高層建筑中CFG樁復(fù)合地基的施工技術(shù)

衛(wèi)思思

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300)

0 前 言

CFG樁的原形是碎石樁，其是在此基礎(chǔ)上衍生出的全新結(jié)構(gòu)形式，以碎石為主要原材料，摻入適量粉煤灰、水與水泥后遵循特定比例形成的樁體結(jié)構(gòu)，屬于低強(qiáng)度混凝土樁。相較之下，CFG樁在強(qiáng)度指標(biāo)上明顯超出工程土體，經(jīng)由樁身可將荷載傳遞至地基底部，緩解樁體負(fù)荷，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1 工程概況

本文主要探討河南省周口市泰和家園項(xiàng)目，共14棟住宅樓。工程采用CFG樁結(jié)構(gòu)，各建筑樁徑均為400 mm，樁身長度呈差異化特性，設(shè)置有14、15、16、17、18、19、21 m 7種，強(qiáng)度等級C20，整個項(xiàng)目使用CFG樁總量達(dá)3 806根。

2 CFG樁復(fù)合地基承載力估算

通常柔性樁復(fù)合地基承載力可由下式估算：

fspk=[1+m(n-1)]fsk=[1+m(n-1)]afak=ξ·fak

(1)

a=fsk/fak

(2)

ξ=[1+m(n-1)]a

(3)

式中，fspk為加固后復(fù)合地基承載力特征值，kPa；m為面積置換率；n為樁土應(yīng)力比；fsk為加固后樁間土承載力特征值，kPa；a為樁間土強(qiáng)度提高系數(shù)；fak為天然地基承載力特征值，kPa；ξ為承載力提高系數(shù)。

對黏性土而言，一般取m=0.07～0.25，a=0.6～1.2，n=1.44～3.38，代入式(3)可得ξ=1.2～1.6。由此可知，柔性復(fù)合地基承載力的提高能力要優(yōu)于天然地基，可提高20%～60%。究其原因，ξ和m的值實(shí)際上不會很大，太大將導(dǎo)致工程成本的增加。而值直接取決于樁的剛度，由此促使了半剛性樁CFG樁的產(chǎn)生。一般來講，式(1)可用于CFG樁復(fù)合地基，但該公式需要實(shí)測資料或相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)來確定應(yīng)力集中比，若應(yīng)力集中比無法確定，式(1)便失去了意義。因此，在實(shí)際工程中，考慮到樁、土在復(fù)合地基遭受破壞時已達(dá)到承載能力極限狀態(tài)，因此可按照下式估算：

fspk=(1-m)fak+mRa/Ap

(4)

式中，Ra為單樁承載力特征值，kN，按沉管灌注樁有關(guān)公式或表格估算；AP為CFG樁單樁橫截面積，m2；其他符號意義同前。

本次工程靜載試驗(yàn)地段樁徑約350 mm，經(jīng)帶入上述公式可計(jì)算地基承載力fspk=295 kPa，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相差不大，因此可在實(shí)際工程中操作。

3 施工工序

3.1 施工準(zhǔn)備

1)全面清理場地，處理殘留的腐殖土等雜物，為后續(xù)鉆機(jī)運(yùn)行創(chuàng)設(shè)平穩(wěn)環(huán)境，可確保設(shè)備重心穩(wěn)定性。

2)嚴(yán)格挑選原材料，經(jīng)復(fù)驗(yàn)后再轉(zhuǎn)入試驗(yàn)室加以分析，確定合適的材料配比，混凝土成樁施工中，要求坍落度控制在16～20 cm。

3)正式施工之前的預(yù)施工必不可少，經(jīng)28天養(yǎng)護(hù)作業(yè)后便可展開單樁靜載試驗(yàn)，將所得結(jié)果呈交給設(shè)計(jì)單位，分析實(shí)際結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)的偏差情況，合理改進(jìn)工藝參數(shù)，通過優(yōu)化坍落度、調(diào)節(jié)投料量等方式提升成樁質(zhì)量。

3.2 樁位測量放樣

以設(shè)計(jì)圖紙為基準(zhǔn)，精確分析各CFG樁所處位置，做好樁位放樣工作，實(shí)際操作中可通過白灰劃定具體樁位，為確保樁結(jié)構(gòu)質(zhì)量，嚴(yán)格將樁位偏差控制在合理范圍內(nèi)，即不可超過0.4倍樁徑[1]。做好對所有樁結(jié)構(gòu)的編號工作，與鉆機(jī)師傅深入溝通，交代鉆進(jìn)施工的具體要求，避免漏打等問題。編號基于軸線展開，遵循自左向由的基本原則，具體采用的是軸線+根數(shù)的方式，例如第一軸十六根，則將其編號為1～16，通過此方式可更為準(zhǔn)確地分析樁結(jié)構(gòu)的施工位置，提升施工效率。

3.3 螺旋鉆機(jī)就位

1)以軸線為基準(zhǔn)復(fù)核樁位，確保所有樁位足夠準(zhǔn)確后，螺旋鉆機(jī)方可進(jìn)場。

2)待設(shè)備就位，施工人員精確測量鉆桿長度，通過吊線檢測的方式分析鉆桿是否與工程需求相符。

3.4 鉆進(jìn)成孔

1)成孔過程中的質(zhì)量檢測必不可少，需隨時檢測土樣，并附上文字說明，若鉆桿發(fā)生明顯搖晃或是鉆進(jìn)阻力偏大，需適當(dāng)放慢進(jìn)尺。

2)以垂直標(biāo)桿為基準(zhǔn)，分析塔身導(dǎo)桿的垂直狀況，若出現(xiàn)偏差需調(diào)整，要求鉆桿時刻對準(zhǔn)樁位中心。

3)合理控制鉆進(jìn)速度，初期以慢速為宜，后續(xù)逐步加快但需控制在合理范圍內(nèi)，此舉可避免鉆桿搖晃，也有助于做好鉆孔糾偏工作。

4)分析鉆頭所處位置，在達(dá)到持力層后即可停止施工，主要有兩種方法：①在設(shè)備操作室內(nèi)分析電流值，在鉆孔初期階段，電流值處于較小狀態(tài)，持續(xù)施工且到達(dá)持力層后，電流值將在短時間內(nèi)急劇提升，且伴隨有電壓下降現(xiàn)象，出現(xiàn)此現(xiàn)象則表明鉆進(jìn)至持力層；②在鉆機(jī)周邊密切分析，若鉆頭已經(jīng)深入到持力層中，可以發(fā)現(xiàn)鉆桿動力頭伴隨有一定程度的顫動現(xiàn)象，且鉆機(jī)動力大幅下降，這也是判定鉆頭是否進(jìn)入持力層的可行方法。

5)灌注施工。經(jīng)上述流程后，鉆機(jī)到達(dá)指定位置并暫停鉆進(jìn)作業(yè)，此時安排專員引導(dǎo)設(shè)備操作者，緩慢提升鉆桿，在提升高度達(dá)到20～30 cm時便具備灌注施工條件。嚴(yán)格控制單根CFG樁的用量，即不可出現(xiàn)低于設(shè)計(jì)用量的情況，每個班組選取3塊混凝土試塊加以分析，進(jìn)一步分析樁身強(qiáng)度情況。

6)提鉆。具體為靜止提拔的方式，通過試驗(yàn)樁確定合適的拔管速率，通常情況下應(yīng)穩(wěn)定在2.0～2.5 m/min，整個過程遵循勻速原則。

7)成樁。適當(dāng)提升樁頂標(biāo)高，相較之下需比設(shè)計(jì)值高出50 cm；做好封頂工作，可使用濕黏土加以處理。

8)鉆機(jī)移位。結(jié)束某一根樁的灌注作業(yè)后，轉(zhuǎn)入后續(xù)施工中，這一過程遵循“跳樁法”，具體指的是隔排或是隔列的方式。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于不對舊樁造成影響，且方便施工人員在第一時間清理樁內(nèi)土，可控制樁位偏差。

9)清土與樁頭處理。

(1)結(jié)束樁結(jié)構(gòu)施工作業(yè)后，檢測其強(qiáng)度，待達(dá)到指定值后(常需要3～7天)，可安排施工人員開挖清土，為提升施工效率可適配小型挖掘機(jī)，在其輔助下形成挖槽，上述操作不可對樁身造成任何影響，也不能影響樁間土和破壞未施工的樁位。嚴(yán)格控制好各層開挖深度，以50 cm為宜，輔以人工作業(yè)的方式清理殘留于樁周邊的土體；槽底殘留20～30 cm土層，此部分采用人工清理方式。

(2)結(jié)束清土作業(yè)后，便可處理樁頭結(jié)構(gòu)，需將超出設(shè)計(jì)標(biāo)高上方的部分截去，此環(huán)節(jié)操作以人工截樁的方法為主，經(jīng)處理后樁頭端面達(dá)到平直狀態(tài)，需足夠完整，頂面水平偏差控制在0 mm內(nèi)。

(3)利用挖掘機(jī)將產(chǎn)生的棄土清理并轉(zhuǎn)移到指定區(qū)域，當(dāng)挖掘機(jī)處于施工范圍內(nèi)時，不可出現(xiàn)在打樁工作面行走的現(xiàn)象，若存在行走需求，需利用棄土鋪設(shè)并形成墊層，厚度不可低于1 m。實(shí)際工作中，挖掘機(jī)的標(biāo)高需得到合理控制，不可出現(xiàn)工程樁斷裂的現(xiàn)象，盡可能降低對打樁工作面下方土層的影響。要求對樁頂標(biāo)高下方的樁體形成有效的保護(hù)，確保樁間土具有足夠的穩(wěn)定性。

(4)根據(jù)水準(zhǔn)儀找出樁頂標(biāo)高位置，在同一水平面3個方向用電鋸切割，然后用大錘擊打。

3.5 檢 測

竣工后的質(zhì)量檢驗(yàn)，需在成樁28天后展開，從所有樁結(jié)構(gòu)中挑選20%，對其展開低應(yīng)變檢測；此外從中挑選1%的樁結(jié)構(gòu)，對其展開復(fù)合地基檢測。

1)樁身檢測：隨機(jī)抽樣并得到混凝土試塊，要求每個臺班都制作3個試塊(為邊長100 mm的正方體形式)，采取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方案，分析28天抗壓強(qiáng)度。

2)完整性檢測：需通過低應(yīng)變動力試驗(yàn)的方式展開，所檢驗(yàn)的樁數(shù)需達(dá)到總量的1/5。

3)復(fù)合地基檢測：通過靜載試驗(yàn)的方式展開，抽檢數(shù)量為總量的1%，同時滿足每個單體至少為3根的基本原則。

3.6 樁頂褥墊層施工

處理CFG樁樁頂，在該基礎(chǔ)上設(shè)置20 cm砂石褥墊層，借助水準(zhǔn)儀合理控制標(biāo)高，輔以靜力壓實(shí)法，經(jīng)施工后所得壓實(shí)系數(shù)需達(dá)到0.9。

4 工程常見問題及防治措施

4.1 縮頸和斷樁

若遇到飽和軟土施工環(huán)境，此時樁基振動力偏小，在連打作業(yè)下，已竣工的CFG樁將受到擠壓影響，隨之出現(xiàn)變形現(xiàn)象，嚴(yán)重時還會引發(fā)縮頸或是斷樁等質(zhì)量問題。

若含有一定厚度的硬質(zhì)土層，此時樁基振動力相對較大，在使用中已竣工的樁也會受到影響，隨之表現(xiàn)出振動破壞。同時，由于采用的是隔樁跳打工藝，因此，在中間補(bǔ)樁時易對已有樁造成影響，使其出現(xiàn)振裂等問題。

為避免此類問題，需在施工之前全面掌握工程狀況，通過工藝性試樁的方式制定合適的打樁流程，重點(diǎn)分析施工中對已有樁的影響。現(xiàn)階段，較為常見的打樁方法有兩種：①連續(xù)施打，其具體操作流程如圖1所示，即從1號樁開始依次向后推進(jìn)；②間隔跳打，間隔樁數(shù)可靈活調(diào)整，具體如圖2所示。

圖1 連續(xù)施打

若采用連續(xù)施打的方式，易對樁徑造成影響。在樁距足夠合理的前提下，若混合料尚未初凝，此時通過連續(xù)施打的方式施工時，可有效避免斷樁現(xiàn)象。當(dāng)采用隔樁跳打的方法時，先完成的樁結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，當(dāng)施工區(qū)域內(nèi)土質(zhì)偏硬時，在補(bǔ)打新樁時將會對已有樁造成影響，使其出現(xiàn)震裂等問題。施工區(qū)域的土質(zhì)與樁距是決定采用何種施打工藝的關(guān)鍵，若為軟土環(huán)境，當(dāng)樁距相對較大時可采用隔樁跳打的方式；若所在區(qū)域以飽和的松散粉土居多，且樁徑相對較小，需盡量規(guī)避隔樁跳打的方式，其主要原因在于松散粉土的振密效果更為優(yōu)良，伴隨施工作業(yè)的持續(xù)推進(jìn)，土體密度隨之增加，當(dāng)已有樁數(shù)量達(dá)到一定程度后，將會明顯提升土的密度，持續(xù)加大打樁難度。對此，在補(bǔ)打新樁時，既不利于沉管作業(yè)，同時也容易對已有樁造成影響。為避免縮頸與斷樁，科學(xué)的工藝性試樁必不可少，需全面掌握地質(zhì)資料，以此為基準(zhǔn)確定合適施打順序。

4.2 防治措施

1)合理調(diào)節(jié)拔管速度，以1～1.2 m/min為宜。

2)若出現(xiàn)縮頸或是斷樁問題，可對其采取加樁措施。

3)做好防雨、保溫工作。

4)在施工過程中，為避免堵管現(xiàn)象的產(chǎn)生，在對該高層建筑地基處理時，CFG樁施工通常在開挖后的基坑底部進(jìn)行[2]。泵送混合料的混凝土泵應(yīng)盡可能放置在基坑底，即將攪拌好的CFG樁混合料先通過溜槽輸送到混凝土輸送泵，再泵送灌注施工，不宜將混凝土泵放置在地表直接泵送施工。若混凝土泵放置在地表，則輸送管道在基坑底向上約1.0 m、水平1.0 m的范圍內(nèi)，是出現(xiàn)堵管的高發(fā)區(qū)。

4.3 試樁工藝流程

1)清理場地，施工前應(yīng)平整并碾壓地表，清除現(xiàn)場雜物，以利于樁機(jī)移位。

2)根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙測量放線，定出樁位。

3)樁機(jī)到達(dá)現(xiàn)場后，為振動沉管機(jī)適配合適的施工工具，以DZKS系列振動錘為宜，運(yùn)行過程中空振振幅8.1 mm，偏心軸轉(zhuǎn)速1 100 r/min，中空錘通孔500 mm。分析設(shè)計(jì)方案，綜合考慮樁長、沉管入土深度，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)機(jī)架高度，控制好沉管長度。

4)樁機(jī)就位后，合理架設(shè)鉆機(jī)，要求鉆塔天輪外緣、樁位點(diǎn)與鉆頭共處同一線，且鉆桿應(yīng)完全垂直，當(dāng)鉆頭矛尖與設(shè)計(jì)點(diǎn)位對齊后，固定鉆機(jī)，合理調(diào)劑液壓腳，鉆機(jī)應(yīng)水平。關(guān)于塔身導(dǎo)桿的檢驗(yàn)，需以垂直標(biāo)桿為基準(zhǔn)，要求垂直度偏差不超過1%。

5)啟動馬達(dá)振動沉管到預(yù)定標(biāo)高，停機(jī)，沉管過程中做好記錄，每沉1 m記錄電流表電流一次，并對土層變化予以說明。

6)停機(jī)后，隨即向管內(nèi)投料，嚴(yán)格控制單次灌注量，確保管內(nèi)存儲量能夠有效穩(wěn)定壓力，從而提升樁體混凝土密實(shí)度。以設(shè)計(jì)配比為準(zhǔn)，合理稱量材料并充分?jǐn)嚢瑁蟀韬蜁r間≥2 min，為之添入適量水，將坍落度穩(wěn)定在3～5 cm，施工后浮漿厚度<10 cm。

7)啟動馬達(dá)，持續(xù)留振5～10 s后即可拔管，這一環(huán)節(jié)中拔管速度為1.2 m/min，當(dāng)存在淤泥質(zhì)土?xí)r，需提升至1.4 m/min。若存在上料不足的情況，在拔管時需適當(dāng)投料，成樁后的標(biāo)高應(yīng)超出設(shè)計(jì)值0.5 m。

8)確認(rèn)成樁符合設(shè)計(jì)要求后，用濕黏土或粒狀材料封閉保護(hù)樁頭，然后移機(jī)進(jìn)行下一根樁的施工。

4.4 材料及配合比要求

CFG樁樁體材料采用碎石、石屑、粉煤灰、水泥配合而成，當(dāng)粉煤灰材料來源困難時，可用砂取代。樁身水泥采用C32.5抗弱硫酸型酸性侵蝕及弱溶出型侵蝕水泥，水泥摻量≤200 kg/m3，摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰(等級不低于Ⅲ級)，粉灰比為1～1.2，石屑率一般在0.3左右，碎石粗骨料滿足級配要求，松散堆積密度>1 500 kg/m3，碎石最大粒徑≤40 mm，坍落度控制標(biāo)準(zhǔn)為30～50 mm，混合料28天標(biāo)準(zhǔn)立方體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于5 MPa。

5 結(jié)束語

綜上所述，CFG樁是現(xiàn)代建筑工程常用的結(jié)構(gòu)形式，本文針對CFG樁復(fù)合地基在高層建筑中的應(yīng)用展開探討，提出各環(huán)節(jié)注意要點(diǎn)，針對常見問題提出處理方法。實(shí)際結(jié)果表明，該高層建筑整體質(zhì)量良好，具有一定的參考價值。

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