地取材,基础工程不会与上部结构争“三材”,这也是比水泥搅拌桩的优越之处。第三,受力特性与水泥搅拌桩类似。
1.1 桩体作用 CFG桩桩体材料不同于碎石桩桩体材料,而是具有一定粘结强度的混合料。在荷载作用下CFG桩的压缩性明显比其周围软土小,因此基础传给地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上,出现应力集中现象,复合地基的
CFG桩起到了桩体作用。
1.2 挤密作用 CFG桩的挤压作用使桩间土得到挤密。地基采用CFG桩加固,加固前后取土进行物理力学指标试验,经加固后地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所减小,重度、压缩模量均有所增加,说明经加固后桩间土己挤密。
1.3 褥垫层作用 CFG桩(cement fly-ash gravel pile)复合地基的核心技术是设置褥垫层,而褥垫层设计的是否合理,对CFG桩复合地基的承载与变形特性都会产生较大的影响。由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫层,通过人为的提供变形渠道,改变地基的受力条件,从而合理地调整地基的压缩性,实现地基的协调工作。
1.4 CFG桩的设计参数 CFG桩复合地基有4个设计参数,分别为:
1.4.1 桩径 CFG桩的施工工艺主要有振动沉管法和长螺旋钻管内泵压灌注法,由于振动沉管法施工属于非排土沉桩,因此将对桩周土产生很大的扰动,对灵敏度较高的饱和软粘土则会使其结构破坏,强度降低,从而引起很大的超静孔隙水压力,这种超静孔隙水压力的存在会极大地影响成桩质量,会引起桩体的断裂,或者达不到预计深度,同时还影响桩身承载力的发挥以及施工进度。经过分析选用长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩施工方法较适合。CFG桩桩径一般为350~600mm。
1.4.2 桩距 桩距的选用需要考虑承载力,提高幅度要能满足设计要求,且施工方便、桩作用的发挥、场地地质条件以及造价等因素:①对挤密性好的土,如砂土、粉土和松散填土等,桩距可取得较小。②对单、双排布桩的条形基础和面积不大的基础等,桩距可取的较小,反之,满堂布桩的筏基、箱基以及多排布桩的条基、设备基础等,桩距应适当放大。③地下水位高、地下水丰富的建筑场地,桩距也应适当放大。
1.4.3 桩长 水泥粉煤灰碎石桩复合地基承载力特征值,应通过现场复合地基载荷实验
确定,初步设计时也可按下式估算
fspk=m×()+β1×mfsk
式中,fspk——复合地基承载力特征值,单位KPa;
m——面积置换率;
Ra——单桩竖向承载力特征值,单位为KN;
Aa——桩的截面积,单位为m2;
β——桩间土承载力折减系数,宜按地区经验取值,如无经验时可取0.75~0.95,天然地基承载力较高时取大值;
fsk——处理后桩间土承载力特征值,宜按当地经验取值,如无经验时,可取天然地基承载力特征值。
单桩竖向承载力特征是Ra的取值,应符合下列规定:①当采用单桩载荷试验时,应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2;②当无单桩载荷试验资料时,可按下式估算
Ra=upqsi·li+qp·Ap
up——桩的周长,单位为m;
n——桩长范围内所划分的土层数;
qsi、qp——桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值,可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)有关规定确定;
li——第i层土的厚度,单位为m;
1.4.4 褥垫层厚度 对刚性桩复合地基,褥垫层厚度过小,桩对基础将产生很显著的应力集中,需要考虑桩对基础的冲切,势必造成基础加厚。如果基础承受水平荷载,可能造成复合地基桩发生断裂。同时,桩间土承载能力不能充分发挥,必然增加桩的数量或桩长。褥垫层厚度大,桩间土的承载能力可以充分发挥。但是如果褥垫层厚度过大,一方面,造成浪费,相当于换土回填。另一方面,使得褥垫层下复合地基表面的桩土应力比n很小,意味着浅层地基土承担了较高的荷载,而浅层地基土的强度往往又较低。虽然浅层土分担的荷载会很快向桩转移(桩顶部存在负摩阻力区),但浅层土压缩变形造成的过大沉降量,实际上使复合地基中设置的桩失去意义。因此,褥垫层厚度的合理性在于既要保证桩在水平荷載作用下不会发生断裂,又要合理发挥桩和桩间土的承载能力。
综合以上分析,结合大量工程实践的总结,既考虑到技术上可靠、经济上合理,褥垫层厚度一般取150~300mm为宜,当桩距过大时,褥垫层厚度宜取高值。褥垫层材料可用碎石,级配砂石(最大粒径)、粗砂、中砂。
2 CFG桩复合地基施工工艺
水泥粉煤灰碎石桩的施工,应根据现场条件选用下列施工工艺:长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩,适用于豁性土、粉土、砂土,以及对噪声或泥浆污染要求严格的场地。长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩施工除应执行国家现行有关规定外,尚应符合下列要求:
2.1 施工前应按照设计要求由试验室进行配合比试验,施工时按配合比配制
混合料。长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工的坍落度宜为160~200mm;
2.2 长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工在钻至设计的深度后,应准确掌握提拔钻杆时间,混合料泵送量应与拔管速度相配合,遇到饱和砂土或粉土层,不得停泵待料;
2.3 成桩过程中,抽样做混合料试块,每台机械一天应做一组(3块)试块(边长为150mm的立方体),标准养护,测定其立方体抗压强度;
2.4 褥垫层铺设宜采用静力压实法,当基础底面下桩间土的含水量较小时,也可采用动力夯实法,夯填度(夯实后的褥垫层厚度与虚铺厚度的比值)不得大于0.9;
2.5 施工垂直度偏差不应大于1%;对满堂布桩基础,桩位偏差不应大于60mm;
2.6 在软土中,桩距较大可采用隔桩跳打;在饱和的松散粉土中施打,如桩距较小时,不宜采用隔桩跳打方案;满堂布桩,无论桩距大小,均不宜从四周向内推进施工;
2.7 保护桩长是指成桩时预先设定加长的一段桩长,基础施工时将其剔掉;保护桩长越长,桩的施工质量越容易控制,但浪费的料也越多;设计桩顶标高离地表距离不大于1.5m时,保护桩长可取50~70cm,上部用土封顶;桩顶标高离地表距离较大时,保护桩长可设置70~100cm,上部用粒状材料封顶直到地表;
2.8 桩头处理,CFG桩施工完毕待桩体达到一定强度(一般为7d左右),方可进行基槽开挖;在基槽开挖中,如果设计桩顶标高距地面不深(一般不大于1.5m),宜考虑采用人工开挖,不仅可防止对桩体和桩间土产生不良影响,而且经济可行;如果基槽开挖较深,开挖面积大,采用人工开挖不经济,可考虑采用机械和人工联合开挖,但人工开挖留置厚度一般不宜小于700mm;桩头凿平,并适当高出桩间土1~2cm。
3 总结
实践证明,利用CFG桩对地基进行加固的效果是显著的,其费用较低。是在一种理想的加固方法。
参考文献:
[1]《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008).[S].北京.中国建筑工业出版社.2008.
[2]《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002).[S].北京.中国建筑工业出版社.2002.
[3]《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003).[S].北京.中国建筑工业出版
社.2003.
