CFG桩复合地基的地基处理关键技术及其发展现状彭东林.doc

CFG桩复合地基地基解决技术及其发呈现状摘要：CFG桩复合地基解决技术当前已被国内外广泛应用在工程中，本文通过简介CFG桩复合地基在当前发呈现状和CFG桩复合地基地基解决技术,以及CFG桩复合地基长处，描述其施工工艺及其施工中遇到常用问题如何解决,进一步反映其提高地基承载力,控制沉降方面作用，由此阐明CFG桩在建筑工程中应用价值。核心词：CFG 桩复合地基 应用价值一、研究背景1 复合地基概述复合地基1是指天然地基在地基解决过程中某些土体得到增强,或被置换，或在天然地基中设立加筋材料,加固区是由基体天然地基土体或被改良天然地基土体和增强体两某些构成人工地基。依照地基中增强体方向又可分为水平向增强体和竖向增强体复合地基。其示意图如图1-1a和1-1b所示。水平向增强体复合地基重要涉及由各种加筋材料,如土工聚合物、金属材料格等形成复合地基。竖向增强体习惯上称为桩,竖向增强体复合地基普通称为桩体复合地基。桩体复合地基依照竖向增强体性质又可分为三类散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。散体材料桩复合地基桩体是由散体材料构成,桩身材料没有粘结强度,单独不能形成桩体,只有依托周边土体围箍作用才干形成桩体。散体材料桩复合地基承载力重要取决于散体材料内摩擦角和周边地基土体可以提供桩侧侧限力。散体材料桩复合地基桩体重要形式有碎石桩、砂桩等。柔性桩复合地基桩体刚度较小,但桩体具备一定粘结强度,柔性桩中部强度较高桩如粉喷桩已较强地体现出桩性状,柔性桩复合地基承载力由桩体和桩间土共同承担。柔性桩复合地基桩体重要形式有灰土桩、石灰桩、水泥土桩等。刚性桩复合地基桩体普通以水泥为主胶结材料,有时由混凝土、或由混凝土和其她掺合料构成,桩身强度较高。为保证桩土共同作用,普通在桩顶设立一定厚度褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基具备更高承载力和压缩模量,并且复合地基承载力也具备较大调节幅度。复合地基工程实践发展不久,但复合地基设计和计算理论尚不成熟,已有某些简化模型和计算办法差别较大,很难统一。可见,复合地基理论远远落后于工程实践发展,因而应加强复合地基设计计算理论和办法研究。复合地基计算理论方面,既涉及复合地基承载力和沉降计算普通理论,又指各种形式复合地基承载力和沉降计算理论和办法。要发展各种形式复合地基承载力和沉降计算理论,需要加强对各种形式复合地基荷载传递机理研究,进一步理解基本刚度、桩土相对刚度、复合地基置换率、复合地基加固区深度、荷载水平等对复合地基应力场和位移场影响,提高各类复合地基应力场和位移场计算精度。基于以上因素,对桩复合地基工作性状做进一步研究,不但有现实实际意义,同步在理论上也很有价值。2 CFG桩复合地基产生与发展2.1 CFG桩复合地基概述CFG桩全称水泥粉煤灰碎石桩，是由碎石、石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和,用各种成桩机械在地基中制成强度为C5-C30桩。CFG桩复合地基2是由桩、桩间土和褥垫层一起构成刚性桩复合地基。CFG桩复合地基实验研究是建设部“七五”筹划课题,于1988年立题进行实验研究,并应用于工程实践。CFG桩复合地基成套技术,1992年通过部级鉴定,1994年被建设部列为全国重点推广项目,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,并制定了中华人民共和国建筑科学研究院公司原则,现已列入国家行业原则建筑地基解决技术规范JGJ79-3。为进一步推广这项技术,国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究,并列入“九五”国家重点攻关项目。1999年12月通过国家验收。该技术己在全国23个省、市广泛应用,已经成为多层至30层如下高层建筑地基解决重要技术之一。据不完全记录,该技术己在1000各种工程中应用。和桩基相比,由于水泥粉煤灰碎石桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土承载能力,工程造价普通为桩基1/3-1/2,经济效益和社会效益明显。2.2 研究现状尽管CFG桩复合地基近年来在国内大量推广应用,并获得了良好社会效益和经济效益。但CFG桩复合地基理论尚不成熟,较实践远远落后。刚性桩复合地基设计思想由中华人民共和国建筑科学研究院黄熙龄院士一方面提出,中华人民共和国建筑科学研究院地基基本研究所1992年开发成功CFG桩复合地基即最早刚性桩复合地基。为了提高复合地基承载力、减小沉降,将碎石桩中掺入水泥、粉煤灰和石屑,于是形成了粘结强度较高CFG桩。在荷载作用下,桩身压缩变形极小,荷载通过桩周摩阻力和桩端阻力向深层传递,因而承载力提高幅度很大。为了保证桩土能共同作用,在桩顶铺设一定厚度砂石褥垫层,以利于桩顶向上刺入,由桩体、桩间土和褥垫层一起构成CFG桩复合地基。阎明礼等对CFG桩复合地基进行了系统研究4。阎明礼等探讨了CFG桩复合地基在水平荷载作用下承载性状5。吴春林讨论了CFG桩复合地基承载力简易计算办法6。董必昌等从CFG桩复合地基沉降变形模式出发,推导出一种考虑桩一土垫层互相作用沉降计算办法以及桩土应力比公式,并讨论了参数取值问题7。张小敏等运用可靠度理论对从国内外收集到CFG桩复合地基承载力实验数据进行了概率记录解决。借助无量纲计算模式,计算不同载荷组合下CFG桩复合地基承载力可靠度指标,并分析了各随机变量对可靠度指标影响限度8。随着土工计算机技术发展,采用数值办法分析复合地基作用机理研究工作也不少。谢定义采用有限元一无界元三维非线性分析程序对桩式复合地基进行了分析,可用于各类桩式复合地基。杨涛建议采用复合本构有限元计算复合地基沉降。张忠坤采用有限元法对柔性单桩竖向加载、大面积荷载作用下复合地基及路堤荷载作用下复合地基进行了分析,探讨了临界桩长问题,得出了临界桩长不但与桩土模量比关于,并且也与荷载分布关于结论。李宁采用数值实验模型,对不同种类复合地基进行了全面系统数值仿真,探讨了单桩复合地基互相作用机理、荷载传递性状及附加应力分布规律9。邢仲星采用平面三维三角形单元和邓肯一张模型对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基进行了有限元分析。温晓贵对复合地基进行了三维线性数值分析。郝小员等对人工神经网络及BP网络模型作了简要简介,并对水泥喷粉桩复合地基承载力及其影响因素非线性关系进行了分析。提出运用地区己有水泥喷粉桩复合地基承载力及影响因素资料建立人工神经网络模型进行承载力设计计算。通过实例验证,该模型可达到较抱负效果,可以实现水泥喷粉桩复合地基承载力合理设计计算,为此后该类复合地基承载力设计提供了可借鉴办法10。二、CFG桩复合地基地基解决技术原理及施工工艺11-131 CFG桩复合地基概况CFG桩复合地基由CFG桩、桩间土和褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基粘结强度桩是复合地基代表，当前多用于高层和超高层建筑中。CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成高粘结强度桩，和桩间士、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基通过褥垫层与基本连接，无论桩端落在普通土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参加工作。由于桩体强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间士表面应力大。桩可将承受荷载向较深土层中传递并相应减少了桩间土承担荷载。这样，由于桩作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上CFG桩不配筋，桩体运用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大减少了工程造价。1.1材料选取：1.1.1 粉煤灰 粉煤灰是燃煤发电厂排出一种工业废料。它是磨至一定细度粉煤灰在煤粉炉中燃烧（11001500。C）后，由收尖器惧细灰（简称干灰）。其重要化学成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等，其中粉煤灰活性决定于各种粒度Al2O3和SiO2、含量，CaO对粉煤灰活性也极为有利。粉煤灰粒度构成是影响粉煤灰质量重要指标，普通粉煤灰越细，球形颗粒越多，因而水化及接触界面增长，容易发挥粉煤灰活性。1.1.2 碎石 碎石是不溶于地下水或不受侵蚀影响硬骨料，普通采用砾石、碎石等，其粒径为2050mm，密度为2.7tm3，松散密度为1.39tm3，含水率0.96%，含泥量不得不不大于5。1.1.3 石屑 石屑是掺入一定数量石屑是填充碎石孔隙，使其级配良好。石屑宜选用与同一种碎石原料进行加工，掺入数量应由实验拟定，不能随意添加。其各项参数如下：粒径2.510mm，密度2.7tm3，松散密度1.47tm3，含水率1.05%，含泥量不得不不大于5。1.1.4 水泥 普通采用42.5号普通硅酸盐水泥，质量优良。2 褥垫层意义按照老式CFG桩复合地基理论，褥垫层是其重要构成某些，复合地基许多特性都与褥垫层关于。这里所说褥垫层不是基本施工经常做10cm厚素混凝土垫层，而是由粒状材料构成散体垫层。2.1 设立褥垫层必要性CFG桩复合地基有无褥垫层，其区别重要是桩间土承载力发挥过程不同。当设立褥垫层时，桩间土一开始就承担了较大比例荷载，在正常使用状态下，建筑物荷载重要由桩和桩间土共同承担；而不设褥垫层时，荷载一开始重要由桩来承担，桩间土基本不承担或承担很少。在正常使用状态下，建筑物荷载重要由桩来承担。当复合地基承载力达到极限时，无论是其承载力大小以及桩、土荷载分担比都是相似，故可取消褥垫层。2.2 不设立褥垫层状况取消垫层，让桩顶直接与基本接触，事实上就是在正常使用状态下充分发挥桩承载力，使其接近极限，而让桩间土强度为作安全储备，这样虽然桩安全系数K不大于2(普通1.1左右)，但地基土安全系数却较高，复合地基总安全度并没有减少，就象桩基本在正常使用状态下，其摩阻力和端承力发挥限度不同样、其各自安全系数也不同样，类似于“复合桩基”设计思想。3 CFG桩复合地基长处3.1 合用性广，承载力提高幅度大CFG桩复合地基技术合用于非饱和及饱和粉土、粘性土、填土、砂土、淤泥质土等地质条件，解决后，复合地基承载力与原地基承载力相比，可提高2-5倍。3.2 施工简便，工期短CFG桩施工办法普通为长螺旋钻成孔泵送混凝土法，施工时，没有钢筋笼制作等工序，成孔成桩一次完毕减少了成桩时间，加快了施工速度。3.3 保护环境CFG桩施工时，不需泥浆护壁，没有泥浆外运，既节约了资金，又无环境污染，对市内施工，非常适合。4 CFG桩在复合地基中优势4.1 承载力提高幅度大、可调性强CFG桩桩体可以从几米到20多米，并且可全桩长发挥桩侧阻力，桩承担荷载占总荷载比例可在40%-75%之间变化，使得复合地基承载力提高幅度大并具备很大可调性。本地基承载力较高时，荷载又不大，可将桩长设计得短一点，荷载大时，桩长可设计得长一点。特别是天然地基承载力较低而设计规定承载力较高，用柔性桩复合地基普通难以满足设计规定，CFG桩复合地基则比较容易实现。4.2 适应范畴广对基本形式而言，CFG桩既可以合用于条形基本、独立基本，也可以用于筏板基本和箱型基本。就土性而言，CFG桩可用于饱和、非饱和粘性土，既可以用于挤密效果好土，又可用于挤密效果差土。4.3 桩体排水作用明显CFG桩在饱和粉土和沙土中施工时，由于沉管和拔管振动，会使土体产生超孔隙水压力。较好透水层上面尚有透水性较差土层时，刚刚施工完得CFG桩将是一种良好排水通道，孔隙水将沿着桩体向上排出，懂得CFG桩体结硬为止。4.4 复合地基变形小复合地基模量大、建筑物沉降量小事CFG桩复合地基重要特点之一，大量工程实践表白，建筑物沉降量普通可控制在2-4厘米。对于上部和中间有软土层地基，用CFG桩加固，桩端放在下面好土层上，可以获得模量很高复合地基，建筑物沉降都不大。5 CFG桩基施工5.1 CFG桩施工设备在此，以长螺旋钻管泵压CFG桩为例，此施工工艺是由长螺旋钻机、混凝土泵和强制式混凝土搅拌机构成完整体系，在当代施工中，步履式长螺旋钻机及商品混凝土比较普遍。长螺旋钻机是施工工艺中核心某些，当前长螺旋钻机依照其成孔深度分为12、16、18、24米和30米等机型，施工前应依照设计桩长拟定施工所采用设备。另一方面，进行商品混凝土浇筑时如需采用接泵，需配备泵管。5.2 施工前准备5.2.1 材料CFG桩原材料涉及砂、石、水泥、粉煤灰和外加剂，在进场前需拟定原材料种类、品质，并将原材料送至有关部门进行检测。由于现阶段建筑施工多使用商品混凝土，因此需将商品混凝土样品及时送检。5.2.2 施工现场在降水方面，CFG桩施工规定地下水应降至基底标高0.5-1.0米，拟定降水深度时还应考虑电梯井、集水坑等深度。在基坑开挖方面，其开挖深度应依照基底设计标高和保护土层厚度拟定。当保护土层厚度为50厘米、褥垫层厚度为15厘米时，开挖标高为素混凝土垫层底标高以上35厘米，以此类推。其开挖范畴考虑到当前国产长螺旋钻机状况，基底开挖平面尺寸以建筑物底板边沿为基准向四周均扩出1.0米。若施工图纸上已经标注详细做法及数据，应依照图纸施工。此外施工现场应做好“三通一平”等保障工作。5.2.3 施放桩位在CFG桩施工前应依照图纸，拟定建筑物控制轴线，并将CFG桩精确位置施放到CFG桩作业面上。施放桩位应明显、易找、不易被破坏，如有些工地采用有一定直径和深度白灰点表达桩位。5.2.4 施工资料施工前应准备好工程地质勘查报告、建筑物场地临近高压电缆及地下管线障碍物等调查资料、地基解决方案、施工组织方案、CFG桩复合地基施工图、施工中各种记录、报审、报验表格等。5.3 施工过程5.3.1 钻机就位CFG桩施工时，钻机就位后，应用钻机塔身先后和左右垂直标杆检查塔身导杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，保证CFG桩垂直度容许偏差不不不大于1%。5.3.2 钻进成孔钻孔开始时，关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触及地面时，启动钻机，开始钻进。普通先慢后快，这样便于及时修正。若发现钻杆摇晃或难钻时，应放慢进尺，否则较易导致桩孔偏斜、位移，甚至使钻杆、钻具损坏。钻进深度取决于设计桩长，当钻头到达设计桩长预订标高时，于动力头地面停留位置相应钻机塔身处做醒目的记，作为施工时控制桩长根据。施工时还要考虑施工作面标高差别，作相应增减。5.3.3 灌注及拔管CFG桩成孔到设计标高后，停止钻进，开始泵送混合料，当钻杆芯管布满混合料后开始拔管，禁止先提管后泵料。成桩提速宜控制在2-3米/分钟。成桩过程宜持续进行，应避免因后台供料慢而导致停机待料。若施工中因其他因素不能持续灌注，须依照勘察报告和已掌握施工场地土质状况，避开饱和砂土、粉土层，灌注成桩完毕后，用水泥袋盖好桩头，进行保护。施工中每根桩投料量不得少于设计灌注量。5.3.4 移机当上一根桩施工完毕后，钻机移位，进行下一根桩施工，由于CFG桩排出土较多，穿将临近桩位覆盖，有时还因钻机支撑是支撑脚压在桩位旁是原标定桩位发生移动，因而，下一根桩施工时，还应依照轴线或周边桩位置对需施工桩位进行复核，保证桩位精确。5.3.5 弃土清运CFG 桩施工完毕，待桩体达到一定强度，普通七天左右，方可进行开槽清土。清土涉及CFG桩钻孔土清运和保护土层清运两某些，对于CFG桩桩较长且解决面积较大楼座，由于人工清运效率低，可采用机械和人工联合清运。采用挖掘机清土时，须严格控制标高，防止挖断工程桩和扰动桩工作面如下保护土层，禁止在打桩工作面上行走，挖掘机清理完大片弃土后，人工将桩身保护桩长大某些挖除，或使其与桩身断开，普通留下30厘米保护桩长，打桩弃土清运完毕后，其下50厘米保护土层采用人工挖除。5.3.6 桩头解决弃土工作完毕后，需将桩顶设计标高以上桩头截断，一方面找出桩顶标高位置，在同一水平面按同一角度对称放置2个或4个钢钎，用大锤同步击打，将桩头截断，最佳采用截桩机截桩，另一方面，桩头截断后，用钢钎、手锤等将桩顶从四周向中间修平至桩顶设计标高，容许偏差为0-20厘米。5.3.7 褥垫层解决CFG桩复合地基检查完毕且满足设计规定后，可进行褥垫层施工。褥垫层材料多为粗砂、中砂或碎石，也可为细石混凝土，碎石粒径多为8-20毫米，其厚度普通为10-30毫米，详细状况依照施工图纸酌定。5.3.8 柱帽施工单独使用CFG桩加固软弱地基时，应截桩头设桩帽。在桩顶设立高0.3m，长1.0m，宽1.0m现浇C30钢筋混凝土桩帽；截桩不得导致桩顶标高如下桩体断裂和扰动桩间土。 A.前期施工中存在问题： a)挖掘机清理场地时容易把CFG桩挖断. b)采用涨裂法截桩头容易使CFG桩水平断裂. c)投入人力、设备较多. B.CFG桩帽混凝土完全湿揭法 a)边施工CFG桩边在施工地段侧用小型挖掘机把CFG桩施工时旋至地面弃土装入小型农用液压汽车拉出场地，使CFG桩头露出地面。 b)清除桩顶被污染混凝土，并夯实桩头混凝土。6 CFG桩施工常用问题及解决6.1 堵管堵管是长螺旋钻管内泵压CFG桩成桩工艺常遇到重要问题之一。它直接影响CFG桩施工效率，增长劳动强度，导致材料挥霍，若故障排除不畅时，使已搅拌CFG桩混合料失水或结硬，增长再次堵管几率，给施工带来诸多困难。若因混合料配合比不合理，和易性不好而发生堵管，需注意细骨料和粉煤灰两种材料掺入量，特别是注意粉煤灰掺入量宜控制在60-80公斤/立方米。若因混合料搅拌质量有缺陷，需保证混合料能顺利通过刚性管、高强柔性管、弯管和变径管到达钻杆芯管内，同步控制好混合料坍落度，宜控制在16-20厘米。若因设备缺陷而导致堵管，需保证管件连接顺畅，保证弯管与高强柔性管等连接紧密，保证垫圈无破损。此外施工人员操作不当也会导致堵管现象发生。6.2 窜孔在饱和细砂层、粉砂层中施工常遇窜孔现象。在普通状况下，完毕一根桩所需时间为30-40分钟，完毕1号桩后，在2号桩钻进成孔过程中，1号桩混合料尚未凝固而流向2号桩钻孔中，因此发现已完毕1号桩突然下落，有时甚至达两米以上，当2号桩泵入混合料时，泵送压力加大，迫使2号桩混合料又流向1号桩恢复到原设计标高。这种现象叫窜孔。因而可采用增大桩距设计方案，增大桩距目在于减少打桩机器剪切扰动，避免不良影响。改进钻头，提高钻进速度。减少打桩推动排数，如将一次打好几排改为2排或1排，尽快离开已打成桩，减少对已打桩扰动能量积累。必要时采用隔桩、隔排跳打方案，但跳打规定及时清除成桩时排出弃土，否则会影响施工进度。6.3 断桩桩基施工完毕，发现桩身裂缝所在部位，应分析因素，得出自身问题是在施工时，由于提钻速度较快，空气未所有释放出来，致使桩身产生断面裂缝，此外是混合料搅拌时间不够，和易性差，浮现蜂窝麻面桩。外部因素是土建施工时机械挖基坑平整土方时，被挖掘机和铲车碰断。解决方案是,浅部断桩,对断桩单独进行解决,剔除上部断桩,用与桩身相似混合料按桩径设计标高补桩。如果是外部因素土建单位用机械施工,导致大范畴浅部断桩,应与设计单位、监理单位、建设单位共同制定方案。普通状况下,在原定检测方案基本上,选取几根断桩进行单桩复合地基静载荷实验,对比完整性桩和断桩实验成果,拟定断桩与否可以使用,如果拟定复合地基承载力和变形能满足设计规定,可不进行解决,如不符合规定，需进行设计方案论证。但在CFG桩施工时,要特别注意浅部施工质量,在开挖基坑时,在桩顶标高以上1m处,一定采用人工开挖,以免碰断桩身,保证CFG桩完整性和质量。桩头断桩后进行接桩，当桩顶高程低于施工图标记高程时，如开槽或剔除桩头必要进行补桩，可采用比桩体强度高一级别豆石混凝土接桩至施工图标记桩顶标高，注旨在接桩过程中保护好桩间土。7 桩头质量问题多为夹泥、气泡、砼局限性、浮浆太厚等，普通是由于操作控制不当导致。控制办法： 1)及时清除或外运桩口出土。2)保持钻杆顶端气阀启动自如，控制拔管速度，防止砼中积气导致桩顶砼含气泡。3)桩顶浮浆多因孔内出水或砼离析导致，应将钻头再次打入钻孔混合料下1m左右，超灌排除浮浆后才终孔成桩。 三、结束语建筑上遇到复杂地质状况使基本工程越来越重要，其工程造价占整个工程总投资比例也越来越大，深基坑支护、地下持续墙、逆作法等工艺先后被采用。当前广泛应用钻孔灌注桩、振动沉管灌注桩等固有缺陷十分突出，重要体当前施工速度慢，场地污染严重，成桩质量难以保证，材料挥霍大，容易浮现各种弊病，而CFG桩体现出较大优势，桩体材料价格低，施工以便，节约投资，是一种较为抱负地基解决技术，具备明显经济效益和辽阔推广前景。四、 自我结识通过对CFG桩学习，理解到了它基本原理、施工工艺流程、施工过程中需要重点把握程序，同步也让我深深地感受自己尚有好多局限性，基本理论知识掌握不够夯实，在上杨教师课程中也发现自己营养严重局限性，这将是我后来工作一种薄弱点。不积跬步无以至千里；不积小流无以成江海，学习也是这样，是一种慢慢积累过程，在后来学习中，还是在工作中，我都将严格规定自己，努力做好自己，做一种有志南林大人！参照文献1龚晓南.复合地基理论概要. 秦皇岛:第三届全国地基解决学术讨论会论文集,1992.2阎明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践.北京:中华人民共和国水利水电出版社,.3中华人民共和国行业原则.建筑地基解决技术规范 JGJ79-.4阎明礼，吴春林等.水泥粉煤灰碎石桩复合地基实验研究J.岩土工程学,1995,18(2).5阎明礼，刘国安，杨军等.水平荷载作用下CFG桩复合地基性状研究J.建筑科学,1994(4).6吴春林，阎明礼等.CFG桩复合地基承载力简易计算办法J.岩土工程学,1993,15(2).7董必昌，郑俊杰.CFG桩复合地基沉降计算办法研究J.岩石力学与工程学报,21 (7）.8张小敏，郑俊杰.CFG桩复合地基承载力可靠度分析J.岩土力学,23(6).9李宁,韩煊.褥垫层对复合地基承载机理影响.土木工程学报,34(2).10郝小员,刘汉龙,高玉峰.人工神经网络在水泥粉喷桩承载力设计计算中应用J.河海大学学报（自然科学版）,30(4).11郑俊杰.地基解决技术.武汉：华中科技大学出版社，,4:187-218.12北京土木建筑学会.地基与基本工程施工技术办法.经济科学出版,5:114-132.13建筑地基基本设计规范GB50007-.