CFG桩在旧城改造地基处理中的应用

　　摘要：在旧城改造工程中的地基土为湿陷性黄土，采用CFG桩进行地基处理后，经检测，证明采用此方法能有效消除地基土的湿陷性、提高了地基承载力。
　　关键词：CFG桩，旧城改造，地基处理，应用
　　
　　一、工程及地质概况
　　太原铁建小区（榆次）高层住宅楼工程，位于山西省晋中市榆次区迎宾街南侧，属于晋中市政府批准的旧城改造项目。该项目共5栋住宅楼，分别为1、5、6、7、8号楼，建筑面积90281m2,共756户。其中1号楼为临街商住楼，东西长为127.20m，南北宽15.30m。分为东楼和西楼，室外地面以上东楼19层、西楼15层，地下以下为1层地下室。
　　以下为该项目的地质资料：
　　根据工程勘察报告，其建筑场地地貌位于晋中盆地东北部边缘地带，次级地貌单元属榆次猫儿岭黄土层。
　　地基土从上至下分述如下：
　　第(1)层：素填土，具中等--高压缩性，具湿陷性。该层层厚0.70—3.9m，层底标高791.80—794.84m。
　　第(2)层：湿陷性黄土，以黄土状粉土为主、黄土状粉质粘土为辅。该层层厚0.9—4.1m，层底标高789.40—791.40m。
　　第(3)层：粉土、粉质粘土。粉土：层厚1.10—4.10m，层底标高786.56—789.50m；粉质粘土：层厚1.4—2.70m，层底标高788.24—789.60m；
　　第(4)层：细中砂、粉土。细中砂：层厚0.9—4.70m，层底标高779.78—787.04m；粉土：层厚1.4—8.60m，层底标高779.87—786.43m；
　　第(5)层：粉土、粉质粘土互层。该层层厚2.30—5.90m，层底标高776.35—778.70m；
　　第(6)层：细中砂。该层层厚1.60—6.70m，层底标高770.24—775.61m；
　　第(7)层：粉质粘土、粉土互层。该层层厚1.70—17.30m，层底标高759.81—768.13m；
　　本场区场地土类型为中软场地土，具有湿陷性，需要进行地基处理。结合地质勘查资料知，本工程的持力层位于第(3)层--粉土层，地基承载力特征值fak=110kPa，而设计要求：东楼复合地基承载力特征值要求达到320kPa，西楼复合地基承载力特征值要求达到270kPa，所以，实际地基承载力特征值不能满足设计要求，需要进一步采取措施进行处理。
　　二、设计方案的比选
　　（一）、桩型的选择
　　目前，桩的类型很多，所以，在选择采用何种桩型时，要综合考虑许多因素，如：
　　因受力的不同、工程地质条件的不同、施工工艺的不同、现场环境情况的不同、工程造价的差异、工期的不同等等，都直接影响桩型的选择。
　　综合考虑本工程的实际情况以及以上各方面因素的影响，最终在采用CFG桩复合地基方案和灌注桩基础方案中进行最终的方案比选:
　　1、在受力方面：CFG桩利用其桩间土的作用，可以使地基的压缩模量增大，复合地基沉降变形减小，且在桩径、桩长相同的情况下，CFG桩复合地基每根桩所承担的面积是灌注桩桩基础的2倍以上。这就充分说明灌注桩桩基础中桩间土的承载力得不到充分发挥，易造成浪费。
　　2、在施工工艺方面：CFG桩的施工灌注方便，施工效率高，因此工程质量容易控制。而灌注桩桩基础，则这方面的优势不明显。
　　3、在工程造价方面：CFG桩桩体材料掺入工业废料粉煤灰、不用配钢筋以及充分发挥桩间土的承载力，因此，在工程造价方面要明显优于灌注桩桩基础方案。
　　综合以上因素，最终选定采用CFG桩复合地基进行地基处理。
　　（二）、主要参数确定
　　经与设计单位沟通，对1号楼地基采用CFG桩进行处理。共799根桩，桩径0.4m，有效桩长15.0m，采用梅花形布桩。东楼桩间距1.6m，西楼桩间距1.8m。
　　（三）、桩体材料的选用
　　水泥：采用42.5级普通硅酸盐水泥，掺入量不大于200kg/m3；
　　碎石或卵石粗骨料：满足级配要求，松散堆积密度大于1500kg/m3，长螺旋钻孔，泵压法碎石最大粒径不大于25mm。
　　砂：采用洁净的中粗河砂，砂含泥量小于5％；
　　石屑：中等粒径骨料；
　　粉煤灰：粉煤灰细度(0.045mm方孔筛筛余百分率)比不大于45％，等级要求III级或III级以上，掺量为70~90kg/m3。
　　泵送剂：选用合适泵送剂，混和料坍落度为160～200mm。
　　（四）、综合建筑场区周边环境条件和场区土质情况，最终采用长螺旋钻孔—管内泵压砼灌注成桩工艺。
　　三、施工工序及方法
　　（一）、施工顺序
　　结合CFG桩结构布局特点及现场地质条件，本工程采取：从一边向另一边推进施工，根据具体情况，更为了减小桩间土的扰动，控制施工工艺，如发现特殊情况，再适当改变相应的施工顺序，必要时采取间隔跳打的施工方式。
　　（二）、工艺流程及操作要点
　　1、工艺流程图
　　
　　图1：CFG桩长螺旋钻管内泵压混合料灌注施工流程图
　　2、操作要点
　　（1）、钻机就位
　　钻机就位后，应使钻杆垂直对准桩位中心，采用在钻架上挂垂球的方法，在钻架上刻上明显的对照位置线，确保CFG桩垂直度容许偏差不大于1％。每根桩施工前都有专门的人员进行桩位对中及垂直度检查，满足要求后，才可以开始施工。
　　（2）、混和料搅拌
　　按试验配合比要求进行配料。每盘料搅拌时间按普通混凝土的搅拌时间进行控制，控制在60～120s，坍落度控制在160～200mm。
　　（3）、成孔
　　钻孔先慢后快，同时检查钻孔的偏差并及时纠正。在成孔过程中，发现钻杆摇晃或难钻时，放慢进尺，防止桩孔偏斜、位移。根据钻杆上的进尺标记，成孔达到设计标高时，停止钻进。
　　为加强工程地质复核，加密设计地勘断面，在施工前先在规划好的断面位置进行地质复核，并进行详细记录绘制成地质纵断面图，作为施工参考；或在一定区域范围内第一个孔进行地质复核，作为本区域CFG桩施工的依据。
　　在钻进时，记录每米电流变化并记录电流突变位置的电流值，作为地质复核情况的参考，桩尖必须钻至持力层上并保证有效设计桩长。
　　（4）、灌注及拔管
　　钻孔至设计标高后，停止钻进，开始混和料泵送，每根桩的投料量应不少于设计灌注量。长螺旋钻孔成桩边灌注边提钻，泵送量应与拔管速度相配合，保持连续灌注，均匀提升，做到钻头始终埋入混凝土内1m左右。施工桩顶高程宜高出设计高程0.5m，灌注成桩后，桩顶盖土封顶予以保护。
　　（5）、移机
　　上一根桩施工完毕，钻机头进行保护，移位，进行下一根桩的施工，施工时由于CFG桩排出的土较多，经常将临近的桩位覆盖，有时还会因钻机支撑时支撑脚压在桩位旁使原标定的桩位发生移动，因此，下一根桩施工时，还应根据轴线或周围桩的位置对下一桩位进行复核，保证桩位准确。
　　（6）、现场试验
　　对于每盘混和料，试验人员都要进行坍落度的检测，合格后方可进行混和料的投料，在成桩过程中抽样做混和料块，每台班做1组试块，测定其28天抗压强度。
　　（7）、清理桩头
　　清土包括CFG桩钻孔弃土清运和保护土层清运两部分，现场采用人工清运的方式以防止对桩体和桩间土产生不良影响。
　　（8）、桩头处理
　　CFG桩成桩后达到一定强度（3～7天）时，开挖表土先找出桩顶设计标高，然后人工用钢钎等将多余桩头凿除，严禁用挖掘机抓斗触碰桩头，以免造成浅层断桩。截桩时不得造成桩顶设计标高以下的桩体断裂和扰动桩间土。
　　（9）、铺设褥垫层
　　桩检测合格、桩头剃凿完毕后铺设200mm褥垫层，采用静力压实法进行施工。材料选用碎石（最大粒径不大于20mm），夯填度（即：夯实后的褥垫层厚度与虚铺厚度的比值）为0.9。
　　（10）、其他
　　因在进行1号楼地基处理施工时，为当年的11月份，正处于冬季施工的特殊时期，因此，结合冬季施工的特点，在拌合物内加入了防冻剂，以防止在初凝前冻结。同时，利用草帘、草袋将桩头和桩间土进行有效覆盖，防止其冻裂；另外，对于机具设备如：泵头、泵管也相应采取保温措施，以确保施工的顺利进行。
　　四、处理效果
　　为了验证采用CFG桩进行地基处理后，复合地基是否满足设计要求，在施工完28天后，对其进行了检测。
　　主要进行了复合地基静载试验和低应变动力检测，以下为检测情况：
　　（一）、检测目的：
　　通过复合地基静载荷试验，确定复合地基承载力特征值是否满足设计要求；
　　通过低应变测试，对桩身完整性进行评价，判定桩身缺陷程度及位置。
　　（二）、检测数量
　　复合地基静载试验：9组，占工程桩总桩数的1.1%；
　　低应变动力检测：86根，占工程桩总桩数的10.8%；
　　（三）、检测结果分析：
　　本次检测对1号楼东楼、西楼分别按照设计承载力进行了2组单桩复合地基静载荷试验。
　　以东楼的检测为例，其检测结果如下：
　　东楼试1点：
　　从试验结果可以看出，P—S曲线为光滑平缓曲线，加荷至640kN时，累计沉降量为22.72mm。P—S曲线未出现明显拐点，已达到设计承载力的2倍试验终止。确定该试验点复合地基极限承载力实测值为640kPa。
　　东楼试2点：
　　从试验结果可以看出，P—S曲线为光滑平缓曲线，加荷至640kN时，累计沉降量为25.03mm。P—S曲线未出现明显拐点，已达到设计承载力的2倍试验终止。确定该试验点复合地基极限承载力实测值为640kPa。
　　东楼试3点：
　　从试验结果可以看出，P—S曲线为光滑平缓曲线，加荷至640kN时，累计沉降量为20.02mm。P—S曲线未出现明显拐点，已达到设计承载力的2倍试验终止。确定该试验点复合地基极限承载力实测值为640kPa。
　　按照上述方法，确定3组复合地基的极限承载力实测值为：
　　PU1=640kPa，PU2=640kPa，PU3=640kPa.
　　从3组复合地基竖向静载荷试验来看，极限承载力实测值为640kPa，其平均值为640kPa。标准差为0，其级差为0，则该场地复合地基极限承载力特征值为640kPa，复合地基承载力特征值取其极限承载力特征值的一半为320kPa，承载力特征值满足设计要求。
　　低应变动力检测：
　　本次低应变检测采用锤击反射波法对桩身进行质量检测。根据检测结果，该楼CFG桩桩身混凝土应力波速在1869—2815m/s之间，检测桩大部分桩桩身完整性较好。
　　根据桩身完整性，检测桩类别统计如下：
　　Ⅰ类桩：70根，占检测桩总数的81.4%；
　　Ⅱ类桩：10根，占检测桩总数的11.6%；
　　Ⅲ类桩：6根，占检测桩总数的7%；
　　根据检测结果，部分桩体上部断裂，其原因是开挖或截桩时碰撞所致，建议将该部分桩断裂部分挖除，清洗干净后，采用混凝土灌至桩顶设计标高即可。
　　结论及建议：
　　1、工程桩复合地基承载力特征值满足设计要求；
　　2、综合分析低应变检测结果，说明桩身结构的完整性符合规范要求。
　　五、其余四栋楼的地基处理情况
　　根据整个小区的施工组织安排，先进行1号楼的地基处理施工，然后再进行其余四栋楼的地基处理施工。因此，在进行其余各楼的施工前，针对1号楼的成功经验，对其施工方案进行了进一步优化，使得其余四栋楼地基处理的施工进度、施工质量等都取得了更显著的进步，各项检测结果均达到了设计要求，为下一步的施工奠定了坚实的基础。
　　六、结语
　　通过采用CFG桩对旧城改造中高层住宅楼进行地基处理，证明其对湿陷性黄土地基处理的作用是有效的，既消除了处理深度范围内土层的自重湿陷性，又提高了地基承载力，施工技术成熟、经济快捷、工程质量保证，是一种进度快，造价低廉的地基处理方式。
　　
　　参考文献：
　　《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)；
　　《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)；
　　《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)；
　　《地基与基础工程施工及验收规范》(GB50202—2002)；
　　《CFG桩复合地基在高层住宅工程中的应用》(浙江建筑：仝纪文、陈越)