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CFG桩复合地基施工技术


CFG 桩复合地基施工技术 复合地基施工 施工技术
闫明礼 1
(1 中国建筑科学研究院地基所,北京

蔡晓鸿 2

佟建兴 1
100045)

100013;2.北京建工集团总承包二部,北京

提要: 提要:本文介绍了 CFG 桩复合地基施工技术要点,对采用长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩工艺施工,如何防止桩端 产生虚土和防止窜孔进行了讨论。 关键词: 关键词:CFG 桩复合地基;施工技术;长螺旋钻机 中图分类号: 中图分类号:TU4 文献标识码: 文献标识码:A

Abstract:The paper presents technological points of CFG pile composite foundation :

construction. The construction technology of

twist boring concrete pumping piling is discussed. The issues on how to avoid producing weak soil under the end of pile and how to avoid concrete flowing between piles are recommended. Key words:CFG pile composite foundation;construction technology;long twist drill :

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前言

CFG 桩复合地基技术已在全国广泛推广应用, 但 CFG 桩施工在某些地区存在着一些不可忽视的 问题,比如,长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成 桩,施工设备不具备排气装置,钻孔到预定标高后 开始向管内泵料,钻杆中的空气排不出,导致桩体 产生孔洞;又如,钻孔到预定标高后,怕钻头活门 打不开,先提 30~50cm 再灌料,导致桩端有虚土 承载力偏低等等。需要指出的是,一些施工人员由 于缺乏对这一技术的深入了解,甚至把先提 30~ 50cm 再灌料的错误施工方法作为经验来交流, 以至 于这种错误的施工方法在全国广泛流传。 为了更好地推广 CFG 桩复合地基技术, 避免施 工发生一些质量问题,根据多年对 CFG 桩施工工 艺、施工设备的试验研究,特别是通过处理工程发 生的一些事故,对 CFG 桩施工技术做了回顾和总 结, 归纳了 CFG 桩施工技术要点, 供施工人员参考, 并就其中的几个问题作一讨论。

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CFG 桩施工技术要点

2.1 CFG 桩施工可根据现场条件选用下列施工工 艺: (1)长螺旋钻干成孔灌注成桩: 适用于地下水以上、提钻不塌孔的土层条件; (2)长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩: 适用于粘性土、 粉土、 砂土、 粒径不大于 60mm 厚度不大于 5m 的卵石层(卵石含量不大于 30%) ,

以及对噪声和泥浆污染要求高的场地; (3)振动沉管灌注成桩: 适用于粘性土、粉土、素填土,对夹有较厚卵 石、砂和孔隙比小液性指数较低的粘土层无合理有 效的辅助措施不宜采用,软土地基应通过现场试验 确定其适用性; (4) 泥浆护壁钻孔灌注成桩: 对遇有较厚卵石、砂和孔隙比小液性指数较低 的粘土层以及饱和软土,桩端持力层具有水头很高 的承压水,长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩 容易发生窜孔,对噪声污染要求严格的场地,不宜 采用前述施工工艺时,可采用该工艺。 2.2 当采用挤土成桩工艺, 新打桩对已打桩可能产 生不良影响时,可选用非挤土成桩工艺,或挤土和 非挤土成桩工艺联合使用的施工方案,挤土和非挤 土成桩工艺联合施工时,宜先打挤土桩、后打非挤 土桩;在有较厚软土的地基上施工时,混合料宜用 低坍落度(3~5cm) ,以防止桩体自身塌落发生断 桩; 2.3 通过试成桩检验地质条件是否与地质报告相 符、复合地基设计参数是否合理,对发现的问题, 及时向地基处理设计单位提出报告。 2.4 振动沉管 CFG 桩施工要点 (1) 通过在桩机卷扬系统加动滑轮, 调整拔管 线速度控制在规范建议的范围(不是平均速度) ; (2)打桩前、打桩过程中测地表标高,观测地 表隆起或下沉量; (3) 通过试成桩, 观测地面标高变化和测定新 打桩对已打桩的影响(新打桩对未结硬的已打桩的

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影响; 新打桩对已结硬的已打桩的影响) 确定合理 , 的施打顺序; (4) 软土中可采用静压振拔技术, 沉管过程可 不启振动锤、静压沉管,减少对桩间土的扰动,拔 管启锤使混合料振密; (5) 软土中可采用大直径予制桩尖, 以获得较 大的端阻力,而保持桩身混合料用量不变; (6) 经施工监测确认桩体断裂并脱开, 应逐桩 静压(跑桩)将脱开的上下桩接起来; (7) 拔管不宜长时间留振, 防止粗骨料与水泥 浆发生分离。 2.5 长螺旋钻孔、 管内泵压混合料灌注成桩施工要 点: (1) 基础埋深较大时, 宜在基坑开挖后的工作 面 上 施 工 , 工 作 面 宜 高 出 有 效 桩 顶 标 高 300 ~ 500mm,工作面为卵石和粗砂取小值,工作面土较 软时应采取相应施工措施(铺碎石、垫钢板等) ,保 证桩机正常施工。基坑较浅在地表打桩或部分开挖 打桩空孔较长时,应加大保护桩长,并严格控制桩 位偏差和垂直度; (2) 基坑降水应控制在标高最低的电梯井、 集 水坑底标高以下 500~1000mm; (3) 软土地基中施工宜通过掺加减水剂、 泵送 剂制备泵送性能好坍落度较低的混合料,以防止桩 体自身塌落发生断桩、或充盈系数过大。 (4)桩体混合料配比碎石最大粒径不宜大于 25mm,粉煤灰选用Ⅱ级或Ⅲ级细灰,每立方米混 合料掺量 70~90kg 为宜; (5)桩端为饱和粉土、砂土和卵石层时,应选 用下开式专利钻头 (专利号 ZL 00 2 63200.4) 以防 , 止钻头活门打不开、 桩端有虚土不能发挥土的端阻; (6)严禁先提钻后灌料; ( 7 ) 桩 径 400mm 时 提 钻 速 度 宜 为 2.5~3.5m/min,桩径增大钻头活门断面应相应增大, 若桩径增大而钻头活门断面不变时应相应降低提钻 速度; (8)夹有松散饱和粉土、粉细砂的土层,成孔 时在剪切荷载作用下,土体液化,导致刚打完处于 流动状态桩的桩周土丧失对桩的侧向约束能力,桩 体侧向澎出、桩顶下沉,产生窜孔,液化区域连成 片甚至导致基坑失稳或周边建筑物倾斜开裂、道路 破坏(例如,郑州地区、山东东营、菏泽地区) ,在 这类地基上施工应采取如下措施: (a)降饱和粉土、粉细砂中的水; (b) 采用小叶片螺旋钻杆成孔, 减少剪切能积

累并对桩间土具有挤密作用; (c) 合理设计施打顺序和控制日成桩数量, 避 免在某个区域产生成片的液化区,也可采用跳打等 方法减少剪切能量的积累; (d) 快速钻进, 减少剪切能量在可液化土层上 的积累; (e) 选用下开式专利钻头, 防止阀门打不开在 同一桩位多次复钻; (f)混合料尽量采用较小的坍落度; (g)把施工因素作为基坑支护的设计条件; (h)设计宜采用大桩距大桩长。 当上述措施仍无效时 无效时, 注:当上述措施仍无效时,可采用泥浆护壁 钻孔灌注成桩工艺。 钻孔灌注成桩工艺。 2.6 清土、剔桩头防断桩和防扰动桩间土措施 2.6.1 打桩弃土和预留保护土层可采用人工清除、 或机械人工联合清除方案。当采用机械人工联合清 除方案时: (1) 对基坑开挖后打桩的场地, 采用人工预断 桩、挖掘机清土,具体方法如下: (a) 成桩后混合料结硬前人工将有效桩顶标高 200mm 以上的桩体挖除, 用水准仪严格控制挖除后 的桩顶标高; (b)全部桩施工完后,挖掘机自垫路(路面至 挖除后桩顶的距离不小于 1.5m, 基底下土和弃土较 软时取高值)进入现场清除现桩顶标高以上的土: (c)人工清除余土至有效桩顶标高。 (2) 在地表打桩后再进行基坑开挖的场地, 由 现场试挖确定预留人工开挖深度,以保证桩的断裂 部位高于有效桩顶标高以上。 2.6.2 截桩头宜用无尺锯在有效桩顶标高处切深 1~2cm 的园环,再用两钢钎相对同时敲击断桩。 2.6.3 清土、截桩头后禁止对桩间土产生扰动的施 工设备(如轮胎式运土车等)在施工场地内通行, 防止产生“橡皮土” 。 2.7 混合料试块的制作和现场养护 施工过程中,应随机选取具有代表性的混合料 制作试块(边长为 150mm 的立方体)并捣实,送 实验室前应在现场按标准养护条件对试样进行养 护,特别在冬期,不得将试样随意放置在施工现场 或工棚里,避免养护条件不标准导致试验结果不能 反映桩体的真实强度。

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几个问题的讨论

3.1 如何避免桩端产生虚土

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长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩工艺的 最大优点是桩端无虚土,这对提高桩的承载力和减 少地基变形都是有利的。但施工操作不当,也会导 致桩端产生虚土、桩无端阻。 桩端产生虚土的情况主要有两种,一是怕钻头 活门打不开,先提 30~50cm 再灌料,使得叶片上 的土可能落到孔底,严重影响桩端土端阻的发挥。 二是桩端为饱和粉土、砂土和卵石层时,水头 较高或为承压水,采用侧开的常规钻头,阀门外的 水压力大于钻杆管内混合料对阀门产生的侧压力, 如图 1 所示,作用在阀门外的水压力为(水的侧压 力系数为 1) : F1=γhA1 式中,γ-水的容重;h-阀门外的水头高度, A1-阀门水平向投影面积 管内混合料对阀门的水平力为: F2=K0γcHA2 式中,γc-管内混合料容重,H-管内混合料 顶面至阀门中心的高度,K0-混合料的侧压力系数 (K0<1) 。尽管 H>h、γc>γ,但 A1> A2、K0<1,当 水头 h 有一定高度时,F2< F1,侧开式阀门打不开。 随着钻杆提升,管外的水头高度 h 越来越小,F1 逐 渐减小,当 F2> F1,阀门打开,但此时大量虚土落 在孔底,导致桩无端阻。

F1,即不再发生阀门打不开的情况,避免了桩端产 生虚土。

混合料液面

地下水水头

图 2 下开式钻头示意 3.2 如何防止饱和粉土、粉细砂的剪切液化 在有松散饱和粉土、粉细砂的场地,采用长螺 旋钻孔、管内泵压混合料成桩工艺,成孔时螺旋叶 片对周边土产生扰动和剪切作用,当剪切作用累计 到一定程度后,土体发生液化,导致刚打完处于流 动状态桩的桩周土丧失对桩的侧向约束能力,桩体 侧向澎出、桩顶下沉,产生窜孔,液化区域连成片 甚至导致基坑失稳或周边建筑物倾斜开裂、道路破 坏。 某工程, 被加固地基为饱和粉土, 采用 CFG 桩 复合地基处理方案,基坑开挖后用长螺旋钻孔、管 内泵压混合料成桩工艺施工,钻头为侧开式常规钻 头,施工过程中经常发生钻头阀门打不开的情况, 其中东北角靠近降水井的一根桩,因阀门打不开 7 次复钻,邻近的降水井抽出的水为含有大量粉土颗 粒的混浊水,复钻成孔时钻杆在自重压力下非常容 易地下到预定标高。这说明土体已经液化,土的抗 剪强度趋近于 0。由于在较多桩位发生上述问题, 使液化土体连成片,最后导致基坑产生较大水平位 移,地面出现裂缝。 在同一地区类似土层的场地,起初也是采用侧 开式常规钻头,由于经常发生阀门打不开,48 小时 打了 3 根桩,后改用下开式专利钻头,不再出现阀 门打不开的情况,施工顺利完成,没有出现因施工 扰动导致基坑失稳的情况发生。 以上情况说明,选用下开式专利钻头,防止在 同一桩位多次复钻,对提高施工效率和防止饱和粉

混合料液面

地下水水头

图 1 侧开式常规钻头示意 为克服侧开式常规钻头的缺点,闫雪峰、赵风 稳 发 明 了 下 开 式 专 利 钻 头 ( 专 利 号 ZL 00 2 63200.4) ,这种钻头的特点是阀门下开,如图 2 所 示 , 阀 门 上 部 受 力 为 混合 料 的 竖 向 压 力 F2= γ 下部受的水压力 F1=γhA1, 由于 F2=γcHA2 cHA2, 式中不再出现小于 1 的侧压力系数 K0,通常为 F2>

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土的剪切液化是有效的技术措施之一。 北京凤凰城 B 座⑴,基础埋深 7.6m,基底以下 8~12m 为饱和的砂质粉土④1, 采用 CFG 桩复合地 基处理方案,桩长 20.5m、桩径 415mm,施工采用 长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩工艺,试成桩按 4 排桩连续施打,当时选用的钻头存在缺陷,成孔 进尺很慢,钻孔达设计标高需 30~40min,由于钻 进速度太慢,螺旋叶片对饱和粉土较长时间的剪切 作用, 饱和的砂质粉土④1 发生剪切液化, 先打的处 于流动状态的相邻桩桩顶下沉,即产生窜孔。 之后,更换钻头、并采用 2 排连续施打方案, 控制在 11min 以内钻孔达设计标高, 不再发生窜孔。 这说明改 4 排连打为 2 排连打, 和控制钻进速度 (提 钻一般为静拔, 对桩间土不产生剪切作用) 可以有 , 效减少剪切能量在已打桩周围土体的积累,对防止 饱和粉土、粉细砂的剪切液化是有效的。 此外,诸如降饱和粉土、粉细砂中的水、采用 小叶片螺旋钻杆成孔、控制日成桩数量、混合料采 用较小的坍落度和采用大桩距大桩长的设计参数都 是可行的技术措施。 当上述措施仍无效时,可采用泥浆护壁钻孔灌 注成桩工艺。

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结语

长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩,先提 30~50cm 再灌料是一种错误的施工方法, 应严格禁 止。下开式专利钻头可避免发生阀门打不开的情况 发生。为防止施工发生质量问题,工程技术人员和 监理工程师共同努力, 尽快将 CFG 桩施工技术规范 化。 其它一些施工技术问题将另文讨论。

参考文献 [1] 闫明礼,张东刚.CFG 桩复合地基技术及工程实 践.中国水利水电出版社,2000.

作者简介: ,男(汉族) ,河北乐亭 作者简介:闫明礼(1942-) 人,硕士,研究员,博士生导师 联系地址: 联系地址:北三环东路 30 号中国建研院地基所 联系电话: 联系电话:84271661,84270522(佟建兴) , (佟建兴) E-mail:tjxcabr@sina.com(佟建兴) : (佟建兴)

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