振动沉管CFG桩施工工艺

CFG 桩复合地基施工方法之一 振动沉管 CFG 桩 复合地基是天然地基中设置一定比例的增强体 并由原土和增强体共同承 担由基础传来的建筑物荷载 这样一种人工地基称为复合地基 增强体是由强度和模量相对原地基土高的材料组成 习惯上将纵向增强体 称作桩 例如碎石组成的纵向增强体叫碎石桩 由水泥和土搅拌形成的纵向增 强体叫水泥土桩 由水泥 粉煤灰 碎石组成的纵向增强体叫水泥粉煤灰碎石 桩 水泥粉煤灰碎石桩 cement flyash gravel pile 简称 CFG 桩 是由碎石 石 屑 砂和粉煤灰掺适量水泥加水拌和 用各种成桩机械在地基中制成的强度等 级为 C5 C25 的桩 亦即这种处理方法是通过在碎石桩体中添加以水泥为主的 胶结材料 添加粉煤灰是为增加混合料的和易性并有低强度等级水泥的作用 同时还添加适量的石眉以改善级配 使桩体获得胶结强度并使散体转化为具有 某些柔性桩或刚性桩特点的高粘结强度桩 由 CFG 桩 桩间土和褥挚层一起构 成复合地基 如图 1 所示 图 1 CFG 桩复合地基示意图 CFG 桩复合地基成套技术 是在 20 世纪 80 年代由中国建筑科学研究院地 基所立题开始试验研究而开发的一项新的地基加固技术 经过十多年的研究和 推广应用 使其在我国的基本建设中起到了非常重要的作用 该技术已在全国 23 个省 市广泛推广应用 据不完全统计 该技术已在上千个工程中应用 CFG 桩复合地基技术从最初应用于多层建筑发展到广泛应用于高层和超高层建 筑地基处理 并成为某些地区应用最普遍的地基处理方法之一 就目前掌握的 资料 CFG 桩可加固从多层建筑到 30 层以下的高层建筑 从民用建筑到工业 厂房均可使用 就工程类型而言 有工业与民用建筑 也有高耸构筑物 有多 层建筑 也有高层建筑 结构型式有砖混结构 框架结构 剪力墙结构 也有 外框内筒结构 基础形式有条形基础 独立基础也有箱基和筏基 有滨海一带 的软土 也有承载力在 200kPa 左右的较好的土 大量工程实践表明 CFG 桩复合地基设计 就承载力而言不会有太大的问 题 可能出问题的是 CFG 桩的施工 了解 CFG 桩施工技术的发展 不同工艺 的特点 可使设计人员对 CFG 桩施工工艺有一个较全面的认识 便于在方案选 择 设计参数的确定以及施工措施上考虑得更加全面 CFG 桩复合地基于 1988 年提出并用于工程实践 首先选用的是振动沉管 CFG 桩施工工艺 是由于当时振动沉管打桩机在我国拥有量最多 分布的地区 也最普遍 振动沉管 CFG 桩施工工艺属于挤土成桩工艺 适用于粘性土 粉土 素填 土 软土地基应通过现场试验确定其适用性 它具有施工操作简便 施工费用 较低 对桩间土的挤密效应显著等优点 采用振动沉管 CFG 桩施工工艺施工 的 CFG 桩复合地基可以提高地基承载力 减少地基变形以及消除地基液化 先后应用于南京造纸厂轻涂胶印车间 浦镇车辆厂住宅楼 蓟县电厂冷却塔 山东省德州地区医药管理局综合住宅楼等千余栋多层 高层建筑及工业厂房的 地基处理工程 振动沉管 CFG 桩施工工艺为 CFG 桩复合地基的发展和推广应 用起到了十分重要的作用 到目前 该工艺依然是 CFG 桩主要施工方法之一 主要应用于地基处理要求对土质具有挤密作用或预震作用的工程 空旷地区或 施工场地周围没有管线 精密设备以及不存在扰民的地基处理工程 众所周知 振动沉管打桩机成桩也有其缺点 施工时控制不好 可能会发 生缩颈和断桩 据统计 振动沉管施打的灌注桩事故率高达 25 为了解决振 动沉管打桩机施工可能产生的质量问题 1988N1992 年中国建筑科学研究院承 担并完成了建设部下达的 CFG 桩成桩工艺试验研究专题 对诸如拔管速度 合 理桩距 施打顺序 混合料坍落度 保护桩长 褥垫层铺设以及如何进行施工 监测等进行了试验研究 取得了可喜的研究成果 对 CFG 桩复合地基成套技术 在全国的推广起到了重要作用 下面主要介绍振动沉管 CFG 桩的的施工工艺 1 施工设备 打桩时用的钢筋混凝土预制桩尖和钢制活瓣桩尖 国产振动沉管机 使用 得比较多的是浙江瑞安建筑机械厂和兰州建筑通用机械总厂生产的设备 入下 图所示 2 施工顺序 2 1 施工准备 施工前应具备下列资料和条件 1 建筑物场地工程地质勘察报告 2 CFG 桩布桩图 图应注明桩位编号以及设计说明和施工说明 3 建筑场地邻近的高压电缆 电话线 地下管线 地下构筑物及障碍物等 调查资料 4 建筑物场地的水准控制点和建筑物位置控制坐标等资料 5 具备 三通一平 条件 施工技术措施包括以下内容 1 确定施工机具和配套设备 2 材料供应计划 标明所用材料的规格 技术要求和数量 3 试成孔应不少于两个 以复核地质资料以及设备 工艺是否适宜 核定 选用的技术参数 4 按施工平面图放好桩位 若采用钢筋混凝土预制桩尖 需埋入地表以下 30cm 左右 5 确定施打顺序 6 复核测量基线 水准点及桩位 CFG 桩的轴线定位点 检查施工场地 所设的水准点是否会受施工影响 7 振动沉管机沉管表面应有明显的进尺标记 并以米为单位 2 2 CFG 桩施工 1 桩机进人现场 根据设计桩长 沉管人土深度确定机架高度和沉管长度 并进行设备组装 2 桩机就位 调整沉管与地面垂直 确保垂直度偏差不大于 l 3 启动马达 沉管到预定标高 停机 4 沉管过程中做好记录 每沉 lin 记录电流表上的电流一次 并对土层变 化处予以说明 5 停机后立即向管内投料 直到混合料与进料口齐平 混合料按设计配比 经搅拌机加水拌和 拌和时间不得少于 lmin 如粉煤灰用量较多 搅拌 时间还要适当延长 加水量按坍落度 3 5 m 控制 成桩后浮浆厚度 以不超过 20 m 为宜 6 启动马达 留振 5 10s 开始拔管 技管速率一般为 1 2 1 5m min 拔管速度为线速度 不是平均速度 如遇淤泥或淤 泥质土 拔管速率还应放慢 拔管过程中不允许反插 如上料不足 须 在拔管过程中空中投料 以保证成桩后桩顶标高达到设计要求 7 沉管拔出地面 确认成桩符合设计要求后 用粒状材料或湿粘性土封顶 然后移机进行下一根桩的施工 8 施工过程中 抽样做混合料试块 一般一个台班做一组 3 块 试块 尺寸为 15cm 15cm 15cm 并测定 28 天抗压强度 3 施工中常见的几个问题 3 1 施工扰动土的强度降低 振动沉管成桩工艺与土的性质具有密切关系 就挤密性而言 可将地基土 分为三大类 其一为挤密性好的土 如松散填土 粉土 砂土等 其二为可挤 密性土 如塑性指数不大的松散的粉质粘土和非饱和粘性土 其三为不可挤密 土 如塑性指数高的饱和软粘土和淤泥质土 需要着重指出的是 土的密实度对土的挤密性影响很大 我们知道 密实 的砂土或粉土会振松 松散的砂土或粉土可振密 因此讨论土的挤密性时 一 定要考虑加固前土的密实度 例如 盘锦地区某工程 地基土为粉质粘土 天然地基承载力为 200 kPa 勘察部门 误认为只有 120kPa 设计要求 180kPa 采用挤密碎石桩加固 方案 选用振动沉管打桩机施工 施工后地表隆起 30 50cm 做复合地基静载 试验 发现承载力只有 150 kPa 为考察加固效果 在拟建场地之外补做了 6 台 天然地基静载试验 证实天然地基承载力为 205kPa 6 台试验平均值 也就是 说采用振动沉管成桩工艺 对密实度较高的土 振动使土的结构强度破坏 密 度减小 承载力反而下降了 25 3 2 缩颈和断桩 在饱和软土中成桩 当采用连打作业时 新打桩对已打桩的作用主要表现 为挤压 使得已打桩被挤成椭圆形或不规则形 严重的产生缩颈和断桩 在上部有较硬的土层或中间夹有硬土层的土中成桩 桩机的振动力较大 对已打桩的影响主要为振动破坏 采用隔桩跳打工艺 若已打桩结硬强度又不 太高 在中间补打新桩时 已打桩有时被振裂 且裂缝一般与水平成 0 30 角 3 3 桩体强度不均匀 桩机卷扬系统提升沉管线速度太快时 为控制平均速度 一般采用提升一 段距离 停下留振一段时间 非留振时 速度太快可能导致缩颈断桩 拔管太 慢或留振时间过长 都会使得桩的端部桩体水泥含量较少 桩顶浮浆过多 而 且混合料也容易产生离析 造成桩身强度不均匀 3 4 桩料与土的混合 当采用活瓣桩靴成桩时 可能出现的问题是桩靴开口打开的宽度不够 混 合料下落不充分 造成桩端与土接触不密实或桩端一段桩径较小 若采用反插办法 由于桩管垂直度很难保证 反插容易使土与桩体材料混 合 导致桩身掺土等缺陷 4 施工工艺研究成果 4 1 拔管速率 试验表明 拔管速率太快将造成桩径偏小或缩颈断桩 在南京浦镇车辆厂 工地做了三种拔管速率的试验 其一为 1 2m min 成桩投料量为 1 8m3 成桩后挖开 测得桩径为 38cm 沉管为 377 管 其二为 2 5m min 投人管内料亦为 1 8m3 沉管拔出地面后 有大约 0 2m3 的混合料被带到地表 开挖后测得桩径为 36cm 其三为 0 8m min 成桩后发现桩顶浮浆较多 在蓟县电厂曾做了较长时间留振试验 拔管速率也很慢 0 8m min 开挖 至桩端发现 桩端石子没能被水泥浆包住 强度较低 大量工程实践得出的结 论是 拔管速率为 1 2 1 5 m min 是适宜的 应该指出 这里说的拔管速率不是指平均速度 除启动后留振 5 10s 之外 拔管过程中不再留振 也不得反插 国产振动沉管机拔管速率都较快 可以通过增加卷扬系统中滑轮组的动滑 轮数量来改变拔管速度 也可通过电动机一变速箱系统来实现 4 2 合理桩距 桩距的合理性在于桩 桩间土承载力能否很好地发挥 施工时新打桩对已 打桩是否产生不良影响 经济上是否合理 试验表明 其它条件相同时 桩距越小 复合地基承载力越大 当桩距小 于 4 倍桩径后 随桩距的减少 复合地基承载力的增长率明显下降 从桩 土 作用的发挥考虑 以桩距大于 4 倍桩径为宜 施工过程中 无论是振动沉管还是振动拔管 都将对周围土体产生扰动或 挤密 振动的影响与土的性质密切相关 挤密效果一好的土 施工时振动可使 土体密度增加 场地发生下沉 不可挤密的土则要发生地表隆起 桩距越小 隆起量越大 以至于使已 打的桩产生缩预或断桩 桩距越大 施工质量越容 易控制 但应针对不同的土性 分别加以考虑 基础型式也是值得注意的一个因素 对一般单 双排布桩的条形基础 或 面积不大而桩数不多的独立基础 桩距可适当取小一些 对满堂布桩而面积大 的筏基 箱基以及多排布桩的条基 桩距应适当放大 此外 地下水位高 土的渗透性差或土体密度大时 桩距也应用的大一些 表 1 为振动沉管机施工的桩距选用表 可供设计参考 表 1 桩距选用表 当设计要求的承载力较高 桩距过大 不能满足承载力要求而必须缩小桩 距时 可考虑采用螺旋钻孔机预钻孔的措施 引孔直径一般要小于沉管的外径 并视桩距和土性而定 4 3 施打顺序 在设计桩的施打顺序时 主要考虑新打桩对已打桩的影响 施打顺序大体可分为两种类型 一是连续施打 如图 2 a 所示 从 1 号 桩开始 依次 2 号 3 号 连续打下去 二是间隔跳打 可以隔一根桩 也可隔多个桩打 如图 2 b 所示 先打 1 3 5 后打 2 4 6 图 2 桩的施打顺序示意图 连续施打可能给桩造成的缺陷是桩被挤扁或缩颈 如果桩距不太小 混合 料尚未初凝 连打一般较少会发生桩完全断开的情况 隔桩跳打 先打桩的桩径较少发生缩小或缩颈现象 但土质较硬时 在已 打桩中间补打新桩时 已打的桩可能发生被振裂或振断 施打顺序与土性和桩距有关 在软土中 桩距较大 可采用隔桩跳打 在 饱和的松散粉土中施工 如果桩距较小 不宜采用隔桩跳打方案 因为松散粉 土振密效果较好 先打桩施工完后 土体密度会有明显增加 而且打的桩越多 土的密度越大 桩越难打 在补打新桩时 一是加大了沉管的难度 二是非常 容易造成已打的桩成为断桩 对满堂布桩 无论桩距大小 均不宜从四周转圈向内推进施工 因为这样 限制了桩间土向外的侧向变形 容易造成大面积土体隆起 断桩的可能性增大 可采用从中心向外推进的方案 或从一边向另一边推进的方案 对满堂布桩 无论如何设计施打顺序 总会遇到新打桩的振动对已结硬的 已打桩的影响 桩距偏小或夹有比较坚硬的土层时 亦可采用螺旋钻机预引孔 的措施 以减少沉 拔管时对桩的振动力 4 4 混合料坍落度 大量工程实践表明 混合料坍落度过大 桩顶浮浆过多 桩体强度也会降 低 坍落度控制在 3 5cm 和易性很好 当拔管速率为 1 2 1 5m min 时 一 般桩顶浮浆可控制在 10cm 左右 成桩质量容易保证 4 5 保护桩长 所谓保护桩长是指成桩时预先设定加长的一段桩长 基础施工时将其凿掉 保护桩长是基于以下几个因素而设置的 1 成桩时桩顶不可能正好与设计标高完全一致 一般要高出桩顶设计标高 一段长度 2 桩顶一段由于混合料自重压力较小或由于浮浆的影响 靠桩顶一段桩体 强度较差 3 已打桩尚未结硬时 施打新桩可能导致已打桩受振动挤压 混合料上涌 使桩径缩小 如果已打桩混合料表面低于地表较多 则桩径被挤小的可能性更 大 增大混合料表面的高度即增加了自重压力 可使抵抗周围土挤压的能力提 高 特别是基础埋深很大时 空孔太长 桩径很难保证 综上所述 保护桩长必须设置 并建议遵照如下原则 1 设计桩顶标高离地表的距离不大时 不大于 1 5m 保护桩长可取 50 70cm 上部再用土封顶 2 桩顶标高离地表的距离较大时 可设置 70 100cm 的保护桩长 上部 再用粒状材料封顶 直到接近地表 5 施工质量控制措施 5 1 施工前的工艺试验 施工前的工艺试验 主要是考查设计的施打顺序和桩距能否保证桩身质量 工艺试验也可结合工程桩施工进行 并需做如下两种观测 1 新打桩对未结硬的已打桩的影响 在已打桩桩顶表面埋设标杆 在施打 新桩时量测已打桩桩顶的上升量 以估算桩径缩小的数值 待已打桩结硬后 开挖检查其桩身质量并量测桩径 2 新打桩对结硬的已打桩的影响 在已打桩尚未结硬时 将标杆埋置在桩 顶部的混合料中 待桩体结硬后 观测打新桩时已打桩桩顶的位移情况 对挤密效果好的土 比如饱和松散的粉土 打桩振动会引起地表的下沉 桩顶一般不会上升 断桩可能性小 当发现桩顶向上的位移过大时 桩可能发 生断开 若向上的位移不超过 1cm 断桩的可能性很小 5 2 施工监测 信息施工能及时发现施工过程中的问题 可以使施工管理人员有根据地进 行决策 对保证施工质量是至关重要的 施工过程中 特别是施工初期应做如下的一些观测 1 施工场地标高观测 施工前要测