CFG 樁復(fù)合地基的加固機(jī)理及施工工藝

韓新平

(山西長(zhǎng)興路橋工程有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

在施工中，當(dāng)天然地基不能滿足建筑物對(duì)地基的要求時(shí)，就要對(duì)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(shì)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(shì)，地基處理效果良好，在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。

1 CFG 樁復(fù)合地基

CFG 樁(Cement Fly-ash Gravel Pile，簡(jiǎn)稱CFG 樁)，水泥粉煤灰碎石樁的簡(jiǎn)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(jí)配，粉煤灰具有細(xì)骨料和低標(biāo)號(hào)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)樁始終有一個(gè)摩擦力。這對(duì)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(duì)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。可以看出，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(dòng)沉管施工工藝

在我國(guó)20 世紀(jì)80年代，由于振動(dòng)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(dòng)沉管施工工藝并應(yīng)用成功。

圖4 振動(dòng)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(hào)、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(cè)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(chǎng)地平整→測(cè)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(dòng)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(zhǎng)、成管的入土深度等，合理確定機(jī)架高度及沉管的長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，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(dòng)沉管施工工藝進(jìn)行施工，具有施工簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)性好，對(duì)樁間土擠密、加固效果顯著的特征，是我國(guó)目前最主要的CFG 樁施工工藝。存在的不足是對(duì)施工質(zhì)量控制要求較高，在施工中存在著振動(dòng)和噪聲污染等。

圖5 長(zhǎng)螺旋鉆管內(nèi)泵壓CFG 樁設(shè)備

4 長(zhǎng)螺旋鉆管內(nèi)泵壓CFG 樁施工工藝

在我國(guó)，20 世紀(jì)90年代末，研制成功了專用于打設(shè)CFG 樁的長(zhǎng)螺旋鉆管內(nèi)泵壓CFG 樁施工設(shè)備(見圖5)。該設(shè)備由長(zhǎng)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(cè)量控制基準(zhǔn)點(diǎn)為控制點(diǎn)，定位測(cè)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(hào)，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(chǎng)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(dòng)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(cè)。成樁施工完畢28 d 后進(jìn)行成樁質(zhì)量檢測(cè)，再進(jìn)行樁帽制作工作。

采用長(zhǎng)螺旋鉆管內(nèi)泵壓CFG 樁施工工藝，具有無振動(dòng)和噪聲污染的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)螺旋CFG 樁簡(jiǎn)介［Z/OL］.http：//www.sdcfg.com/c_html_news/chaluoxuancfgzhujianjie-4.html，2014.