CFG樁復(fù)合地基在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用

□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稱）是在碎石樁加固地基法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來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，并通過褥墊層的設(shè)置來發(fā)揮樁間土的承載作用，使其成為復(fù)合地基來提高整體承載力。

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6m，進(jìn)口段樁長8m，洞身段樁長12m）。

場地土層地質(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)合地基通過褥墊層與建筑物基礎(chǔ)相連，無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)擠向周圍樁間土，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：場地及道路整修→設(shè)備及人員進(jìn)場→測放樁位、材料采購→試樁施工→試樁檢測并合格→樁基順序施工→清基至樁頂標(biāo)高→人工鑿樁頭→成樁檢測→褥墊層施工→交工、退場。

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、常見問題及預(yù)防處理

（一）場地利用

因采用長螺旋鉆機(jī)施工，設(shè)備自重較大（約50t），對(duì)施工場地條件要求較高。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)行倒虹吸基坑開挖的施工順序（CFG樁上部土層預(yù)留了部分空樁，最長空樁達(dá)6m），并在施工前進(jìn)行了場地的清理、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）堵管問題

堵管是長螺旋鉆孔、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

主要是因?yàn)槭┕ぶ袨榱朔奖汩y門的打開，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，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

（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)合地基檢測點(diǎn)所布置區(qū)域?yàn)殚L方形布樁，壓板邊長為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)的檢測結(jié)果來看，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

本工程低應(yīng)變檢測CFG樁樁身完整性共進(jìn)行了130根，檢測比例為10%。所測的130根CFG樁中，Ⅰ類樁84根，Ⅱ類樁46根，無Ⅲ類和Ⅳ類樁。

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有什么區(qū)別，從復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果來看，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)防滲問題，還很值得深入研究。