CFG桩在特殊地基加固中的应用.pdf

2 0 1 0 匀z 第3 期篷蒿 矿h J 之材 9 7 第3 6 卷总第1 5 5 期飞澎S i c h u a nB u i l d i n gM a t e n a l s2 0 l o 年6 月 C F G 桩在特殊地基加固中的应用 刘漫 ( 中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要：工程实例表明，在对地基承载力及沉降要求高 的工程中，采用C F G 桩进行加固，既能提高地基承载力、减 少地基沉降、也能降低工程造价、加快工期。本文通过工程 实例介绍采用C F G 桩加固地基的设计过程及其优点。 关键词：C F G 桩；地基处理；复合地基 中图分类号：T U 7 5 3 8文献标识码：B 文章编号：1 6 7 2 4 0 1 1 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 9 7 0 3 0 前言 地基与建筑物的关系极为密切，当地基在上部结构物 的自重及外荷载作用下产生过大的变形时，会影响结构物 的正常使用，特别是超过建筑物所能容许的不均匀沉降时， 结构可能开裂破坏。 1概述 C F G 桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、粉 煤灰、碎石、石屑或砂石加水拌和形成的高粘结强度桩。 C F G 桩是针对碎石桩承载特性的一些不足，加以改进而发 展起来的。它的工作原理是桩和桩间土、褥垫层一起构成 复合地基。其按成桩工艺可分为：振动沉管C F G 桩； 长螺旋钻管内泵压C F G 桩；长螺旋钻孔灌注C F G 桩。 2C F G 桩的主要特点及作用机理 2 1 主要特点 围压对桩体强度和桩 体模量影响不大，这一点与 散体材料桩体的应力应变特 性明显不同。如图1 所示， 不同围压下的应力应变曲线 基本重合，破坏前基本为一 直线；承载力提高幅度 大、可调性强；适应范围 广；刚性桩的性状明显； 4 81 21 62 0 8 ( ) 图lC F G 桩体应力应变曲线 复合地基变形小；经济效益和社会效益好；施工速 度快、工期短、质量容易控制。 2 2 C F G 桩的在地基处理中的作用机理 桩体作用；垫层作用；排水加速固结作用； 振动挤密作用。 3C F G 桩设计 3 1 桩径、桩距、褥垫层厚度 C F G 桩桩径宜取3 5 0m i l l 一6 0 0m m ，桩径过小，施工质 量不容易控制；桩径过大，需加大褥垫层厚度才能保证桩 共同承担上部结构传来的荷载。桩距应根据设计要求的 复合地基承载力，建筑物控制沉降量、土性、施工工艺等 确定，宜取3 倍一5 倍桩径。 3 2 承载力计算 C F C 桩复合地基承载力可用下面的公式进行估算： 厶= ，n ：产+ 卢( 1 一，n ) 兀 ( 1 ) n ， 式中。一复合地基承载力特征值，k P a ； 以一天然地基承载力特征值，k P a ； P I 一单桩竖向承载力特征值，k N ； m 一面积置换率； 卜桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无 经验时可取0 7 5 0 9 5 ，天然地基承载力较高是取大 值； A 。一单桩截面面积，m 2 。 3 3 地基沉降计算 建筑地基处理技术规范中规定C F G 桩复合地基沉 降可按复合模量法计算。计算时复合土层的分层与天然地 基相同，各复合土层的压缩模量等于该天然地基压缩量的 倍( 见图2 ) ，加固区和下卧层土体内的应力分布采用各向同 性均质的直线变形体理论。 桩 基础 L 岁垫I 基础 I l 鼻一，、叶 E 。l 争 考E 。l E d 睁 红。 k讳讧d E 。 E 5 c 寺 = 毒 E 一 图2 各土层复合模量示意图 复合地基最终变形量可按下式计算： S = 巾s Z P o ( 讧。i ) ( Z i C i Z i _ 1 c i - 1 ) + 乏P o E 。i ( Z I C i Z i - i C i - 1 ) ( 2 ) 式中P o 一对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附 加压力( k P a ) ； E I i 一基础底面下第i 层土的压缩模量( M P a ) ； z ；Z i - 1 一基础底面至第i 层土、第i 一1 层土底面的距离 ( m ) ； c ；c 川一基础底面计算点至第i 层土、第i 一1 层土底面 范围内的平均附加应力系数，可查表计算； 卜加固区土的模量提高系数。 f = 等 ( 3 ) 式中如一沉降计算经验系数。 4 C F G 桩复合地基设计案例 本设计是新建成都北编组站上行调车场陀峰处第三部 位减速器基础的地基处理。减速器对地基的要求较高：地基 承载力特征值不小于2 0 0k P a ，工后总沉降控制在2 0 咖以 内( 处理前后地基的沉降量见表1 及表2 ) 。本文对自然地 基的沉降计算不在累述，主要介绍C F G 桩的设计过程。 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 8 7 6 5 4 4 3 2 1 O 一母厶= 一b 司 万方数据 表1未加固处理沉降计算表 序 Z iBLP 0 L B面7 BC i p i E s i s i S i S 8 号( m )( m )( m ) ( k P a )( 1 _ I P a ) ( i T i m )( m m )s i 山s ( I n m ) 00 04 32 2 5 5 3 25 20 0O 2 5 05 3 25 OO 10 84 32 2 55 3 25 2O 20 2 5 03 3 255 3 2 5 3 21 21 64 32 2 5 5 3 25 20 4 O 2 4 91 3 252 1 27 4 40 2 8 5 32 44 32 2 55 3 25 20 60 2 4 71 3 25 2 1 19 5 50 2 2 1 43 24 32 2 55 3 25 ，20 70 2 4 41 3 152 0 91 1 6 30 ，1 8 0 54 O 4 32 2 55 3 25 20 9O 2 4 01 2 99 1 1 41 2 7 8O 0 9 0 64 84 32 2 55 3 25 21 10 2 3 41 2 691 1 21 3 9 00 0 8 l 。75 64 3 2 2 5 5 3 25 21 30 2 2 71 2 39 1 0 91 4 9 90 0 7 3 1 22 3 86 44 32 2 55 3 25 21 5n2 2 11 1 991 0 61 6 0 5O 0 6 6 97 24 32 2 55 3 25 21 7O 2 1 51 1 691 0 31 7 0 8O 0 6 0 1 08 04 32 2 55 3 25 21 90 2 0 81 1 291 o o1 8 0 80 0 5 5 l l8 84 32 2 55 3 25 22 O0 2 0 21 0 990 9 71 9 0 5O 0 5 1 1 29 64 32 2 5 5 3 ，25 ，2 2 2 o 1 9 51 0 55 5 0 1 5 1 9 2 0o 0 0 8 1 31 0 44 32 2 55 3 25 22 40 1 8 9l O 25 5O 1 51 9 3 50 0 0 8 1 41 1 24 32 2 55 3 25 22 6O 1 8 39 95 50 1 41 9 4 9O 0 0 r 7 1 S 1 2 04 32 2 55 3 25 22 80 1 7 89 65 50 1 41 9 6 30 0 0 7 表2C F C 桩沉降计算表 Z i C i Z 序 Z iBLP O L B z B C i ( i 一1 ) C 考E s i S i羔S iS S 号( m )( m )( m ) ( k P a )( I V I P a )( m l n )( m m ) S i 岫 ( m n l ) ( i 一1 ) O O ，O4 32 2 55 3 25 2O 00 2 5 00 0 0 05 00O l0 84 32 2 55 3 25 20 20 2 5 0O 2 0 05 0O 2 1 3O 2 1 2 51 2 L64 32 2 55 3 25 20 40 2 4 90 1 9 85 0O 2 l0 4 2 2 90 4 9 7 32 44 32 2 55 3 25 2O 60 2 4 7O 1 9 55 00 2 0 80 6 3 0 50 3 2 9 43 24 32 2 5 5 3 25 2o 70 2 4 4 0 I1 8 8 5 00 20 8 3 0 50 2 4 l 54 04 32 2 55 3 25 20 90 2 4 0O 1 7 99 00 1 0 60 9 3 6 3O 1 1 3 1 22 64 84 32 2 55 3 25 21 1 0 2 3 40 1 6 39 00 0 9 61 0 3 2 80 0 9 3 7 5 64 32 2 55 3 25 21 30 2 2 70 1 4 89 00 0 8 71 1 2 0 20 0 7 8 86 44 32 2 55 3 25 21 50 2 2 10 1 4 39 00 0 8 51 2 0 4 8 0 0 7 0 97 2 4 32 2 55 3 25 21 70 2 1 50 1 3 49 0O D 7 91 2 8 3 80 0 6 1 1 08 O4 32 2 55 3 25 21 9O 2 0 80 1 1 69 0 O 0 6 9 1 3 5 2 3 0 0 5 1 1 l8 8 4 3 2 2 5 5 3 25 22 O0 2 0 2O 1 0 99 0O 0 6 51 4 1 6 90 0 4 6 4 1 地质资料 ( 1 ) 地层岩性( 从上往下) 。成都粘土( Q 3 d ) ：褐黄 色，硬塑状，土质均匀，黏性强，夹少许姜石，局部为粉 质黏土。为弱一中等膨胀土，厚5m 一1 1m 。自由膨胀率为 3 0 一9 0 ；卵石土( Q ：埘“) ：灰黄色、褐黄色，中密， 饱和。卵石石英砂岩、砂岩质，占5 0 一6 0 ，西2 0 2 0 0 r a m ，磨圆度好，浑圆状，分选性差，余为圆砾、砂、 黏土充填。不易钻进，厚度大于l o r e 。 ( 2 ) 地下水主要为孔隙潜水，土层中孔隙潜水以渗流为 主，卵石土中含丰富的地下水。地下水埋深o 7 0m 一1 8 0n l 。 ( 3 ) 岩土主要物理力学指标见表3 。 表3岩物理力学指标 天然快剪 压缩 层岩土时代 密实或天然基本 潮湿密度 凝聚内摩 或 摩阻 序 名称成因 C擦角变形力 承载力 程度 p 模量 口 ( k P a )击( 。) 成都软塑 1 83 0953 5 层深 2 0 0k P a ( 满足要求) 4 3 2 复合地基变形量 ( 下转第1 0 0 页) 万方数据 3 2 确定水泥掺量 厶：_ P 2 广K ( 2 )。“ A 式中屯为室内水泥试块的无侧限抗压强度( k P a ) ；K 为水泥土强度安全系数，取1 2 5 。 另将P = 8 6 4k P a ，A = 0 1 96 3 5m 2 代入上式计算得f c u = 11 0 0 0 8 k P a 2 0M P a 。而桩体抗压强度不应小于2 0 M P a ，根据加固土性质情况室内配合比试验及以往经验，水 泥的掺量应不小于1 3 。 3 3 置换率计算 p R 。= m - 7 4 - + t i p s ( 1 一，n ) ( 3 ) 则m = 睾鬻 ( 4 ) 式中m 为面积置换率；R 为复合地基承载力，9 8k P a ； B 为桩间土承载力折减系数，取O 3 ；P s 为桩间天然地基 土承载力，6 0k P 。 另将P 和A 值代入( 4 ) 式中计算得：1 1 1 = 1 9 。 设计采用梅花形布桩，桩距1 0m ，行距1 0m ，实际 置换率为r n = 0 1 9 6 3 5 1 0 1 0 = 1 9 6 4 。 粉喷桩处理方案最终确定为：桩长为4 8m ( 其中有效 桩长4 3m ，其下端伸入亚粘土层0 5m ，保护桩长0 5m ) ， 空桩4 Im ，桩径0 5m ，采用3 2 5 普通硅酸盐水泥，掺入 水泥量为1 3 。置换率1 9 6 4 。桩距1 0 m ，行距1 0 m ， 梅花桩布置形式见图4 。 图4 粉喷桩桩位平面布置图 4 施工工艺流程 ( 1 ) 定位。根据桩位平面布置图布桩并编号，移动搅 拌钻机，使钻头对准设计桩位。 ( 2 ) 钻进。启动钻机，钻头正方向旋转并钻进，进入 地表下0 5m 后，开启空压机喷射空气，以防喷灰口堵塞， 此外压缩空气还可以减少负载扭矩，使钻进顺利。在此过 程中，被加固土体在原位受到搅动。 ( 3 ) 提升喷粉。钻头钻至设计标高后，反向旋钻提升， 同时通过粉体发送器将水泥喷射到被搅动的土体中，使土 体和水泥充分拌合，而钻头反转时叶片向下的压力将搅拌 水泥土压实。 ( 4 ) 提升结束，复搅。当钻头提升至停灰面时，停止 喷粉；为加强桩头搅拌的均匀性，提高桩顶强度，在桩顶 下2m 范围内再进行一次复搅( 不喷粉) 。 ( 5 ) 成桩，移机至下一个桩位。成桩2 8d 后，挖去桩 顶覆土及保护桩头，对复合地基进行检测，达到设计承载 力的地段。在其上浇筑混凝土垫层( C 1 0 ，厚0 1m ) 和钢筋 混凝土基座，最后铺设污水管道。 5 工程经验总结 实践表明，粉喷桩施工速度快，每台班( 8 h ) 可成桩 1 0 0i n 一1 5 0m 。与钢筋混凝土桩相比，节省钢材，降低了 工程造价。无振动，元噪声，无污染，对临近的建筑物无 大的影响。经过水泥粉喷桩对秧河路试验段的污水管道地 基基础处理后，管道及检查井自运行以来，未发生不均匀 沉降、开裂等现象。因此在淤泥质亚粘土较深的河网地区 铺设污水管道，当条件允许时，可用该方法加固管道基础。 此外，在本工程中，还曾尝试应用水泥粉喷桩，对某 段污水管道沟槽两侧的土体进行加固，意图将沟槽断面挖 成直槽，从而减少挖土方量和施工占地面积。因在房屋基 坑开挖施工时，已有工程应用粉喷桩做护岸结构，对边坡 进行支护，其效果优于钢筋混凝土连续墙、预制钢筋混凝 土桩、钢板桩等。但在本工程中，却未获得成功，开挖沟 槽时，发生土壁坍塌现象。其主要原因是桩距过大，然而 若是采取与房屋基坑开挖相似的方法，将粉喷桩互相搭接 而成竖直壁状墙体，则对于长达数公里的污水管道这类线 型工程，加之又是临时性的挡土结构，如何更加经济可行， 值得进一步研究探讨。 I D ：5 8 7 0 ( 上接第9 8 页) ( 1 ) 复合土层压缩模量提高系数： = 气k f k = l0 3 1 1 0 0 = 1 0 ( 2 ) 复合地基最终变形量： S = S l + S 2 式中S 。一加固区土层压缩量； S 2 一桩尖下卧层土层压缩量( 本工点桩下土层为卵石 土，其压缩模量为5 5M