陳士凱(浙江江南工程管理股份有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518026)
水泥粉煤灰碎石樁(Cement Fly-ash Gravel Pile,CFG樁)是由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和,用成樁機(jī)械制成的具有一定強(qiáng)度的可變強(qiáng)度樁,是在碎石樁基礎(chǔ)上發(fā)展起來的地基處理技術(shù),是介于剛性樁與柔性樁之間的樁型。其具有靈活性強(qiáng)、加固效果好等多重優(yōu)勢(shì),通過應(yīng)用CFG樁,有利于提高地基的穩(wěn)定性,維持上方建筑結(jié)構(gòu)的安全性[1],對(duì)天然地基的松散、不均勻和持力不足等問題提出一種科學(xué)合理的處理方式。自20世紀(jì)80年代起,我國通過實(shí)驗(yàn)對(duì)CFG樁基技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)研究,積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn),至20世紀(jì)90年代原建設(shè)部將其列為重點(diǎn)技術(shù)并于全國范圍推廣。經(jīng)過長期的施工研究、探索總結(jié)和技術(shù)革新,CFG樁基已經(jīng)具備荷載調(diào)整幅度大、變形小、施工快、工效高和成本低等特點(diǎn),特別適用于多層和高層建筑及公路工程等項(xiàng)目。不可否認(rèn),我國地緣遼闊,地質(zhì)及氣候環(huán)境復(fù)雜多變,工程人員技術(shù)水平欠缺以及在CFG樁基施工中遇到諸多難題,造成過不同程度的經(jīng)濟(jì)損失,因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際工況加以分析研究,因地制宜地制定有針對(duì)性的技術(shù)措施進(jìn)行控制,以達(dá)到預(yù)期施工目的。本文以CFG樁復(fù)合地基技術(shù)應(yīng)用于商丘市某大型棚戶區(qū)改造及安置房項(xiàng)目1號(hào)樓工程(以下簡(jiǎn)稱“本工程”)為例,對(duì)CFG樁復(fù)合地基技術(shù)進(jìn)行梳理、探討與研究,具有重要的推廣價(jià)值。
CFG樁中的水泥、粉煤灰和水通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)后凝結(jié)硬化,生成不溶于水的結(jié)晶化合物,這些結(jié)晶延伸到縫隙中形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將原來點(diǎn)-面結(jié)構(gòu)和點(diǎn)-點(diǎn)結(jié)構(gòu)的粗細(xì)骨料緊緊黏結(jié)在一起,極大地提高了樁體的彈性模量、剪切模量[2],起到了置換作用。正是基于將CFG樁置換作為重要的技術(shù)考量,才大幅提升了樁土承載力。置換作用大小主要取決于置換材料的強(qiáng)度、彈性模量以及置換率等因素,CFG樁復(fù)合地基就樁體自身材料和樁間土的力學(xué)性質(zhì)而言,其樁體強(qiáng)度和彈性模量要遠(yuǎn)大于樁間土,樁所承擔(dān)的荷載約占總荷載的40%~75%。由此可見,CFG樁在復(fù)合地基中的置換作用是提升地基承載力的主要因素之一。
經(jīng)過對(duì)CFG樁復(fù)合地基加固前后樁間土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的試驗(yàn)研究分析表明,加固后的樁間土的物理力學(xué)性質(zhì)得到較大提高,一般含水量降低14%~19%,孔隙比降低13%以上,壓縮系數(shù)減小11%~52%,天然容重增加1.03%~2.20%,靜力觸探比貫入阻力提高30%以上。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在地基加固作用影響下,CFG樁對(duì)黏性土或粉土地質(zhì)工程改善明顯,而對(duì)砂類土改變相對(duì)較小,但振密效果較為明顯。因此,CFG樁復(fù)合地基對(duì)樁間土的改良作用效果明顯,也提升了地基承載力。
在CFG樁復(fù)合地基中,樁基既能將上部建筑荷載向較深土層傳遞,也能對(duì)樁間土起到阻止側(cè)向變形的作用,間接提高了樁間土的壓縮模量,從而提高了樁間土的豎向承載力。在相同荷載條件下,無側(cè)向約束地基土的側(cè)向變形非常大,使得地基豎向變形增大,在有側(cè)向約束條件下,由于CFG樁對(duì)土體側(cè)向變形存在一定的約束作用,減少了側(cè)向變形,同時(shí)也減少了土體的豎向變形,使得復(fù)合地基抵抗變形能力大幅度增強(qiáng)。
在豎向荷載作用下,CFG樁復(fù)合地基由于褥墊層的作用,樁體逐漸向褥墊層中刺入,樁頂上部墊層材料在受壓縮的同時(shí)向周圍流動(dòng),而墊層材料的流動(dòng)補(bǔ)償使樁間土的承載力得到充分發(fā)揮,樁體承擔(dān)的荷載相對(duì)減少,從而使基底的接觸壓力得到了均化和調(diào)整,地基中的豎向應(yīng)力分布得到均化,地基的變形狀況得到明顯改善,復(fù)合地基的承載力將大大提高[3]。另外,隨著作用在樁間土上部豎向荷載的增大,樁間土的壓密度得到提升,使樁側(cè)法向應(yīng)力增大,樁身的側(cè)摩阻力也增加,使得復(fù)合地基承載能力進(jìn)一步提高。
商丘市某大型棚戶區(qū)改造及安置房建設(shè)項(xiàng)目是一項(xiàng)重大的民生工程,對(duì)項(xiàng)目建設(shè)提出了極高要求??偨ㄖ娣e466 303.10 m2,其中地上面積326 630.70 m2、地下面積139 672.40 m2,主要包括住宅、地下車庫、商業(yè)配套、物管房、儲(chǔ)藏室以及道路、綠化、給排水、消防等輔助設(shè)施。其中1號(hào)樓為27層建筑,結(jié)構(gòu)類型采用筏板基礎(chǔ)+框架剪力墻形式,自然地面標(biāo)高約47.95 m,基坑開挖深度11.37 m;CFG樁端進(jìn)入第⑥層粉砂層,樁數(shù)462根,樁長≥18 m,樁徑400 mm,樁間距1.3 m,材料強(qiáng)度等級(jí)C25,單樁豎向承載力Ra≥680 kN。褥墊層采用3∶7級(jí)配砂石,最大粒徑小于30 mm,300 mm厚,每邊寬出筏板300 mm,夯填度≤0.9,復(fù)合地基承載力fspk≥460 kPa。
根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,場(chǎng)地自然標(biāo)高約為47.95 m,屬于近期黃河沖積平原地貌,地勢(shì)平坦開闊;地下水類型主要為潛水,在鉆孔期間測(cè)得穩(wěn)定水位埋深5.0 m~5.3 m。各土層揭示如下。
(1)①層雜填土:主要以拆遷后的建筑垃圾為主。
(2)②層粉土:褐黃色,濕,中密,搖振反應(yīng)中等,無光澤反應(yīng),干強(qiáng)度低,韌性低;局部夾粉質(zhì)黏土,棕褐色,可塑,分布不均勻。
(3)③層粉質(zhì)黏土:灰褐色,可塑,搖振反應(yīng)無,切面稍光滑,干強(qiáng)度中等,韌性中等。
(4)④層粉土:褐黃色,濕,中密~密實(shí),定性為中密,含云母及鐵猛質(zhì),搖振反應(yīng)中等,無光澤反應(yīng),干強(qiáng)度及韌性低。
(5)⑤層粉質(zhì)黏土:棕灰色,可塑~硬塑,定性為硬塑,搖振反應(yīng)無,切面稍光滑,干強(qiáng)度及韌性高。
(6)⑥層粉砂土:褐黃色,飽和,密實(shí),主要成分為長石、石英及少量云母,分選性較好,砂質(zhì)純凈。
根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告顯示,本工程地下水位高,場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布較深厚的飽和粉土及粉質(zhì)黏土層,土層變幅范圍大,地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,極易因技術(shù)控制不合理而出現(xiàn)斷樁、縮徑、竄孔等問題;工程為舊城區(qū)拆遷改造工程,現(xiàn)場(chǎng)存在大量的舊基礎(chǔ)、樹根等廢棄物,對(duì)CFG樁機(jī)鉆進(jìn)質(zhì)量控制存有較大影響;由于施工時(shí)處于冬季,極端寒冷天氣易導(dǎo)致泵管出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。因此,工程技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際工況進(jìn)行分析研究,編制出具有針對(duì)性的專項(xiàng)施工方案。
場(chǎng)地整平→定樁位→樁機(jī)就位開鉆至設(shè)計(jì)深度→邊壓灌混凝土邊提鉆桿至超灌標(biāo)高→成樁→挖除樁間土→鑿除樁頭→樁基檢測(cè)→褥墊層施工。
首先督促施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、巖土工程勘察報(bào)告、施工技術(shù)規(guī)范、工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及氣候環(huán)境等相關(guān)文件編制有針對(duì)性的施工方案,完成內(nèi)部審核后提交監(jiān)理單位進(jìn)行審核。監(jiān)理工程師應(yīng)結(jié)合相關(guān)施工圖紙、特殊的地質(zhì)環(huán)境和水文狀況,重點(diǎn)對(duì)機(jī)械選型、工藝流程及技術(shù)控制參數(shù)等進(jìn)行可行性審核,經(jīng)總監(jiān)理工程師簽字確認(rèn)后作為工程施工依據(jù)。其次,在工程開工前,應(yīng)針對(duì)樁基工程概況、施工環(huán)境及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等做好技術(shù)交底工作,然后進(jìn)行試樁施工,以驗(yàn)證制定的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的可行性,使相關(guān)人員能夠掌握CFG樁復(fù)合地基工程的技術(shù)控制要點(diǎn),確保工程質(zhì)量控制有序展開。
(1)首先進(jìn)行場(chǎng)地的清理整平工作,根據(jù)樁位坐標(biāo)及地面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量放線,報(bào)監(jiān)理人員復(fù)核驗(yàn)收。其次,根據(jù)施工專項(xiàng)方案,采用長螺旋鉆孔灌注樁機(jī)進(jìn)行CFG樁施工,考慮到砂性土地質(zhì)易產(chǎn)生混凝土竄孔問題,采取間隔跳打法由一側(cè)向另外一側(cè)推進(jìn)施工;待相鄰樁位混合料凝結(jié)固化后,再鉆相鄰樁位。
(2)鉆機(jī)就位后,保持鉆頭中心對(duì)準(zhǔn)樁位中心,調(diào)整雙向水準(zhǔn)泡,保證鉆桿鉛垂儀垂直,再根據(jù)樁底標(biāo)高、樁頂標(biāo)高與鉆機(jī)動(dòng)力頭之間的高差關(guān)系,在鉆機(jī)主塔下端標(biāo)出鉆機(jī)動(dòng)力頭相對(duì)于樁底標(biāo)高處的標(biāo)識(shí)以及在主塔上端標(biāo)出鉆機(jī)動(dòng)力頭相對(duì)高出樁頂80 cm處的標(biāo)識(shí),經(jīng)監(jiān)理人員復(fù)核確認(rèn)后同意開鉆。
(3)開鉆時(shí)應(yīng)向下移動(dòng)鉆桿使鉆頭觸及地面,并關(guān)閉鉆頭閥門,啟動(dòng)按鈕開鉆,先慢后快。這樣既能減少鉆桿搖晃,又能檢查鉆孔的偏差。鉆桿垂直度控制應(yīng)通過鉆機(jī)自身鉛垂儀隨時(shí)觀測(cè)與糾偏,保證垂直度≤1%。鉆進(jìn)應(yīng)勻速,速度控制在2.5 m/min,并及時(shí)清理返出孔口的渣土,當(dāng)樁機(jī)動(dòng)力頭到達(dá)主塔下端相對(duì)于樁底標(biāo)識(shí)處時(shí),表明鉆頭已到達(dá)樁底標(biāo)高,應(yīng)當(dāng)停止鉆進(jìn)。
(4)當(dāng)鉆機(jī)停止鉆進(jìn)后,應(yīng)先向鉆桿的芯管內(nèi)壓灌混凝土,停頓10 s~20 s,再緩慢提鉆,邊提鉆邊壓灌混凝土,提鉆按1.5 m/min控制,鉆頭在混凝土內(nèi)埋深1 m左右,使鉆桿葉片對(duì)混凝土有一定擠壓作用,確保帶壓提鉆。當(dāng)動(dòng)力頭提升至主塔上端相對(duì)高出樁頂80 cm標(biāo)識(shí)處時(shí)應(yīng)停止壓灌混凝土,保證混凝土超灌高度≥80 cm,然后提鉆出孔移機(jī)至下一樁位。
(5)由于施工現(xiàn)場(chǎng)廣泛分布飽和粉土和粉質(zhì)黏土,土層變化范圍大,且穩(wěn)定水位埋深5.0 m~5.3 m,樁身土體處于飽和水狀態(tài),不利的地質(zhì)環(huán)境極易產(chǎn)生斷樁、縮孔等問題,在施工前應(yīng)針對(duì)施工的具體樁位計(jì)算出飽和粉土和粉質(zhì)黏土的相對(duì)標(biāo)高,在提鉆過程中適當(dāng)減少至1.0 m/min~1.2 m/min為宜。
(6)澆筑混凝土?xí)r應(yīng)加強(qiáng)坍落度檢查,因?yàn)樘涠却笮?duì)CFG樁基質(zhì)量影響很大。混合料坍落度過大,會(huì)形成混凝土的離析和泌水,導(dǎo)致樁頂浮漿過多,樁體強(qiáng)度會(huì)降低,因此混凝土坍落度必須控制在180±20 mm之間。
(7)在混凝土澆筑過程中,監(jiān)理人員應(yīng)全過程進(jìn)行旁站,并記錄混凝土澆筑的起止時(shí)間、鉆桿提升速度、混凝土坍落度、混凝土澆筑標(biāo)高、澆灌數(shù)量、充盈系數(shù)以及有無發(fā)生塌孔等異常現(xiàn)象,按有關(guān)規(guī)定見證混凝土試塊的留置,并送標(biāo)養(yǎng)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
(8)由于CFG樁混凝土全部埋入地面以下,故采取濕土覆蓋養(yǎng)護(hù)即可。樁基混凝土澆灌完成14 d后方可安排樁間土的開挖外運(yùn),養(yǎng)護(hù)期間,任何大型機(jī)械不得進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng),防止產(chǎn)生擾動(dòng)。
(1)在樁間土開挖過程中,嚴(yán)禁大型機(jī)械在樁頂上部通行,防止對(duì)樁頂混凝土產(chǎn)生擠壓破壞。嚴(yán)格加強(qiáng)對(duì)基坑、集水坑、電梯井的邊線位置和標(biāo)高尺寸的測(cè)量與控制,防止出現(xiàn)超挖、誤挖及錯(cuò)挖等現(xiàn)象。
(2)當(dāng)機(jī)械開挖至基底上部30 cm時(shí),用水準(zhǔn)儀及時(shí)測(cè)量標(biāo)高,采取人工配合清土,將機(jī)械挖不到的地方和樁邊土清除后運(yùn)到機(jī)械作業(yè)范圍,由機(jī)械挖運(yùn)至指定場(chǎng)地堆放點(diǎn)。開挖集水坑和電梯井時(shí)應(yīng)按放好尺寸線,先將內(nèi)口線開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高處,然后再按外口線進(jìn)行修坡。
(3)基坑留置的30 cm土層清除后,在樁頂標(biāo)高處繞樁身周圍做一道水平標(biāo)記線,沿此線采用手持電動(dòng)切割機(jī)進(jìn)行切割,切割交圈后用手錘和鏨子進(jìn)行截樁處理。在樁身四周切縫處采用手錘分別對(duì)3個(gè)鏨子進(jìn)行均勻錘擊,直至樁身被截?cái)酁橹?,并?duì)樁頂?shù)耐雇幻孀麒彸幚怼?/p>
(1)CFG樁頭鑿除施工完成后,即可進(jìn)入褥墊層施工。褥墊層的鋪筑按3∶7級(jí)配砂石均勻拌制,有機(jī)物含量<3%;砂石應(yīng)根據(jù)其干濕程度和氣候條件適當(dāng)灑水,保持最佳含水率控制在8%~12%之間。
(2)褥墊層鋪設(shè)深度不同時(shí),連接面應(yīng)挖成踏步或斜坡形,同一標(biāo)高的接茬處應(yīng)做成斜坡。施工應(yīng)按先深后淺順序進(jìn)行,分2層鋪設(shè),每層鋪170 mm,采用蛙式打夯機(jī)分層夯實(shí),落距為400 mm~500 mm,要一夯壓半夯,夯夯相接,全面夯實(shí),且不少于3遍,每層夯實(shí)至150 mm。
(3)鋪設(shè)標(biāo)高處于同一層面的,鋪設(shè)厚度按340 mm控制,采用8 t~12 t壓路機(jī)往返靜力碾壓,碾壓遍數(shù)≥4遍,輪距搭接≥500 mm,碾壓厚度達(dá)到300 mm即可,以符合夯填度≤0.9設(shè)計(jì)要求。另外,應(yīng)對(duì)標(biāo)高及平整度進(jìn)行驗(yàn)收,標(biāo)高滿足±15 mm,平整度符合20 mm/2 m。
CFG樁基開鉆不久,經(jīng)常出現(xiàn)泵管堵塞,導(dǎo)致無法連續(xù)進(jìn)行泵壓混凝土,對(duì)成樁質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響,極易出現(xiàn)斷樁。據(jù)此,對(duì)混凝土原料及配合比進(jìn)行優(yōu)化,采用級(jí)配良好的碎石摻入20%卵石,粒徑8 mm~25 mm,粉煤灰摻量由76 kg/m3增加到90 kg/m3,以進(jìn)一步減少混合料的泌水性,增加和易性,改善可泵性。另外,結(jié)合冬季施工特點(diǎn),在混合料攪拌時(shí)摻入3%~5%的防凍劑,以降低拌和料冰點(diǎn),同時(shí)加強(qiáng)對(duì)混合料的測(cè)溫工作,確?;旌狭系娜肟诇囟取?℃。在泵管的外層包裹一層防凍棉,防止混合料降溫速度太快,減少泵管的過彎數(shù)量,以降低泵送壓力。通過對(duì)泵送混凝土進(jìn)行必要的技術(shù)調(diào)整,堵管問題得以解決。
在鉆進(jìn)87號(hào)樁孔時(shí),遇到地下不明障礙物,出現(xiàn)憋鉆現(xiàn)象,且鉆桿擺動(dòng)非常厲害,而操作人員多次提鉆后復(fù)鉆,均無法鉆進(jìn),此時(shí)鉆頭距離地面僅約1.4 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看后移開鉆機(jī),對(duì)樁位進(jìn)行開挖檢查,發(fā)現(xiàn)是一口廢棄的磚砌古井,對(duì)古井尺寸進(jìn)行尺量,深度約為17 m,井口內(nèi)徑為60 cm,古井深度較深且井內(nèi)水位較高,無法挖除。由總監(jiān)理工程師組織各參建單位負(fù)責(zé)人召開專題協(xié)調(diào)會(huì)進(jìn)行討論,經(jīng)研究決定:在原87號(hào)樁的東側(cè)70 cm處重新確定87號(hào)樁,以取代原樁位,在基坑開挖完成后,采用導(dǎo)管伸至井底部,再用C15素混凝土澆灌至基坑的底標(biāo)高,根據(jù)場(chǎng)地原始地形地貌,對(duì)舊基礎(chǔ)、樹根等障礙物進(jìn)行探明及挖除。
JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定:復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)和單樁靜載荷試驗(yàn)數(shù)量不少于總樁數(shù)1%,且每個(gè)單體工程的復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)數(shù)量不應(yīng)少于3點(diǎn),采用低應(yīng)變動(dòng)力試驗(yàn)檢測(cè)樁身完整性,檢測(cè)數(shù)量不低于總樁數(shù)10%。據(jù)此,確定樁基檢測(cè)數(shù)量:低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)47根;單樁靜載荷試驗(yàn)5根;復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)5組。
CFG樁基施工完成28 d后,根據(jù)施工狀況選擇47根樁提交樁檢單位進(jìn)行采集信號(hào)并作綜合分析判定:本次檢測(cè)共計(jì)47根樁,其中I類樁為40根,II類樁為7根,所檢測(cè)的47根樁身結(jié)構(gòu)完整性滿足設(shè)計(jì)要求。選取5根代表性樁進(jìn)行單樁靜載荷試驗(yàn),加載至1 360 kN時(shí)終止加載,總沉降量在14.34 mm~17.08 mm之間且Q-s曲線平緩,無明顯陡降段,s-lgt曲線呈規(guī)則排列,根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》判定,取680 kN為單樁靜載荷特征值,滿足設(shè)計(jì)要求。
選取5個(gè)試點(diǎn)進(jìn)行復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn),加載至920 kPa,其對(duì)應(yīng)最終沉降量在10.18 mm~12.45 mm范圍內(nèi),P-s曲線和s-lgt曲線正常,沉降速率穩(wěn)定,根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》判定,取460 kPa為復(fù)合地基承載力特征值,滿足設(shè)計(jì)要求。
(1)CFG樁基施工環(huán)節(jié)少,樁基無需配置鋼筋,成樁效率高,與其他樁基相比,可縮短工期約30%;與靜壓預(yù)制及其他樁基類型相比,可節(jié)約工程造價(jià)約30%~50%。由此可見,CFG樁可用于多種軟弱或相對(duì)軟弱土層中,能大幅提升地基承載力,具有適用性強(qiáng)、地基變形量小、工期短和投資成本低等優(yōu)點(diǎn)。
(2)在CFG樁基混凝土中加入一定量的粉煤灰,不僅可改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu),提高粗骨料與砂漿之間的界面強(qiáng)度,還可以改善混凝土和易性,顯著提高混凝土的施工性能,節(jié)省大量的水泥;利用工業(yè)廢料,減少對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染,樁基施工噪聲低,也實(shí)現(xiàn)了綠色施工,產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和環(huán)保效益。
CFG樁基是近年來國內(nèi)快速發(fā)展的復(fù)合地基處理方式,特別是因天然地基存在松散、不均勻、持力不足等不良條件下的行之有效的一種技術(shù)處理。本文重點(diǎn)從復(fù)雜工況環(huán)境下施工技術(shù)的監(jiān)理控制以及所遇問題實(shí)施對(duì)策方面進(jìn)行闡述,旨在為CFG樁復(fù)合地基處理技術(shù)進(jìn)一步完善提供有益技術(shù)積累,為工程技術(shù)人員提供經(jīng)驗(yàn)參考。由于施工工況環(huán)境差異極大,應(yīng)針對(duì)不同環(huán)境科學(xué)合理地研究分析出不同的施工工藝參數(shù),編制有針對(duì)性的專項(xiàng)施工方案,為施工提供確實(shí)可行的控制依據(jù),也為CFG樁復(fù)合地基處理技術(shù)邁向成熟作出積極探索。