CFG桩在强风化泥岩中的应用.pdf

第40 卷 第 9期建 筑 结 构2010年 9 月 CFG 桩在强风化泥岩中的应用 邓开国 冷利浩 中国建筑西南设计研究院有限公司 成都 610081 摘要 通过一工程实例 介绍了在强风化泥岩中设置 CFG 桩进行地基加固处理以提高强风化泥岩承载力的设计 及施工方法 并进行了岩基载荷试验和沉降观测 结果表明地基承载力与变形均满足要求 现行规范对强风化泥岩 的复合地基处理尚无明确规定 且该加固方案在成都地区尚无先例 工程实践表明采用此方法可节约造价 缩短施 工工期且安全可靠 关键词 强风化泥岩 地基加固 CFG 桩 人工挖孔灌注桩 沉降观测 Application of CFG piles for foundation reinforcement in heavily weathered mudstone Deng Kaiguo Leng Lihao China Southwest Architectural Design and Research Institute Co Ltd Chengdu 610081 China Abstract The design and construction method using CFG piles for foundation reinforcement of heavily weathered mudstone were introduced through an engineering example Foundation load test and settlement observation were carried out The results show that the bearing capacity and settlement of the foundation can meet the demand Current structural codes have no regulations on such problem and such foundation reinforcing method had not been employed in Chengdu district This method can apparently improve the ultimate capacity of foundation on heavily weathered mudstone and can save costs and shorten construction period safely and reliably Keywords heavily weathered mudstone foundation reinforcement CFG pile hand dug pile settlement observation 作者简介 邓开国 高级工程师 一级注册结构工程师 Email dkgdqdc 126 com 0 引言 成都市区东部的地基土层中 承载力较高的卵石 层一般埋深较浅 3m左右 且较薄 6 10m 卵石层下 是承载力较低的强风化泥岩层 且层厚较厚 大多在 10 25m 不易穿透 当修建的高层建筑地下室层数较 多时 往往会将卵石层挖去而使基础进入强风化泥岩 层内 由于规范中对强风化泥岩的加固处理尚无明确 的规定 因此在这种情况下 一般设计单位会采用桩筏 基础 将桩打至承载力较好的岩层 但桩筏基础的工程 造价较高且施工周期较长 通过一典型的工程实例 介绍在强风化泥岩中采用人工挖孔灌注桩的方式进行 CFG 桩地基加固处理提高强风化泥岩承载力的设计及 施工方法 实践证明采用此方法可节约造价 缩短施 工工期且安全可靠 1 工程概况 外滩0项目 图 1 位于成都市锦江区宏济新路西 南侧 项目总建筑面积 143 425m2 由 5 栋高层住宅以 及地下室组成 其中 1 2 号楼为 40 层 3 4 5 号楼为 41 层 高度均为 119190m 均为全现浇钢筋混凝土剪力墙 结构 结 构抗震设防 烈度 7 度 地震分组 为第一组 5 12汶川地震前设计 特征周期 0135s 剪力墙抗震 等级为二级 类场地 地基基础设计等级甲级 5 栋塔楼共用 3 层地下室 01000m 标高相对于 图 1 工程鸟瞰效果图 绝对高程为 4971100m 高层部分 5 栋塔楼 基础采用 筏板基础 基底埋深 141650m 基础平面见图 2 2 地质条件 根据地勘报告 1 拟建场地范围内的地层自上而 下为 厚 015 318m 的杂填土层 厚 012 212m 的素填 土层 厚 015 215m 的粉土层 厚 013 211m 的细砂 层 厚 014 312m 的中砂层 厚 311 1514m 的卵石层 松散 密实 局部夹砂 泥岩层 未揭穿 泥岩层顶 面绝对高程为 480199 483124m 根据其垂直分布状态 和力学性质又分为强风化泥岩和中风化泥岩两个亚 层 各岩土层的主要工程特性指标见表 1 156 图 2 基础平面及沉降观测点布置图 岩土层的工程特性指标表 1 岩土名称 C P kNP m3 Es P MPa E0 P MPa c P kPa U P b fa k P kPa 素填土1710 810 粉土1910510 2518120 细砂1910615610020110 中砂1915815810024130 松散卵石201520101510028200 稍密卵石211024102110030300 中密卵石221036102810035500 密实卵石231050103710040800 强风化泥岩19152510201012036320 中风化泥岩2310 4010 800 筏板基础下地基的承载力特征值 fak经计算要求 不小于 700kPa 虽然中密 密实卵石层的承载力较 高 但由于需要修建 3 层地下室 已将此层挖去 地下 室底板基本已进入强风化泥岩层内 根据地勘报告显 示 强风化泥岩的承载力特征值 fak仅为 320kPa 修正 后的承载力特征值按下式计算 2 fa fak GbC b 3 GdCm D 015 1 式中 Gb Gd分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正 系数 Gb取 0 Gd取 110 C为基础底面以下土的重度 C 1915kNP m3 b 为基础底面宽度 b 6m Cm为基础 底面以上土的加权平均重度 地下水位以下取浮重度 Cm 12182kNP m3 D 为基础埋置深度 D 14120m 经计算 fa 49516kPa 故地勘报告的结论为 强 风化泥岩层承载力特征值经深度修正后不能满足筏板 基础所需的承载力要求0 并建议高层住宅采用桩筏基 础形式 以中等风化泥岩作为桩端持力层 但采用桩 筏基础造价较高 每根桩桩长基本都在 12m 以上 最长 达 24m 故经讨论后决定采用筏板基础复合地基 3 地基加固方案 经讨论 决定参考成都地区取土成孔的 CFG 桩复 合地基的做法 在原有基底面以下的强风化泥岩中采 用人工挖孔灌注成孔工艺的低标号 C15 素混凝土桩 作为加固体 对土体局部进行置换 要求处理后的地 基承载力特征值 fspk 700kPa 根据地基加固公司的装备和技术水平 工程设计 桩直径为 111m 采用人工挖孔成孔 桩端持力层为强 风化泥岩层 桩长 715m 单桩承载力特征值为 2 Ra Up E n i 1 qsiLi qpAp 2 37712kN 仅考虑一层土层 根据补充的地勘资料 强风化泥 岩侧阻力特征值 qs取 54kPa 端阻力特征值 qp取1 030 kPa 根据文 3 公式 fspk mRaP Ap B 1 m fsk 2 其中 fsk取 320kPa B取 018 fspk取 700kPa 求得桩土面 积置换率 m 01195 挖孔桩采取正方形布置 de 1113s de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直 径 根据文 3 公式 m d2Pd2e 3 其中 d 111m 求得桩间距 s 2120m 根据文 3 公 式 fcu 3RaP Ap 4 求得 fcu 7151MPa 故 取桩体的混凝土 强度等级为 C15 同时 在加固体与筏板之间设置 300mm厚碎石褥 垫层作为过渡层 另外 根据文 2 R1013 条 采用实体深基础法对桩 底土承载力进行复核 采用式 1 计算桩底土处修正 后的强风化泥岩承载力特征值 其中 Gb取 0 Gd取 110 D 2117m b 取 6m Cm 11164kNP m3 C 1915 kNP m3 计算得到 fa 566177kPa 考虑应力扩散角 A U P 4 后 1 2 号楼筏基实体深基础底面积为1 730m2 3 4 5 号楼筏基实体深基础底面积为3 120m2 查得 1 2 号楼筏基上竖向荷载标准值为807 220kN 3 4 5 号楼 筏基上竖向荷载标准值为1 496 690kN 基底下 915m 深度处 桩端 土的自重应力 Rc 915 715 71125kPa 157 求得 1 2 号楼桩底土应力为 R0 1 2 807 220 1 730 71125 53719kPa 566177kPa 3 4 5 号楼桩底土应力为 R0 3 4 5 1 496 690 3 120 71125 55110kPa 566177kPa 故桩底土处地基承载力满足规范要求 由于现行规范对强风化泥岩进行复合地基处理尚 无明确的规定 且该加固方案在成都地区尚无先例 为了保证工程复合地基的可靠性 政府有关部门组织 地基专家对该方案进行了专项论证并获得认可 4 地基加固施工 地基加固工程于 2007 年 7 月 21 日正式施工 2007 年 10 月 31 日完成全部人工挖孔置换桩施工 总共完 成828 根 人工挖孔 置换桩的 施工 桩 长 715m 桩径 1 100mm 累计成桩进尺6 210m 混凝土用量为5 900m3 人工挖掘成孔时 每挖深 1m 做 15cm厚护壁一节 护壁 混凝土强度等级 C20 施工完成后 对桩位偏差 桩体 强度 桩径 桩长等指标进行检验 各项指标均满足设 计要求 无断桩漏桩现象 人工挖孔桩施工完成后 整 平场地 进行表面处理 包括清理桩头等 在表面铺设 一层厚 300mm 的级配良好的砂卵石 碾压密实 压实 后的褥垫层厚度与虚铺厚度比不大于 0190 5 试验检测 511 岩基载荷试验 对人工挖孔置换桩端基岩及桩间基岩进行载荷试 验 人工挖孔置换桩承载力即为通过桩端岩基载荷试 验测出的桩端承载力与根据地勘资料计算出的桩侧摩 阻力之和 根据文 3 对复合地基的有关规定 抽取总桩数的 1 且不少于 3 点进行试验 对该工程 1 2 号楼共抽 取 3 根桩 3 4 5 号楼共抽取 6 根桩进行桩端基岩载荷 试验 对 1 2 号楼共抽取 6 点 3 4 5 号楼共抽取 4 点 进行桩间基岩载荷试验 其中 2 个桩端的荷载 沉降 曲线见图 3 图 3 桩端荷载 沉降曲线 该工程的试验深井均为工程桩 人工挖孔灌注桩 桩孔 其桩身直径及井底标高与相应工程桩相当 为满 足试验要求 对深井护壁做了加强处理 试验前对桩底 用 C15 混凝土进行封底 根据载荷试验结果 桩间基岩承载力特征值为 333kPa 1 2 号楼单桩承载力特征值为2 937kN 3 4 5 号楼单桩承载力特征值为3 040kN 均满足设计要求 512 低应变测试 待桩芯浇筑完毕 15d 后 随机抽取 265 根桩进行 低应变桩身完整性检测 检测结果除 11 根为 类桩 外 其余均为 类桩 6 沉降观测 该工程建筑物的沉降观测是根据施工进度和模板 拆除情况进行的 观测点布置见图 2 1 2 号楼从 2008 年 1 月开始第一次观测 3 4 5 号楼从 2008 年 3 月开 始第一次观测 在施工期间原则上每增加 2 层观测一 次 在遇到特殊情况的条件下增加观测频率 直到其沉 降稳定为止 至 2009 年 12 月工程竣工交付使用进行最 后一次观测 共计观测了 16 次 根据建筑群沉降观测成果 4 由沉降差及两个沉 降点之间的距离计算出每栋建筑基础最大倾斜值 见 表 2 沉降观测倾斜值表 2 楼号点号 累计沉降P mm沉降差 P mm两点间距离P m倾斜值 1 1 11 1 2 515 511 01417 1301000 02 2 2 11 2 9 516 511 01515 1201000 03 3 3 6 3 5 715 710 01512 1101000 04 4 4 9 4 10 717 712 01511 1201000 03 5 5 2 5 1 712 618 01411 1901000 03 根据文 2 的要求 对于多层和高层建筑 当 60 m Hg 100m时 基础允许倾斜值为 01002 工程观测所有建 筑物的基础倾斜值均远小于 01002 各栋建筑地基基础 变形量均满足规范要求 根据最后两次观测数据计算出每栋建筑最大日沉 降量 见表 3 日沉降量观测结果表 3 楼号12345 最大日沉降量P mm 0 1008 01008 01013 01013 01012 最大日沉降点号1 22 23 94 85 7 根据文 5 51115 条第 4 款规定 一般观测工程 若沉降速度小于 0101 0104mmP d 可认为已进入稳定 下转第 136 页 158 面平整 不影响美观 梯板钢筋不锚入梯梁 在地震作 用下 梯板和梯梁间的施工缝可以发生滑移 与结构计 算中不考虑梯板支撑的计算模型吻合 结构受力清晰 楼梯构件仅承担自身荷载 确保其作为生命安全疏散 通道的完好 当楼梯平台宽度不够时 则在梯梁上增 加挑耳 梯板置于挑耳上 也能达到同样效果 只是对 美观稍有影响 图 5 楼梯不承受主体地震作用的措施 6 框架节点设计 强节点弱构件0是结构抗震设计的一个重要概 念 节点核心区是保证框架承载力和延性的关键部位 文 3 要求一 二级框架梁柱节点核心区应进行截面抗 震验算 9 度抗震设防和一级框架结构尚应按实配钢 筋补充验算 框架核心区受力复杂 其承受梁柱反向 弯矩时 形成一斜向压杆 当压力超过其承载力后 节 点发生破坏 当节点核心区验算不满足规范要求时 设计中采 用两种处理办法 一是加大核心区箍筋直径 箍筋一方 面提供受剪承载力 与核心区混凝土共同承受上述斜 向压力 另外还能与周围的框架梁一起约束节点核心 区混凝土 提高节点的延性 由于节点处钢筋密集 箍 筋的间距也不宜过小 二是框架梁下部纵筋不全部伸 入支座 特别是对梁跨中配筋很大的框架梁 从而减小 梁端承受反向弯矩的实际承载力 在高烈度地震作用 下 框架梁端会产生反向弯矩 如部分框架梁梁端下部 钢筋配得太多 可能会承担过大的地震力 导致节点核 心区承载力不足 节点破坏 形成柱铰 7 设计体会 1 对高烈度地区的工程结构设计 更应注重概念 设计 既要从总体上把握结构的抗震性能 又要对局部 关键或薄弱部位进行抗震加强 2 对长悬臂和大跨度结构构件 目前常用的软件 不能单独考虑竖向地震作用 也就不能考虑承载力抗 震调整系数取为 110 的组合情况 造成该类构件的不 安全 需由设计人员进行复核加强 3 对楼梯梯板与主体的连接采用 释放0的方法 可以做到计算简洁 传力清晰 设计合理 规避了地震 力传递混乱的可能 又确保楼梯作为地震中的疏散通 道的安全 4 一级框架 特别是框架梁比较大时 框架节点 核心区验算不易满足 除可加大核心区面积 柱截面 外 文中的两种方法也是比较简单 影响较小的措施 致谢 在该工程的设计过程中得到了邓开国副总 工的悉心指导 在此深表感谢 参考文献 1 JGJ66 1991 博物馆建筑设计规范 S 北京 中国建筑工业出版 社 1991 2 GB50223 2008 建筑抗震设防分类标准 S 北京 中国建筑工 业出版社 2008 3 GB50011 2001 建筑抗震设计规范 S 2008