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        CFG樁復(fù)合地基在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用

        2010-08-31 02:26:04桂培林河南省水利第二工程局
        河南水利與南水北調(diào) 2010年7期
        關(guān)鍵詞:褥墊成樁泵送

        □柳 偉 □桂培林(河南省水利第二工程局)

        CFG樁復(fù)合地基(水泥粉煤灰碎石樁的簡(jiǎn)稱(chēng))是在碎石樁加固地基法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種地基處理技術(shù)。由于CFG樁改善了碎石樁的剛性,使其不僅能很好地發(fā)揮全樁的側(cè)阻作用,同時(shí)也能很好地發(fā)揮其端阻作用,并通過(guò)褥墊層的設(shè)置來(lái)發(fā)揮樁間土的承載作用,使其成為復(fù)合地基來(lái)提高整體承載力。

        一、工程概況

        南水北調(diào)輝縣段老郭溝左岸排水倒虹吸進(jìn)出口段及受壓洞身段需要進(jìn)行地基處理,設(shè)計(jì)采用水泥粉煤灰碎石樁(即CFG樁)進(jìn)行地基加固處理。設(shè)計(jì)CFG樁直徑0.5m,樁間距1.5~1.6m,正方形布置,基礎(chǔ)下設(shè)0.2m厚褥墊層,該復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值270kPa,樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C15混凝土。設(shè)計(jì)總樁數(shù)約1300根,工程量為9996m,樁端持力層選擇厚度較大、層位穩(wěn)定及力學(xué)性能好的④粉質(zhì)粘土層,樁長(zhǎng)根據(jù)上部荷載不同,分別選取6、8和12m 3種(其中倒虹吸出口段樁長(zhǎng)6m,進(jìn)口段樁長(zhǎng)8m,洞身段樁長(zhǎng)12m)。

        場(chǎng)地土層地質(zhì)條件表

        二、應(yīng)用原理

        CFG樁地基屬于高粘結(jié)強(qiáng)度樁復(fù)合地基,它由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁,它與樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。CFG樁復(fù)合地基通過(guò)褥墊層與建筑物基礎(chǔ)相連,無(wú)論樁端落在一般土層還是堅(jiān)硬土層,均可保證樁間土始終參與工作;由于樁體的強(qiáng)度和模量比樁間土大,在荷載作用下,樁頂應(yīng)力比樁間土表面應(yīng)力大,樁頂?shù)膲|層材料在受壓的同時(shí)會(huì)擠向周?chē)鷺堕g土,以保證在任意荷載下樁和樁間土始終參與工作。因此,CFG樁復(fù)合地基的加固原理可概括為樁體的置換擠密作用和褥墊層的調(diào)節(jié)均化作用。這種復(fù)合地基具有承載力提高幅度大、地基變形小等特點(diǎn),并具有較廣的應(yīng)用范圍。因此,被越來(lái)越多地應(yīng)用于房建、公路、橋梁和水利工程領(lǐng)域,而且應(yīng)用中CFG樁復(fù)合地基多采用低級(jí)別的混凝土來(lái)代替CFG樁填料,本工程也是如此。

        三、施工方法及流程

        (一)施工方法選擇

        1.長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注成樁法。適用于地下水位以上的黏性土、粉土、素填土和中等密實(shí)的砂土。

        2.長(zhǎng)螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁法。適用于黏性土、粉土、砂土,以及對(duì)噪聲或泥漿污染要求嚴(yán)格的場(chǎng)地。

        3.振動(dòng)沉管灌注成樁法。適用于粉土、粘性土及素填土地基。

        因有地下水,首先淘汰第一種方法,然后比較第二種方法與第三種方法的優(yōu)劣:前者施工效率高,成樁質(zhì)量好,能減少樁的縮徑或斷樁,但因設(shè)備自重較大(約50t),對(duì)施工場(chǎng)地條件要求相對(duì)較高;而后者施工效率高,但施工振動(dòng)和噪聲較大,成樁質(zhì)量較難控制,易產(chǎn)生縮徑或斷樁。因此,本工程采用長(zhǎng)螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁,還能有效擠密樁間土。

        (二)施工工藝流程

        總工藝流程:場(chǎng)地及道路整修→設(shè)備及人員進(jìn)場(chǎng)→測(cè)放樁位、材料采購(gòu)→試樁施工→試樁檢測(cè)并合格→樁基順序施工→清基至樁頂標(biāo)高→人工鑿樁頭→成樁檢測(cè)→褥墊層施工→交工、退場(chǎng)。

        單樁工藝流程:鉆機(jī)就位→成孔→鉆桿內(nèi)壓灌混合料→提升鉆桿→灌注孔底混合料→邊泵送邊提升鉆桿至孔口→成樁→鉆機(jī)移位。

        四、常見(jiàn)問(wèn)題及預(yù)防處理

        (一)場(chǎng)地利用

        因采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)施工,設(shè)備自重較大(約50t),對(duì)施工場(chǎng)地條件要求較高。而該倒虹吸建筑物基礎(chǔ)深埋地下約2~6m,地基中多為黃土狀重粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)粘土,承載力較低,且地下水豐富。因此,在施工安排時(shí),采取先施工CFG樁再進(jìn)行倒虹吸基坑開(kāi)挖的施工順序(CFG樁上部土層預(yù)留了部分空樁,最長(zhǎng)空樁達(dá)6m),并在施工前進(jìn)行了場(chǎng)地的清理、平整和壓實(shí),保證了鉆機(jī)的平穩(wěn)作業(yè)和安全運(yùn)行,確保了CFG樁施工的順利進(jìn)行。

        (二)堵管問(wèn)題

        堵管是長(zhǎng)螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁施工工藝常遇到的主要問(wèn)題之一。它直接影響CFG樁的施工效率,增加勞動(dòng)強(qiáng)度,還會(huì)造成材料浪費(fèi)。特別是故障排除不暢時(shí),使已攪拌的CFG樁混合料失水或硬結(jié),增加再次堵管的幾率,給施工帶來(lái)很多麻煩。堵管的原因及預(yù)防:

        1.嚴(yán)格控制混合料配合比。當(dāng)混合料中的細(xì)骨料和粉煤灰用量較少時(shí),混合料和易性不好,易發(fā)生堵管。因此,一般控制混合料的粉煤灰摻量在70~90kg/m3,坍落度在160~200mm之間。

        2.施工操作不當(dāng)。鉆孔進(jìn)入土層預(yù)定標(biāo)高后,開(kāi)始泵送混合料,管內(nèi)空氣從排氣閥排出,待鉆桿內(nèi)管及輸送軟硬管中混合料連續(xù)時(shí)提鉆。若提鉆時(shí)間較晚,在泵送壓力下鉆頭處的水泥漿液被擠出,易造成堵管。

        3.冬季施工措施不當(dāng)。低溫施工時(shí),混合料輸送管及彎頭均需做防凍保護(hù),防凍措施不力,常常造成輸送管或彎頭處混合料的凍結(jié),造成堵管。

        4.設(shè)備原因。輸送管彎頭曲率半徑不合理也會(huì)造成堵管。彎頭與鉆桿不能垂直連接,否則也會(huì)造成堵管;且輸送管要定期清洗,否則管內(nèi)有粘結(jié)的硬塊,也會(huì)造成堵管。

        (三)樁頭空芯

        樁頭空芯主要是施工過(guò)程中排氣閥不能正常工作所致。鉆機(jī)鉆孔時(shí),管內(nèi)充滿(mǎn)空氣,泵送混合料時(shí),排氣閥應(yīng)將空氣排出,若排氣閥堵塞不能正常將管內(nèi)空氣排出,就會(huì)導(dǎo)致樁體存氣,形成空芯。為避免樁頭空芯,施工中應(yīng)經(jīng)常檢查排氣閥的工作狀態(tài),發(fā)現(xiàn)堵塞及時(shí)清洗。

        (四)樁端不飽滿(mǎn)

        主要是因?yàn)槭┕ぶ袨榱朔奖汩y門(mén)的打開(kāi),先提鉆后泵送所致。這種情況可能造成鉆頭上的土掉入樁孔或地下水浸入樁孔,影響CFG樁的樁端承載力。為了杜絕這種現(xiàn)象,施工中前后臺(tái)作業(yè)人員應(yīng)密切配合,保證提鉆和泵送的一致性。

        (五)縮徑或斷樁

        通常是由于混合料的拌制及灌注或拔管速度控制不當(dāng)造成的,斷樁還會(huì)因?yàn)楹笃谇謇硎┕_動(dòng)所致。一般通過(guò)控制混合料拌制質(zhì)量和超灌予以解決,施工中應(yīng)保證充盈系數(shù)>1(一般在1.1~1.3之間),控制拔管速度(一般在1~1.7m/min),且應(yīng)注意提鉆速度與泵送速度相協(xié)調(diào),保證鉆桿內(nèi)混凝土面始終高于鉆桿底出口,直至灌到樁頂以上至少0.5m,并防止孔口土混入。截樁頭和清理樁間土?xí)r,不得造成樁頂標(biāo)高以下樁身斷裂或擾動(dòng)樁間土。而一旦出現(xiàn)縮徑或斷樁,可采取擴(kuò)徑方法(如復(fù)打法、翻插法或局部翻插法)或者加樁等措施予以處理。

        (六)單樁承載力低

        主要與樁底情況有關(guān),未施工到設(shè)計(jì)標(biāo)高或樁端不飽滿(mǎn)而導(dǎo)致樁底承載力不足,或者是樁身摩擦力降低的原因。施工中應(yīng)嚴(yán)格控制有效樁長(zhǎng),保證樁底在設(shè)計(jì)標(biāo)高上;灌注樁身混凝土?xí)r,應(yīng)先泵送后提鉆以防鉆頭上的土掉入樁孔或地下水浸入樁孔導(dǎo)致樁端不飽和;在粘土層中鉆孔應(yīng)加快成孔速度,以防螺旋鉆的離心作用在鉆孔壁上形成泥皮而降低樁身摩擦阻力。

        五、試驗(yàn)檢測(cè)

        (一)復(fù)合地基靜載試驗(yàn)

        根據(jù)設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,復(fù)合地基靜載試驗(yàn)應(yīng)選3點(diǎn)。復(fù)合地基檢測(cè)點(diǎn)所布置區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方形布樁,壓板邊長(zhǎng)為1.4m×1.45m。靜載試驗(yàn)的最大荷載取設(shè)計(jì)承載力特征值的2倍(即540kPa)。根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2003),取s/b=0.012(b為方形壓板的寬度)對(duì)應(yīng)的荷載,其值均超過(guò)最大荷載的1/2,因此取最大加荷量的1/2半作為CFG樁復(fù)合地基承載力的特征值。從3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,CFG樁復(fù)合地基承載力特征值均>270kPa,復(fù)合地基承載力提高近1倍,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        (二)單樁靜載試驗(yàn)

        試驗(yàn)進(jìn)行了3根CFG樁單樁靜荷試驗(yàn)。CFG樁單樁極限承載力均≥600kN,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。所有單樁在壓至總加載量時(shí),均未出現(xiàn)沉降急驟增大、樁體破壞及累計(jì)的沉降量>60mm的現(xiàn)象。

        (三)低應(yīng)變樁身完整性檢測(cè)

        本工程低應(yīng)變檢測(cè)CFG樁樁身完整性共進(jìn)行了130根,檢測(cè)比例為10%。所測(cè)的130根CFG樁中,Ⅰ類(lèi)樁84根,Ⅱ類(lèi)樁46根,無(wú)Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)樁。

        六、結(jié)論

        第一,CFG樁屬高粘結(jié)強(qiáng)度樁,它與素混凝土樁的區(qū)別僅僅在于樁體材料的構(gòu)成不同,而在受力和變形特性方面沒(méi)有什么區(qū)別,從復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,CFG樁復(fù)合地基的承載力得到了大幅度提高,地基變形得以控制。

        第二,復(fù)合地基中由于CFG樁樁體材料可摻入工業(yè)廢料粉煤灰且不配筋,以及能充分發(fā)揮樁間土的承載力,其受力和變形類(lèi)似于素混凝土樁,具有地基承載力高、變形小、穩(wěn)定快、施工簡(jiǎn)單方便、工程質(zhì)量易保證和工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

        第三,是否設(shè)置褥墊層以及墊層的材料和厚度,直接影響復(fù)合地基的樁和樁間土強(qiáng)度的發(fā)揮,合理的墊層厚度對(duì)提高復(fù)合地基承載力和減少沉降變形是很有利的。但在水利工程應(yīng)用中,采用何種防水型墊層代替碎石褥墊層,既能發(fā)揮復(fù)合地基的綜合作用又能解決基礎(chǔ)防滲問(wèn)題,還很值得深入研究。

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