CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)79p.ppt

cfg桩 水泥粉煤灰碎石桩 概述加固原理设计与计算施工工艺效果检验 主要内容 概述 定义 性质 水泥粉煤灰碎石桩是由水泥 粉煤灰 碎石 石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩 简称cfg桩 通过调整水泥掺量和配合比 桩体强度可在c5 c20之间变化 一般为c5 c10 cfg桩是在碎石桩的基础上发展起来的 属复合地基刚性桩 概述 定义 性质 碎石 粗骨料石屑 中等粒径骨料 使得级配良好 粉煤灰 种类 干排灰湿排灰主要成分 sio2 al2o3 fe2o3 cao以及mgo活性成分 sio2 al2o3及cao 细骨料和低标号水泥作用 提高桩体后期强度 水泥 提高强度 概述 技术发展 20世纪80年代 中国建筑科学研究院立题开始试验研究 1992年 通过部级鉴定 1994年 被建设部列为全国推广项目 1995年 被国家科委列为国家级全国重点推广项目 目前 cfg桩可加固多层建筑及30层以下高层建筑 从民用建筑到工业建筑均可使用 概述 与碎石桩比较 多层和高层建筑地基 多层建筑地基 适用范围 应力应变曲线为直线关系 围压对应力 应变曲线没有多大影响 应力应变曲线不呈直线关系 增加围压 破坏主应力差增大 三轴应力应变曲线 增加桩长可有效地减少变形 总的变形量小 减少地基变形的幅度较小 总的变形量较大 变形 承裁力提高幅度有较大的可调性 可提高4倍或更高 加固粘性土地基承载力的提高辐度较小 一般为0 5 1倍 地基承载力 桩的承载力主要来自全桩长的摩阻力及桩端承载力 桩越长则承载力越高 以置换率10 计 桩承担的荷载占总荷载的百分比为40 75 桩的承载力主要靠桩顶以下有限长度范围内桩周土的侧向约束 当桩长大于有效桩长时 增加桩长对承载力的提高作用不大 以置换率10 计 桩承担荷载占总荷载的百分比为15 30 单桩承载力 cfg桩 碎石桩 概述 适用范围 cfg桩由于自身具有一定的粘结性 故可在全长范围内受力 能充分发挥桩周摩阻力和端承力 桩土应力比高一般为10 40 复合地基承载力的提高幅度较大 并有沉降小 稳定快的特点 cfg桩可用于加固填土 饱和及非饱和粘性土 松散的砂土 粉土等 对塑性指数高的饱和软粘土使用要慎重 南京造纸厂地基采用cfg桩加固 加固前后取土进行物理力学指标 概述 适用范围 按照施工工艺不同 分为挤土和非挤土两类振动沉管法施工 挤土法 泥浆护壁 螺旋钻孔施工 非挤土法 概述 勘察要求 工程地质勘察内容 1 岩土埋藏条件及物理力学性质 持力层 下卧层埋藏深度 厚度 性状 变化及应力历史 2 查明水文地质条件 地下水位埋藏 地下水位线位置 流向 地下水类型 地下水对混凝土的腐蚀作用 3 查明特殊土 膨胀土 湿陷性土或液化土层 的特性 4 确定各层土的fak 预测地基沉降及其均匀性 5 提供采用cfg桩设计所需的岩土工程技术参数 确定和估算fpk 并可提出cfg桩长度和建议的施工方法 概述 勘察要求 勘探点布置 1 根据拟建建筑物的等级 体形 平面形状等布置 2 勘探点的布置应能控制持力层层面坡度 厚度 性状变化 3 勘探点间距可根据地基复杂程度等级确定 持力层层面高差较大时 间距应小些 4 应取勘探孔总数的1 3 1 2作为控制性勘探孔 5 勘探点深度应在桩尖以下 参见详勘阶段的控制性勘探孔深度 室内试验 1 土的物理力学常规试验项目 2 对基底以下土层做灵敏度试验为褥垫层施工提供依据对高灵敏度的土 褥垫层施工时应尽量避免桩间土扰动 以防止发生 橡皮土 现象 概述 勘察要求 增加内容 1 提供各土层的桩侧摩阻力和桩端阻力桩侧摩阻力 一般按灌注桩施工工艺提供桩端阻力 按灌注桩和打入桩分别提供可按 建筑地基基础设计规范 有关规定确定也可参阅 cfg桩复合地基技术规定 q jy06 1997 附录a b 2 若有填土 应说明填土的材料组成 概述 勘察要求 工作机理 单桩 一 cfg桩的刚性桩性状 散体材料桩 主要通过有限桩长 一般为6 10d 传递竖向荷载 当l 有效桩长 碎石桩 4d 桩传递荷载的作用已明显减弱 cfg桩不同于碎石桩 其桩身有一定的粘结强度 在外荷载作用下 桩身不会发生鼓胀破坏 并可全桩长发挥侧摩阻力 桩端落在好的土层上具有明显的端承力 即 桩承受的荷载通过桩的摩阻力和桩端阻力传递到深层地基中 fspk可大幅度提高 1 桩长l 15 5m 桩端落在淤泥质土中 单桩复合地基载荷试验fspk 205kpa 2 桩长l 15 5m 桩端落在较好土层中 单桩复合地基载荷试验fspk 315kpa 由此可见 cfg桩没有碎石桩那样的临界桩长 可像刚性桩那样把外荷载传递到深层地基中 对上软下硬地质条件尤为适用 工作机理 单桩 国棉四厂纺纱车间 基底在厚度为2 4 4 8m的粉质粘土层上 fak 90 100kpa 要求 复合地基fspk 150kpa 原设计 采用碎石桩d 400mm l 6m l 1m 施工试桩后检测fspk 130kpa 改用cfg桩d 360mm l 7 5 8m l 1 3 1 45m 桩端落在坚硬土层上 fspk 180kpa 工作机理 单桩 二 单桩承载力的可调性 cfg桩的桩长l可根据工程要求和地质条件确定 从几米到二十几米在cfg桩复合地基中桩体承担的荷载占总荷载的35 70 有的工程比例更高 这使得复合地基承载力大幅度提高 并具有很大的可调性 地基承载力较高 荷载又不是很大时 l可短些 地基承载力较低 荷载时 l可设计长些 工作机理 单桩 四 时间效应 刚施工完的cfg桩桩体可作为良好的竖向排水通道帮助桩间土消散由于外界施工等荷载产生的超孔隙水压力 直到桩体结硬为止 这种排水过程可延续几小时 通过施工后分层凿开桩体和载荷试验 没有发现排水作用会影响桩体强度 反而这种排水作用对桩间土的固结和防止地面隆起有一定作用 三 桩体的排水作用 桩体强度提高桩与桩间土之间相互作用加强 工作机理 单桩 工作机理 复合地基 一 褥垫层的加固作用 褥垫层不是基底下常做的10cm的素混凝土垫层 褥垫层是在cfg桩桩顶与混凝土垫层间的由粒状材料组成的散体材料垫层 cfg桩 桩间土 褥垫层 cfg状复合地基 褥垫层的加固作用 1 褥垫层保证桩与桩间土共同承担荷载 h 0 工作机理 复合地基 褥垫层的加固作用 h 0 工作机理 复合地基 褥垫层的加固作用 2 褥垫层调整桩 土荷载分担比 1 调整竖向桩 土荷载分担比 桩荷载分担比 土荷载分担比 p s与m n有关 工作机理 复合地基 褥垫层的加固作用 当d l不变 m不变 l n p l n p 当l d l不变 垫层厚度h n 垫层厚度h很大时 n 1如h 0 n很大 p很大 就需要桩的强度很高 桩长l增加 处理费用增加 h很大时 n 1 p m 工作机理 复合地基 褥垫层的加固作用 2 调整水平桩 土荷载分担比 工作机理 复合地基 褥垫层的加固作用 根据叶书麟主编的 地基处理工程实例应用手册 中给出的复合地基水平载荷试验的资料表明 褥垫层h越大 桩顶水平位移越小 即桩顶承受的水平荷载越小 大量工程实践和室内外试验结果表明 只要褥垫层h不小于10cm 桩体就不会发生水平折断 桩在复合地基中就不会失去工作能力 不同垫层厚度时 曲线 1 垫层厚2cm2 垫层厚10cm3 垫层厚20cm4 垫层厚30cm 工作机理 复合地基 褥垫层的加固作用 根据实测的桩土应力比 与褥垫层厚度h的变化关系 当褥层厚度很小时 桩对基础底面产生应力集中 和桩基础一样 需要考虑桩对桩基的冲切破坏 但当褥垫厚度大于10cm时 应力集中明显降低 桩土应力比约为6 当褥垫层厚度为30cm时 桩土应力比降为1 23 3 减少基础底面的应力集中 工作机理 复合地基 褥垫层的加固作用 cfg复合地基的设计原则 充分利用桩间土的垂直和水平承载能力 由于cfg桩复合地基的置换率一般不大于10 其余不小于90 的基底面积为桩间土 总荷载扣除桩间土承担的荷载后就是cfg桩应承担的荷载 显然 遵循这一设计原则 可大量减少桩的数量 再加上cfg桩不消耗钢筋 桩体利用工业废料和石屑作为掺合料 水泥用量少 可大大降低工程造价 二 设计思想 cfg桩不只是用于加固软弱地基 对于较好的地基土 若建筑物荷载较大 天然地基承载力不够也可利用cfg桩补足 工作机理 复合地基 设计思想 三 复合地基受力特性 1 桩 土荷载分担作用 p s通常与p l h 土的性质有关 刚性基础下cfg桩复合地基 p s随p的变化 l 1 2m l 2 0m l 3 2m 工作机理 复合地基 复合地基受力特性 p较小时 土承担的荷载 桩承担的荷载p s p 当p pk时 s p当p pk时 s pp一定 当其他条件相同时 p随l 而 p随m 而 土强度越低 褥垫层h越薄 荷载向桩体集中现象越严重 p越大 工作机理 复合地基 复合地基受力特性 2 桩传递轴向力的特征 桩基础 s桩顶 s土表面 s承台 s桩顶以下桩 s相应部位的土 土对桩产生的侧摩阻力方向向上 为正摩阻力 最大轴向力nmax出现在桩的顶部 工作机理 复合地基 复合地基受力特性 cfg桩复合地基 s桩顶 s桩间土表面 s基础底面 nmax 工作机理 复合地基 复合地基受力特性 负摩阻力作用 桩基础中 桩穿越欠固结土层 地下水位变化等情况 负摩阻力对桩的承载力有不利的影响 cfg桩复合地基中 褥垫层的存在 负摩阻力对桩的承载力有不利的影响 负摩阻力对桩间土的承载力有提高的作用 它对提高桩间土的承载力 减少复合地基的沉降变形起着有益的作用 工作机理 复合地基 复合地基受力特性 3 桩间土应力分布 刚性基础下 不同位置处桩间土的应力不同 s1 s1 s2 s1 s2 1 25 1 45 工作机理 复合地基 复合地基受力特性 四 复合地基变形特性 1 cfg桩复合地基变形模式 p 0 h0 l ht ss sp 上 l 下 s p s s 工作机理 复合地基 复合地基变形特性 sp s p 忽略桩身压缩量 上 ss sp 下 s p s s l l s1 加固区沉降量 s1 上 下 ss sp s p s s sp s p s1 ss s s ss s1 s2 s3 h0 ht s s1 s2 s3 ss s3 工作机理 复合地基 复合地基变形特性 2 cfg桩复合地基沉降影响因素 1 p l对s的影响 地质条件相同 p相同时 l 上和 下 l s2 s1 l s s随l 而 s1 s2 p不变 l s1 s s2 s l不变 p s1 s s2 s变化不大 工作机理 复合地基 复合地基变形特性 2 其他指标对s的影响 h p 上 下卧层较硬 下 s1 上 下 s1 3 基础尺寸对s的影响 天然地基 p相同 b s b 压缩层厚度 复合地基 p l m相同 b s1 s2 s 综合考虑桩长l和基础宽度b两个因素 用l b作为参量 p m相同 l b s l b 6时 s2 s已经很小 工作机理 复合地基 复合地基变形特性 3 cfg桩复合地基深层变形性状 曲线1 天然地基土 p 119kpa 曲线2 9桩复合地基 p 320kpa s 119kpa z l时 s1 s2 浅层土 z l时 s1 s2 深层土 桩的设置使一部分荷载传入地基深层 工作机理 复合地基 复合地基变形特性 桩对桩间土变形的影响 桩对桩间土的侧向约束使得ss 随着桩数量的增加ss下降的程度越大 褥垫层的设置必然会存在负摩阻力区 桩对桩间土有向上的摩阻力影响 使得ss 荷载较小时 桩侧摩阻力起主要作用 端阻较小总应力面积之和为负 使得ss 荷载较大时 端阻增加 负侧摩阻力区减小总应力面积之和为正 使得ss 工作机理 复合地基 复合地基变形特性 4 cfg桩复合地基桩变形性状 1 刚性基础下 不同位置下桩的沉降变形基本相等 2 同一荷载作用下 群桩复合地基中桩的沉降 单桩复合地基中桩的沉降 这是由于群桩效应和负摩阻力区的作用 复合地基中桩的沉降 自由单桩的沉降 桩数越少这些影响越小 工作机理 复合地基 复合地基变形特性 设计计算 桩身材料及配比设计 一 桩身材料及配比设计 1 cfg桩桩身材料 cfg桩由碎石 粉煤灰 水泥 石屑加水拌和形成 各种材料之间的配合比对混合料的强度及和易性有很大影响 水泥 一般采用42 5级普通硅酸盐水泥 碎石 粒径一般为20 50mm 石屑 碎石料之间一般为点接触 接触比表面积小 桩体抗剪强度较低 在碎石料中掺入中等粒度的石屑后 可改善级配 增大接触比表面积 提高桩体的抗剪强度 有资料表明 在碎石含量和水泥掺量不变的情况下 掺入石屑后 桩体强度可提高50 设计计算 桩身材料及配比设计 粉煤灰 种类 干排灰湿排灰湿灰活性低于干灰 部分活性组成先行水化 活性成分 sio2 al2o3及cao 细度 粉煤灰细度越大 球形颗粒越多 其水化及接触面越多 容易发挥其活性 烧失量 粉煤灰中未燃尽煤的含量 烧失量过大 需增加用水量 这样会影响粉煤灰的质量 降低混合料的强度 2 cfg桩桩体配比 设计计算 桩身材料及配比设计 1 桩体配比设计 由于各种材料性质差异 很难给出一个统一的 精确度很高的配比 下面给出的方法 曾经在工程中使用过 效果良好 供参考 石屑率 单方混合料中碎石的用量 kg m3 单方混合料中石屑的用量 kg m3 据试验研究结果 取0 25 0 33为合理石屑率 混合料28d强度与水泥强度等级及灰水比之间的关系 设计计算 桩身材料及配比设计 水泥强度等级 kpa 单方混合料中水泥的用量 kg m3 单方混合料中水的用量 kg m3 混合料塌落度t按3cm控制 水灰比w c与粉灰比f c的关系 单方混合料中粉煤灰的用量 kg m3 设计计算 桩身材料及配比设计 混合料的密度一般为 2 1 2 2t m3 利用以上关系 参考混凝土配比用水量 并加大2 5 进行配比设计 1 单方用水量w 参考混凝土控制坍落度t 3cm时 单方用水量 2 单方水泥用量c rcb为42 5级普通水泥 c 134 9kg w 189kg 3 单方粉煤灰用量f 设计计算 桩身材料及配比设计 c 134 9kg w 189kg f 207 1kg 4 单方石屑用量g1和碎石用量g2 混合料的密度取 2 2t m3 则 2200kg 189kg 134 9kg 207 1kg 设计计算 桩身材料及配比设计 取 0 28 则 可按上述配比试配 并按塌落度t 3cm调整用水量 2 桩体配比试验 设计计算 桩身材料及配比设计 1 不同石屑掺量 配比试验 水灰比w c与粉灰比f c一定时 过小 则和易性差 混合料离析 泌水 过大 则混合料流动性小 塌落度低 在25 33 塌落度出现峰值 为最佳石屑率 水灰比w c与粉灰比f c一定时 与r28之间的关系与 相似 其最佳石屑率与 也相近 设计计算 桩身材料及配比设计 2 不同水泥 粉煤灰掺量的配比试验 对某一石屑率 不同水泥 粉煤灰掺量得出的混合料的立方抗压强度与水灰比w c成反比 当石屑掺量为最佳石屑率时 控制混合料坍落度为3cm 根据不同水泥 粉煤灰掺量的配合比实验 如果增加粉煤灰的掺量 为了保证3cm的坍落度 混合料的需水量得增加 反之 需水量得减小 设计计算 桩身材料及配比设计 3 养护条件和龄期的配比试验 试验结果显示 无论水中养护 还是标准养护 混合料的后期强度仍有较大增长 龄期超过半年 后期强度还在增长 这是因为粉煤灰经过一段时间在水中溶解能较好地发挥其活性 3 cfg桩桩体材料强度与地基承载力间的关系 当桩体材料强度大于某值时 提高桩体强度对复合地基承载力不再有影响 因此 复合地基设计时 不必把桩体强度标号取得过高 一般取桩顶应力的3倍即可 施工时 混合料要严格按设计配合比配备 搅拌时间不少于1min 碎石和石屑含杂质不超过5 长螺旋钻孔 管内泵压混合料成桩施工的坍落度宜为160 200mm 振动沉管灌注桩施工的坍落度宜为30 50mm 设计计算 桩身材料及配比设计 设计计算 复合地基承载力设计 二 复合地基承载力设计 cfg桩复合地基地基承载力特征值 应通过现场复合地基载荷试验确定 初步设计时也可按下式估算 设计计算 复合地基承载力设计 也可按下式估算 其中 桩间土承载力折减系数 一般取0 8 n 桩土应力比 一般取10 14 m 桩的置换率 综合考虑施工对桩间土的影响 桩对桩间土变形的影响 桩与桩间土承载力发挥的问题 褥垫层对于桩间土承载力发挥的影响等因素 其中 桩间土承载力发挥度 一般工程取0 90 0 95 重要 变形要求较高的工程取0 75 0 9 桩间土强度提高系数 按经验取值 如无经验 一般粘性土取1 0 灵敏度高 施工速度快时 1 0 单桩竖向承载力特征值ra的取值 应符合下列规定 当采用单桩载荷试验时 应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2 当无单桩载荷试验资料时 可按下式估算 设计计算 复合地基承载力设计 ra ru k 桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求 设计计算 复合地基沉降设计 复合地基总沉降量分为加固区的沉降和未加固区的沉降 未加固区的沉降 分层总和法加固区的沉降 应力修正法 沉降折减法 复合模量法桩身压缩量法 三 复合地基沉降设计 设计计算 复合地基设计参数 四 复合地基设计参数 桩径 一般桩径为350 600mm 由施工设备的桩管决定 cfg桩常采用振动沉管法施工 d过小 施工质量不易保证 d过大 需加大褥垫层厚度才能保证桩 土共同承担荷载 一般桩径设计为为350 400mm 2 桩距 设计计算 复合地基设计参数 桩距可以按下表选用 选用时遵循以下原则 对挤密性好的土 如砂土 粉土和松散填土用小桩距 单 双排布桩的条形基础和面积小的独立基础用小桩距 对满堂布桩的筏基础 箱基础以及多排布桩的条形基础 设备基础 桩距适当放大 地下水位高 地下水丰富的地基 桩距适当放大 3 桩长 设计计算 复合地基设计参数 代入 l 桩顶应力 桩顶承受的集中力 桩顶承受的集中力推算桩长 4 褥垫层 设计计算 复合地基设计参数 桩顶和基础之间应设置褥垫层 褥垫层厚度宜取150 300mm 当桩径大或桩距大时褥垫层厚度宜取高值 褥垫层材料宜用中砂 粗砂 级配砂石或碎石等 最大粒径不宜大于30mm 不宜采用卵石 铺设范围 大于基底面积 四周宽出部分不宜小于褥垫层厚度 5 桩的布置 cfg桩可只在基础范围内布桩 桩的数量 实际工程中 根据基础大小 形状等 桩数有一定增减 振动沉管施工工艺长螺旋钻管内泵压cfg桩施工工艺长螺旋钻孔灌注桩施工工艺人工或机械洛阳铲成桩工艺泥浆护壁钻孔灌注桩施工工艺 施工工艺 振动沉管施工工艺 施工工艺 施工工艺 施工准备施工前应具备的资料和条件 场地工程地质勘察报告 cfg桩布桩图 应注明桩位编号 设计说明和施工说明 场地邻近的高压电缆 地下管线 地下构筑物和障碍物等调查资料 场地的水准控制点和线路控制坐标 施工技术措施 确定施工机具和配套设备 制定材料供应计划 标明所用材料的规格 技术要求和数量 进行试成孔 复核地质资料以及设备 工艺的适用性 核定或调整技术参数 按施工平面图放好桩位 确定施打顺序 复核测量基线 水准点及桩的轴线定位点 检查场地所设的水准点是否受施工影响 打桩机沉管表面应有明显的进尺标记 施工工艺 施工流程 1 沉管 根据设计桩长 成管入土深度确定机架高度和沉管长度 并进行设备组装 桩机就位 桩管保持垂直 垂直度偏差不大于1 若采用预制钢筋砼桩尖 需埋入地表以下300mm左右 开始沉管 启动马达 沉管到预定标高 停机 记录激振电流变化情况 一般可1m记录一次 施工工艺 2 投料 沉管至设计标高后须尽快投料 直到管内混合料与钢管投料齐 若投料量不够 应在拔管过程中空中投料 以保证成桩桩顶标高满足设计要求 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 施工过程中 抽样做混合料试块 一般一个台班一组 尺寸150mm 150mm 150mm 并测定28天抗压强度 3 拔管 拔管前 应在原位留振约10s再振动拔管 控制拔管速度 一般1 2 1 5m min较合适 拔管过快易造成局部缩颈或断桩 拔管太慢 振动时间过长 会使桩顶浮浆增厚 易使混合料离析 施工工艺 施工常见问题及对策 施工常见问题 施工扰动对土强度的影响根据振动沉管成桩工艺对土密实性的影响 可将地基土分为三类 挤密效果好的土 松散填土 粉土 砂土等 可挤密的土 塑性指数不大的松散的粉质粘土和非饱和粘性土 挤密效果差的土 塑性指数高的饱和软粘土和淤泥质土 施工工艺 施工工艺 土的密实度对土的挤密性影响很大 密实的砂土或粉土 产生剪胀 由密变松 松散的砂土或粉土 孔隙减小 由松变密 缩径和断桩在饱和软土中施工施工时 在地基土中将产生超孔隙水压力 沿水平方向衰减较快 当采用连打作业时 孔隙水压力来不及消散 对邻桩产生挤压 使得已打桩被挤成椭圆形或不规则形 严重的会产生缩径和断桩 在上部有较硬的土层或中间夹有硬土层的土中成桩 施工产生的振动力较大 邻桩易出现振动破坏 采用隔桩跳打工艺 若已打桩结硬但强度不高 在中间补打新桩时 已打桩有时会被振裂 施工工艺 桩体强度不均桩机卷扬机提升沉管速度太快 为控制平均速度 提升 留振缩径 断桩离析桩身强度不均 桩料与土的混合采用活瓣桩靴成桩 当桩靴开口打开的宽度不够 混合料下落不充分桩端与接触不密实或桩端较小 若采用反插法 桩管垂直度难保证 桩身易掺土 对策 施工工艺 1 控制拔管速度太快缩径 断桩太慢混合料离析 桩顶浮浆多现场试验 沉管 377mm 投料量1 8m31 2m min开挖桩径380mm2 5m min开挖桩径360mm0 8m min桩顶浮浆多 桩身强度低合理的拔管速度 1 2 1 5