岩土勘察分析及地基处理技术应用探讨

　　摘要：地基处理作为土木工程建设的关键环节之一始终受到人们的高度重视，各种地基处理技术已较为成熟，但同时也种类繁多而效果各异。针对特定区域、特定地质条件和工程要求，寻求方便合理、实用普遍的地基处理方法，对提高经济效益将具有重要作用，本文主要结合河南某高层建筑工程的地基勘察和施工处理案例，对CFG桩处理软土地基的施工技术和质量控制措施做了探讨和阐述。
　　关键词：岩土勘察；地基处理；CFG桩
　　
　　1工程概况
　　某高层住宅小区中的24层住宅楼建筑平面为矩形，长26m，宽16m，高度为75.4m，采用筏板基础，剪力墙结构。根据勘察报告，场地为第四纪沉积层，基础坐落在粉质粘土层上，天然地基承载力特征值为l80kPa。
　　2地基岩土勘察分析
　　2.1地基岩土勘察
　　本工程的特点是层数多、荷载大，对加固后的地基承载力和变形要求都很高(复合地基承载力特征值要求达到480kPa，建筑中心点沉降量不超过40mm)，无论设计计算、具体的施工措施和施工管理，其难度都比一般高层建筑地基处理要大。如果采用天然地基，基础坐落在粉质粘土层上，其天然地基承载力特征值f=180kPa，不能满足设计要，而采用钻孔灌注桩时，其场地土有较好的桩端持力层，方案能满足设计要求，但桩间土承载力得不到使用，且施工过程中有泥浆污染，施工噪音大。
　　因此，通过仔细分析，并结合场地土质情况、工程特性和环保等要求，本工程拟采用长螺旋钻管内泵压CFG桩施工工艺进行地基处理.设计时将桩端落在细中砂层上，桩长为16～18m，满足设计要求，且场地桩间土承载力能得到较好的发挥。
　　2.2CFG桩地基设计方案
　　在CFG桩复合地基设计过程中，主要需确定五个参数，即：桩长L、桩径d、桩间距s、褥垫层厚度△H和桩身强度等级。
　　（1）桩长L
　　CFG桩设计时要求桩端落在强度较高、压缩性较小的土层上，根据场地地层情况，虽然细砂、圆砾、卵石层是比较好的持力层，但本工程地基勘察资料中显示细砂、圆砾、卵石层较浅，而且本工程要求复合地基承载力较高，且经变形计算无法满足设计要求，设计时将桩端落在细中砂层上，桩长16～18m。
　　（2）桩径d
　　桩径取决于所选用的施工设备，采用长螺旋钻管内泵压CFG桩施工工艺，螺旋叶片直径为400mm或600mm，目前采用的螺旋叶片直径以400mm的居多，本工程设计桩径为d=400mm。
　　（3）桩间距s
　　在桩长、桩径确定后，首先需要按公式计算单桩承载力，然后根据天然地基承载力和设计要求的复合地基承载力按公式求桩间距，桩间距一般要求在(3～5)d范围内。如果桩间距太大或太小，可调整桩长使桩间距在合理范围。在桩径选定的情况下，桩长和桩间距是确定CFG桩复合地基承载力及估算加固区和下卧层变形量的重要参数。
　　本工程中L=16m，d=0.4m时，按公式计算的单桩承载力特征值R=630kN，天然地基承载力特征值f=180kPa，取β=0.95，可计算不同桩间距时复合地基承载力特征值。
　　（4）桩体强度
　　取CFG桩桩体强度等级为C25。
　　（5）褥垫层厚度
　　为发挥桩间土承载力，首先凿除保护桩长500mm，然后顶铺设20cm厚碎石垫层，则垫层顶的标高即为基础底标高。材料要求：粒径d=10-20mm，含泥量<3%。
　　3CFG桩处理地基的特性分析
　　CFG桩是一种高粘结强度桩，桩体在荷载作用下一般不会鼓胀破坏，与其它桩复合地基相比，CFG桩复合地基具有以下特点。
　　3.1适用范围广
　　CFG桩复合地基适用于条形基础、独立基础，也适用于筏形基础、箱形基础。就土而言，适用于处理粘性土、粉土、砂土、淤泥质土地基。从挤密效果看，既可用于挤密效果好的土，也可用于挤密效果差的土。CFG桩适用于多层建筑、高层建筑的地基处理，目前己经被广泛用于高层建筑。
　　3.2承载力提高幅度大，可调性强
　　CFG桩桩长可以从几米到20多米均可，并且可以全桩长发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总荷载的百分比可在40%-75%之间变化，使得复合地基承载力的提高幅度大并且具有很大的可调性。当天然地基承载力较高时，若上部荷载不大，可将桩长设计得短一点。若上部荷载较大，可将桩长设计得长一点。有时根据承载力要求和具体土层情况，可采用长短桩间隔设置，发挥不同土层的端承力。
　　3.3桩体的排水作用
　　当CFG桩在饱和的粉土和砂土中施工时，由于成桩的振动作用，会使砂土液化，土体内产生超静孔隙水压力，刚刚施工完的CFG桩将是一个很好的排水通道，孔隙水沿着桩体向上排出，直到CFG桩桩体硬化为止。这样的排水过程可以延续几个小时。此现象不仅不会影响桩体强度，反而对减小因孔压消散太慢引起地面的隆起和增加桩间土的密实度大为有利。
　　3.4沉降变形
　　CFG桩复合地基复合变形模量大，建筑物沉降量小是其重要特点之一。对于上部和中间有软弱土层的地基，采用CFG桩进行地基处理，桩端持力于下面较好的土层，可以获得变形模量较高的复合地基，从而有效地控制建筑物的沉降。根据大量工程实践得知，采用CFG桩进行有效的地基处理后，建筑物的沉降一般可控制在20-50mm左右。
　　3.5时间效应
　　利用振动沉管施工时，由于振动作用，将会对桩间土产生扰动，特别是高灵敏度的土，会使其结构强度丧失或降低，成桩结束后，随着恢复期的增长，结构强度逐渐恢复，桩间土的承载力会有所增加。另外CFG桩本身强度在28d-60d过程中增长的最快，以后强度逐渐慢慢增加。特别是高标号的混合料要到60d龄期才能达到或超过设计强度。
　　4地基处理主要技术探讨
　　4.1施工机械设备
　　长螺旋钻管内泵压CFG桩施工工艺是由长螺旋钻机、混凝土泵和强制式混凝土搅拌机组成的完整的施工体系，本工程采用2台ZKL800BB型步履式长螺旋钻机、1台HBT60型混凝土输送泵、1台JS50型混凝土搅拌机。
　　该设备施工工艺具有以下的优点：低噪音，无泥浆污染；成孔制桩时不产生振动，避免了新打桩对已打桩产生的不良影响；成孔穿透能力强，可穿透硬土层，诸如砂层、圆砾层和粒径不大于60mm的卵石层；施工过程中的效率高。[!--empirenews.page--]
　　4.2主要施工工艺
　　（1）测量定位
　　测量定位采用打孔灌石灰的方法处理，即先用直径30的钢管打孔300mm深的深度，然后灌入石灰粉，再插入钢筋进行复核桩位，施工中所有桩孔一次定位完成。
　　（2）钻机就位
　　钻机就位前需检查场地情况，如果场地较软，应增加支腿接地面积。若场地坡度>30°应加垫枕木施工，钻机就位后必须平衡，启动四支腿油缸调整钻机水平，确保钻塔垂直度≯1%，对位偏差≯20mm，钻机开钻前必须严格检查钻头上楔形出料活门是否闭合。
　　（3）钻进成孔
　　钻进过程中根据地层变化和动力头工作电流值对钻压、转速和钻进速度进行合理调整，钻进采用间歇式钻进方法，即钻进一空钻一钻进，钻进至设计深度后空车30-60s，待电流稳定确认桩长满足要求后终孔停钻。
　　（4）混凝土搅拌及泵送
　　混凝土搅拌应该严格按配合比配料，严格控制好进场原材质量，每盘搅拌时间≮90s，经常检查混凝土的和易性及坍落度，控制好混凝土的搅拌质量。
　　（5）每桩灌混凝土结束后，应及时进行封顶以保护桩头。
　　（6）施工中遇到地下障碍使桩位偏移时应及时处理后再次就位，并对混凝土泵送中遇到输料管堵塞或钻进中出现的异常问题及时正确处理。
　　4.3施工质量控制措施探讨
　　在桩基施工工程正式施工前，进行了试验桩施工，施工中发现场地有窜孔、钻头阀门有时打不开的情况，尤其严重的是在检验单桩承载力时，发现有个别试验桩承载力很低，不能满足设计要求。
　　（1）单桩承载力达到设计要求的保证措施
　　通过对试验桩的验证，经综合分析研究后认为，造成单桩承载力不足的主要原因是施工时扰动了桩底的粉细砂层或细中砂层，使CFG桩的桩端承载力降低，从而导致单桩承载力下降。经重新计算发现，只要适当增加些桩长，使桩端进入其下的中低压缩性的粉质粘土层或粘质粉土-砂质粉土层上时，就能满足承载力和变形的需求，而且可以避免桩底土的扰动。于是决定对于场地局部原桩端持力层位置处砂层较厚的地段，依然采用原桩端持力层不变，但施工时要尽量避免桩端进入砂层太深，以免扰动砂层，产生涌砂现象，造成质量问题；而对于原桩端持力层位置处砂层较薄的地段，就增加桩长，使其桩端落在粘性土上。
　　根据工程经验，原桩底处的粉细砂及细中砂为含水层，这种有一定地下水压力的砂层很容易产生涌砂现象，造成桩底的虚空，也是造成单桩承载力不足的原因，为此，要求钻探人员控制提钻，钻进成孔至预定深度后尽量少提钻，在混凝土淹没钻头一定高度后再提钻；且提钻速度不宜过快，注意其和泵送速度的匹配，避免桩侧砂层产生涌砂现象，造成桩侧砂层不实，影响桩端阻力和桩侧阻力的发挥。
　　（2）施工中窜孔现象的防止措施
　　所谓施工中的窜孔现象，就是在饱和的粉土、粉细砂层中施工时，当打完1号桩后，接着打相邻的2号桩时，随着钻杆的钻进，发现已打完尚未结硬的1号桩桩顶突然下落，有时甚至达2m以上，当2号桩泵入混凝土混合料时，能使1号桩下降的桩顶开始回升，泵入2号桩的混合料足够多时，1号桩桩顶恢复到原标高，场地是否发生窜孔现象主要取决于场地土质情况、桩间距大小、垂直度和成孔过程中工艺对桩间土的扰动程度。
　　从土质情况分析，当桩长范围内存在饱和的粉细砂层或粉土层且其处于中密一松散状态，采用长螺旋钻管内泵压CFG桩工艺施工时就需考虑剪切液化在粉细砂层和粉土层中可能引起的窜孔现象，从成孔过程中工艺对桩间土的扰动程度分析，扰动程度的大小取决于扰动时间的长短，如钻头吃土能力较强时，成孔时间较短，扰动相对较小，窜孔的很少发生。当粉土、砂土层在桩的上部时，成孔对其扰动时间较长，较易发生窜孔。
　　可以选择使用跳打，且提高钻进速度，将一次打4排改为1排，尽量离开已打桩，减少对已打桩扰动能量的积累，杜绝了窜孔现象的发生。
　　（3）施工中钻头阀门打不开现象的防止措施
　　在施工过程中，发现有些桩成孔到设计深度，开始泵料时，钻头阀门打不开，无法成桩。经调查，钻头阀门打不开有两种原因：钻头问题，当钻头加工不合理时，成孔过程中土中的砂粒或小卵石易卡死阀门，造成阀门打不开；由于桩端落在砂土层，桩端土质具有良好渗透性，导致阀门外的水头压力大于钻杆内混合料的压力，造成阀门打不开。本工程钻头穿越细砂、圆砾、卵石层，终孔于粉细砂层及细中砂层上，很容易导致阀门打不开。经设计组和施工组共同商量改用防水钻头或者是适当增加桩长，使桩端进入其下的中低压缩性的粉质粘土层或粘质粉土-砂质粉土层中，避免阀门打不开的情况发生。
　　结语
　　辽宁省地区各地的土质构成和全国一样，具有明显的区域特点，加之缺乏系统的研究，对各地地基的有关指标的测试、评价及试验不够，使测试指标的应用难以恰如其分。因此，基础工程方案不尽合理，甚至常常出现工程事故，导致基础造价的提高，降低了项目的投资效益，而正确、合理的选用最优的软土地基处理方法，做到即知其然又知其所以然，是安全、经济、合理地进行工程建设的关键。
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　　5.薛国臣，黄苏宁.浅谈CFG桩复合地基.林业科技情报.2002(4)

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