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        CFG 樁復(fù)合地基的加固機(jī)理及施工工藝

        2014-11-18 13:04:00韓新平
        山西建筑 2014年19期
        關(guān)鍵詞:泵壓褥墊成樁

        韓新平

        (山西長興路橋工程有限公司,山西 長治 046000)

        在施工中,當(dāng)天然地基不能滿足建筑物對地基的要求時(shí),就要對地基進(jìn)行處理。隨著技術(shù)的發(fā)展,地基處理手段也日趨多樣化,有機(jī)械壓實(shí)法、強(qiáng)夯法、擠密法、CFG 樁等。各種方法均有其適用范圍,在施工中,應(yīng)結(jié)合地基條件、加固要求、工程造價(jià)等綜合因素,選擇合適的處理方法。

        隨著科技的飛速發(fā)展,復(fù)合地基特有的工程技術(shù)優(yōu)勢和低廉的工程造價(jià)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。CFG 樁復(fù)合地基是其中的典型,是應(yīng)用最廣泛的地基處理方法之一,常用于軟弱地基或路基加固處理。在使用CFG 樁進(jìn)行地基加固中,樁的作用使得地基的承載力提高,變形減小,且CFG 樁不配筋,混合料使用粉煤灰等工業(yè)廢料作為摻合料,大大的降低了工程造價(jià),且具有施工速度快、質(zhì)量易于控制的優(yōu)勢,地基處理效果良好,在我國得到了廣泛應(yīng)用。

        1 CFG 樁復(fù)合地基

        CFG 樁(Cement Fly-ash Gravel Pile,簡稱CFG 樁),水泥粉煤灰碎石樁的簡稱,是在碎石樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型地基處理方法,是在碎石、粉煤灰中摻加適量的水泥加水拌合成混合料,使用成樁機(jī)具制成的可變粘結(jié)強(qiáng)度樁,屬于復(fù)合地基剛性樁的一種。CFG 樁主要由樁身、樁帽、褥墊層組成,結(jié)構(gòu)形式主要有:樁+板,樁+帽+褥墊層兩種(見圖1)。在CFG 樁中,樁體的主要材料是碎石,石屑為中等粒徑骨料,能夠改善級配,粉煤灰具有細(xì)骨料和低標(biāo)號水泥的作用。在CFG 樁的設(shè)計(jì)中,可以通過水泥摻量以及配合比的調(diào)整,使得樁體強(qiáng)度在C5~C20 之間的范圍內(nèi)調(diào)整。在CFG 樁復(fù)合地基中,CFG 樁本身具有一定的粘結(jié)性,可在全長范圍內(nèi)受力,以充分發(fā)揮樁周摩阻力和端承力,從而大幅提高地基的承載能力。CFG 樁復(fù)合地基具有工后沉降小,穩(wěn)定快的特點(diǎn),適用于對填土、飽和及非飽和粘性土,以及松散的砂土、粉土等進(jìn)行加固,但對塑性指數(shù)高的飽和軟粘土使用時(shí)要謹(jǐn)慎。

        圖1 CFG 樁的兩種結(jié)構(gòu)形式

        2 CFG 樁的地基加固機(jī)理

        在CFG 樁結(jié)構(gòu)中,樁全長受力,比碎石樁提高承載力可達(dá)4 倍或更高;同時(shí),可提供將樁體向上貫入褥墊層來調(diào)整樁土的應(yīng)力比,實(shí)現(xiàn)樁土的協(xié)調(diào)變形,確保承載性能。

        2.1 CFG 樁復(fù)合地基的加固機(jī)理

        在載荷狀態(tài)下,CFG 樁復(fù)合地基依靠樁與樁間土始終共同工作,來共同承擔(dān)荷載,利于大幅提高承載力。在CFG 樁復(fù)合地基中,當(dāng)受到垂直荷載時(shí),樁和樁間土都要發(fā)生沉降變形。由于樁的變形模量遠(yuǎn)高于土,故樁比土的變形要小很多。而設(shè)置的褥墊層是由散體材料構(gòu)成的,在載荷狀態(tài)下,可使得樁向上貫入(見圖2)。在樁體貫入褥墊層的過程中,褥墊材料不斷調(diào)整補(bǔ)充到樁間土上,以確保樁和樁間土始終共同工作(見圖3)。樁對樁間土具有的擠密作用,可使得樁間土的側(cè)應(yīng)力增加而改善樁的受力性能。

        圖2 CFG 樁貫入褥墊層示意圖

        圖3 CFG 樁復(fù)合地基示意圖

        2.2 CFG 樁褥墊層的作用

        在CFG 樁復(fù)合地基結(jié)構(gòu)中,褥墊層是由粒狀材料組成的散體墊層。無論樁端是落在軟土層還是硬土層,樁間土對樁始終有一個(gè)摩擦力。這對提高樁間土的承載力,減少地基的沉降變形起著關(guān)鍵作用。褥墊層可使樁、土共同承擔(dān)荷載,調(diào)整樁、土對垂直以及水平荷載的分擔(dān),以減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)荷載一定時(shí),褥墊越厚,樁間土承擔(dān)的荷載就越多;褥墊厚度一定,荷載越大時(shí),樁承擔(dān)的荷載比例就增加??梢钥闯?,CFG樁復(fù)合地基能夠有效的提高地基承載力,就是充分利用樁和樁間土的垂直和水平承載能力。根據(jù)這一原則,可大量減少樁的數(shù)量,且CFG 樁使用鋼筋,工業(yè)廢料和石屑作為摻合料澆筑樁體,水泥用量少,可大大降低工程造價(jià)。

        3 振動沉管施工工藝

        在我國20 世紀(jì)80年代,由于振動沉管打樁機(jī)數(shù)量多(見圖4),分布也廣。在CFG 樁復(fù)合地基的施工中,使用了振動沉管施工工藝并應(yīng)用成功。

        圖4 振動沉管打樁機(jī)樁尖

        1)施工準(zhǔn)備。施工前,應(yīng)準(zhǔn)備好與施工相關(guān)的以下資料:地質(zhì)勘察報(bào)告,CFG 樁布樁圖,注明樁位編號、設(shè)計(jì)說明和施工說明等,地下電纜管線等設(shè)施,水準(zhǔn)控制點(diǎn)和線路控制圖,試成孔及施工可行的報(bào)告等。2)施工措施。施工機(jī)具和配套設(shè)備到位,施工材料供應(yīng)到位,進(jìn)行試成孔,地質(zhì)資料復(fù)核,測量的基線、水準(zhǔn)點(diǎn)及樁軸線定位點(diǎn)等關(guān)鍵部位復(fù)核,沉管標(biāo)記檢查,施工人員培訓(xùn)等。3)施工流程:場地平整→測量放線→套管就位→套管下沉及接管→終孔投料→振密→樁套拔出。在使用振動沉管法施工中,關(guān)鍵步驟包括沉管、投料及拔管。a.沉管。按照CFG 樁設(shè)計(jì)的要求,如:樁長、成管的入土深度等,合理確定機(jī)架高度及沉管的長度。待樁機(jī)就位后,將樁管垂直,要求的垂直度偏差不得大于1%。當(dāng)采用預(yù)制鋼筋混凝土樁尖時(shí),則要將樁尖埋入地表以下300 mm 處。開始沉管后,啟動馬達(dá),確定沉管達(dá)到預(yù)定的標(biāo)高后停機(jī)。在沉管過程中,做好數(shù)據(jù)記錄,例如激振電流變化等。b.投料。當(dāng)沉管達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后須盡快投料,直到混合料與投料口齊。如在投料過程中發(fā)生投料量不足的情況時(shí),應(yīng)在拔管的過程中投料,確保成樁樁頂標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求。c.拔管。拔管前,需在原位振動約5 s~10 s 后再拔管。拔管速度是影響成樁質(zhì)量的重要因素。拔管過快,容易出現(xiàn)局部縮頸或斷樁現(xiàn)象;拔管太慢或是振動時(shí)間過長,容易使樁頂浮漿增厚,增加混合料離析的可能。因此,為確保成樁質(zhì)量,拔管速度一般控制在1.0 m/min~1.5 m/min 為宜。將沉管拔出地面后進(jìn)行檢驗(yàn),確定成樁符合設(shè)計(jì)要求后,使用粒狀材料或者濕粘性土進(jìn)行封頂作業(yè)。采用振動沉管施工工藝進(jìn)行施工,具有施工簡便,經(jīng)濟(jì)性好,對樁間土擠密、加固效果顯著的特征,是我國目前最主要的CFG 樁施工工藝。存在的不足是對施工質(zhì)量控制要求較高,在施工中存在著振動和噪聲污染等。

        圖5 長螺旋鉆管內(nèi)泵壓CFG 樁設(shè)備

        4 長螺旋鉆管內(nèi)泵壓CFG 樁施工工藝

        在我國,20 世紀(jì)90年代末,研制成功了專用于打設(shè)CFG 樁的長螺旋鉆管內(nèi)泵壓CFG 樁施工設(shè)備(見圖5)。該設(shè)備由長螺旋鉆機(jī)、混凝土泵和強(qiáng)制式攪拌機(jī)組成。1)施工準(zhǔn)備。施工前,以測量控制基準(zhǔn)點(diǎn)為控制點(diǎn),定位測量放線,確定樁位;使用鋼筋或竹片標(biāo)示好樁位,每個(gè)樁位標(biāo)明柱位編號,并加以保護(hù);施工機(jī)具準(zhǔn)備好并就位;組織施工人員進(jìn)行培訓(xùn)等。2)成孔。鉆機(jī)就位后,先進(jìn)行預(yù)檢,要求鉆頭中心與樁位偏差不得大于20 mm。根據(jù)預(yù)鉆結(jié)果調(diào)整鉆機(jī),采用雙垂球雙向控制好鉆桿垂直度,合格后方可平穩(wěn)鉆進(jìn)。當(dāng)鉆頭剛接觸地面時(shí),先關(guān)閉鉆頭封口,下鉆速度要慢。在鉆進(jìn)的過程中,將正常鉆進(jìn)速度控制在1 m/min~1.50 m/min。遇到卡鉆或是發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)搖晃、偏移等情況時(shí),應(yīng)立即停鉆調(diào)查原因,進(jìn)行處置后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆出的土方應(yīng)及時(shí)清理至指定地方堆放,不得在施工場地堆放。根據(jù)鉆桿上標(biāo)示的孔深標(biāo)志控制鉆孔深度至設(shè)計(jì)要求。3)泵送混合料成樁。合理安放地泵,盡量減少混凝土輸送管路的管彎,利于混合料輸送。拌合好的混凝土應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求,坍落度應(yīng)控制在160 mm~200 mm 的范圍內(nèi),并具有較好的和易性和流動性,嚴(yán)格禁止不符合要求的混凝土輸送入管。送料斗內(nèi)的混凝土高度不得低于40 cm,以確保泵送混凝土連續(xù)進(jìn)行,以免吸進(jìn)空氣造成堵管。提升鉆桿快要接近地面時(shí),為確保樁頭質(zhì)量,應(yīng)放慢提管速度并清理孔口渣土。在施工中,設(shè)置專人進(jìn)行泵壓與鉆機(jī)提升情況指揮,確保鉆桿提升速度與泵送速度相匹配。為確保成樁質(zhì)量,必須嚴(yán)禁先提鉆后灌料。4)樁頭清理。成樁后,在不影響后續(xù)施工的前提下,組織設(shè)備和人員進(jìn)行清運(yùn)打樁棄土作業(yè)。清土?xí)r,要注意保護(hù)完工的樁體,必須將棄土堆放至指定地點(diǎn)。5)樁基檢測。成樁施工完畢28 d 后進(jìn)行成樁質(zhì)量檢測,再進(jìn)行樁帽制作工作。

        采用長螺旋鉆管內(nèi)泵壓CFG 樁施工工藝,具有無振動和噪聲污染的環(huán)保優(yōu)勢,且施工效率高,鉆孔成樁一次完成。但工程成本高,這是影響其推廣應(yīng)用的最大因素。

        [1]CFG 樁復(fù)合地基原理與施工技術(shù)[Z/OL].http://wenku.baidu.com/view/9c888d0f7cd184254b3535a4.html,2014.

        [2]長螺旋CFG 樁簡介[Z/OL].http://www.sdcfg.com/c_html_news/chaluoxuancfgzhujianjie-4.html,2014.

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