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岩土研究院

CFG桩施工

367 2022-03-10 09:48:17

CFG桩经过十几年的研究应用,已在我国北京、天津、河南、河北、山西、山东等十多个省、市、自治区的工业与民用建筑、多层建筑及高层建筑中得到广泛应用。基础型式有条形基础、独立基础,也有箱形基础、筏片基础;处理的土类有滨海一带的软土,也有承载力在 200kPa左右的较好的土。

大量的工程实践证明,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,所以在进行 CFG桩复合地基设计时,必须同时考虑 CFG桩的施工.并要了解施工中可能出现的问题。以及如何防止这些问题的发生与施工时采用什么样的设备和施工工艺,要根据场地土的性质、设计要求的承载力和变形以及拟建场地周围环境等情况综合考虑施工设备和施工工艺及控制施工质量的措施。

一、施工设备

目前常用的施工设备及施工方法有∶1。振动沉管灌注成桩

就目前国内情况,振动沉管灌注成桩用的比较多,这主要是由于振动打桩机施工效率高,造价相对较低。这种施工方法适用干无坚硬十层和粉十 ,粘性十及素填十,,松散的饱和粉细砂地层条件,以及对振动噪音限制不严格的场地。

振动沉管灌注成桩属挤土成桩工艺,对桩间土有挤(振)密作用,以便清除地基的液化并提高地基的承载力。

当遇到较厚的坚硬粘土层、砂层和卵石层时,振动沉管会发生困难;在饱和粘性土中成桩,会造成地表隆起,挤断已打桩,且噪声和振动污染严重,在城市居民区施工受到限制。在夹有硬粘性土层时。可考虑用长螺旋钻预引孔.再用振动沉管机成孔制桩。

2.长螺旋钻孔灌注成桩

这种施工方法适用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等密实以上的砂土等,属非挤土成桩工艺。要求桩长范围内无地下水,这样成孔时不会发生坍孔现象,并适用于对周围环境要求(如噪音、泥浆污染)比较严格的场地。该施工工艺具有较强的穿透能力。

3.泥浆护壁钻孔灌注成桩

这种成桩方法适用于有砂层的地质条件,以防砂层坍孔.,并适用干对振动噪音要求严格的场地

4。长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩

这种成桩方法适用于分布有砂层的地质条件,以及对噪音和泥浆污染要求严格的场地。施工时,首先用长螺旋钻孔到达设计的预定深度,然后提升钻杆,同时用高压泵将桩体混合料通过高压管路的长螺旋钻杆的内管压到孔内成桩。这一工艺具有低噪音、无泥浆污染、无振动的优点,是一种很有发展前途的施工方法。

这种施工方法具有较强的穿透能力,属非挤土成桩工艺。

CFG桩多用振动沉管机施工,也可用螺旋钻机,有时是振动沉管和螺旋钻机联合使用。

图8.4.1是振动沉管机的示意图。图8.4.2(a)和(b)分别为打桩时用的钢筋混凝土预制桩尖和钢制活瓣桩尖。图8.4。3是螺旋钻孔示意图。

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国产振动沉管机使用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。表8.4.1和表8.4.2给出了浙江瑞安建筑机械厂生产的锤头的主要技术指标,其中 DZ 系列为普通锤头;DZKS系列又名中空锤,这一系列设备除具有普通 DZ系列的功能外.中间有φ500mm 的通孔,可以配合重锤或内夯管进行夯扩桩施工;DZJ 系列可通过液压遥控调整偏心力距,可在运转条件下,实现偏心力距的调整。表8.4.3是兰州通用机械总厂生产的低噪音振动锤头的技术指标。

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具体选用哪一类型成桩机和什么型号,要视工程情况而定。远离城区的场地多采用振动沉管机∶在城区对噪音污染严格限制的地方可用螺旋钻成孔制桩;对夹有硬十层地段条件的场地,可先用螺旋钻预引门孔,然后再用振动沉管机制桩,以避免振动沉管制桩对已打的桩引起较大的振动,导致桩被振裂或振断。土质较硬时,多用 60kW电机的锤头;土质较软时,多采用 40kW的电机锤头。

二、施工程序

实际工程中振动沉管机成桩用的比较多,这里将振动沉管机施工做一介绍。

(一)施工准备

  1. 施工前应具备的资料和条件

(1)建筑物场地工程地质报告书;

(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。

2.施工技术措施内容

(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)施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验,施工时按配合比配制混合料。当用振动沉管灌注成桩和长螺旋钻孔灌注成桩施工时,桩体配比中采用的粉煤灰可选用电厂收集的粗灰,坍落度宜为 30~50ram;当采用长螺旋钻孔,管内泵压混合料灌注成桩时,为增加混合料的和易性和可泵性,宜选用细度(0.04Smm 方孔筛筛余百分比)不大于45%的Ⅲ级或Ⅲ级以上等级的粉煤灰,每方混合料粉煤灰掺量宜为 70~90kg。坍落度应控制在160~200mm。

(4)试成孔应不少于2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。

(5)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。

(6)确定施打顺序。

(7)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。

(8)振动沉管机沉管表面应有明显的进尺标记,并以米(m)为单位。

(二)施工前的工艺试验

施工前的工艺试验主要是考香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,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。如饱和松散的粉十。打桩振动会引起地表的下沉,桩顶一般不会上升,断桩的可能性小;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。

(三)CPG桩施工

(1)桩机进入现场,根据设计桩长、沉管入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。确保垂直度偏差不应大于1%,对满堂布桩基础,桩位偏差不应大于0.4倍桩径;对条形基础,桩位偏差不应大于0.25倍桩径,对单排布桩桩位偏差不应大于60mm。

(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 1m 记录电流表的电流一次,并对土层变化予以说明。

(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1min,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30~50mm控制,成桩后浮浆厚度以不超过20cm为宜。

(6)启动马达,留振5~10s开始拔管,拔管速率一般为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,拔管速率还可放慢。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。成桩后桩顶标高应考虑计人保护桩长。

(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,每台机械一天应做一组(3 块)试块,试块尺寸为15cm×15cm×15cm,标准养护并测定28d抗压强度。

(9)施工过程中,应随时做好施工记录。

(10)在成桩过程中,随时观察地面升降和桩顶上升情况。

(四)施工顺序选择

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8.4.4(a),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根桩,如图8.4.4(b)所示,先打1、3、5……,,后打2、4、6。

连续施打可能造成桩的缺陷是桩径被挤扁或缩颈。如果桩距不太小,混合料尚未初凝,连续打一般较少发生桩完全断开的现象。

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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。已打的桩可能被震裂或震断。

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桩断桩的现象。

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,亦可采用螺旋钻引孔的措施,以减少沉、拔管时对桩的振动力。

(五)施工监测

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。施工前要测量场地的标高。注意测点应有足够的数量和代表性. 打桩过程中随时测量地面是否发生隆起,因为断桩常常和地面隆起相联系。

2.桩顶标高的观测。施工过程中应注意已打桩桩顶标高的变化,特别要注意观测桩距最小部位的桩。

3.对桩顶上升量较大的桩(>1cm)或怀疑发生质量事故的桩应开挖查看,或采取逐桩静压的办法加以处理。

三、施工中的有关注意事项

(一)混合料坍落度的控制

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。长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工的坍落度应控制在 160~200rnm、振动沉管灌注成桩施工的坍落度应控制在 30~50mm,和易性好。对振动沉管灌注成桩施工,当拔管速率为1.2~1.5m/min

时,一般桩顶浮浆可控制在≤20cmn,成桩质量容易控制。

(二)拔管速率的控制

试验表明,拔管速率太快,将会造成桩径偏小或缩颈断桩的现象。在南京埔镇车辆厂工地做了三种拔管速率的试验;

((1)为1.2m/min,成桩投料量为1.8m²,成桩后开挖测桩径为38cm(沉管为φ377mm管)。(2)为2.5m/min,投入管内料亦为1.8m³,沉管拔出地面后,有大约0.2m²的混合料被带到地面,开挖后测桩径为 36cm。

(3)为0.8m/mnin,成桩后发现桩顶浮浆较多。

在蓟县电厂曾做较长时间留振试验.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。

大量工程实践证明,拔管速率为1.2~1.5m/min 是适宜的。

应该指出,这里说的拔管速率不是平均速度。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-变速箱系统来实现。

(三)保护桩长的设置

所谓保护桩长是指成桩时预先设定加长的一段桩长.基础施工时将其剔除。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,必须设置保护桩长,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,然后上部再用粒状材料封顶直到接近地表。

(四)开槽及桩头处理

CFG桩施工完毕,待桩体达到一定强度(一般3~7d)后,可进行开槽。清土和截桩时,不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。

对基槽开挖,如果设计桩顶标高距地表不深(一般不大于1.5m),宜考虑采用人工开挖,这样不仅可以防止对桩体和桩间土产生不良影响,而且也比较经济。

如果基坑较深,开挖面积大,采用人工开挖效率太低时,可采用机械和人工联合开挖,但必须遵循如下原则∶

(1)不可对设计桩顶标高以下的桩体产生损害;

(2)对中、高灵敏性土,应尽量避免扰动桩间土。对于这两点,关键在于要留置足够的人工开挖厚度。

采用机械、人工联合开挖,人工开挖厚度留置多少,与桩体强度和土质条件等有关,建议对

不同的场地条件应通过现场试验确定。但人工开挖留置厚度一般不宜小于 50cm。

基槽开挖至设计标高后,多余的桩头需要剔除,剔除桩头时宜采取如下槽施。

(1)找出桩顶标高位置;

(2)用钢钎等工具沿桩周向桩心逐次剔除多余的桩头直到设计桩顶标高,并把桩顶找平;

(3)不可用重锤或重物横向击打桩体;

(4)桩头剔至设计标高处,桩顶表面不可出现斜平面。

如果在基槽开挖和剔除桩头时造成桩体断至桩顶设计标高以下,必须采取补救措施。假如断裂面距桩顶标高不深,可用 C20 豆石混凝土接桩至设计桩顶标高,方法如图8.4.5所示。注意在接桩头过程中保护好桩间土。

(五)冬季施工

冬季施工时,应采取措施避免混合料在初凝前遭到冻结,保证混合料入孔温度大于5℃,根据材料加热的难易程度,一般优先加热拌和用水,其次是砂和石。混合料温度不宜过高,以免造成混合料假凝无法正常泵送施工。泵头管线也应采取保温措施。施工完清除保护十层和桩头后,应立即对桩间土和桩头采用草帘等保温材料进行覆盖,以防止桩间土冻胀而造成桩体拉断。

(六)褥垫层铺设

褥垫层所用材料多为粗砂、中砂、级配砂石、碎石等,碎石粒径宜为8-20mm.最大粒径不宜大于30mm;不宜选用卵石。当基础底面桩间土含水量较大时,应进行试验确定是否采用动力夯实法,避免桩间土承载力下降。对较于的砂石材料,虚铺后可适当洒水进行碾压或夯实。

褥垫层厚度一般15~30cm,由设计给定。

桩头处理后,桩间土和桩头处在同一平面,褥垫层虚铺厚度按下式控制

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四、施工中常见的问题及处理措施

(一)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士。

需要着重指出的是,土的密实度对土的挤密性影响很大。众所周知,密实的砂土、粉土会振松;松散的砂土、粉土可以挤密。因此,讨论土的挤密性时,一定要考虑加固前土的密实度。

对密实砂层和遇硬土层的情况,不宜用振动沉管法成桩,应改用其他成桩方法。

例如,盘锦地区某工程为粉质粘土,天然地基承载力为 200kPa,勘察部门误认为只有120kPa,设计要求为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150kPa。为考察加固效果,在拟建场地之外补做了6组天然地基静载试验。证实天然地基承载力为 205kPa(6组试验平均值)。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,承载力下降25%。

对饱和软土,特别是塑性指数较高的软土,振动将引起土孔隙水压力上升、土的强度降低;振动历时越长,对土和已打桩的不利影响越严重。在软土地区施工时,采用静压振拔技术对保证施工质量是有益的。

所谓静压振拔是说沉管时不启动马达,借助桩机自身的重量,将沉管沉至预定标高,填满料后再启动马达振动拔管。

(二))缩颈和断桩

在饱和软土中成桩,桩机的振动力较小,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,即,使得已打桩被挤扁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,已打桩有时被震裂,且裂缝一般与桩轴线成0~30°角。

为避免此类现象的发生,无论是在饱和软土中成桩还是在上部有较硬的土层或中间夹有硬土层的地基中成桩,均需根据施工中的注意事项选择合适的成桩顺序,并根据土层情况选用较为适宜的施工工艺和设备。

(三)桩体强度不均匀

桩机卷扬系统提升沉管线速度太快时,若采用控制平均速度为1.5m/rnin,一般采用提升一段距离,停下留振—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,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。

在施工过程中,要严格控制拔管速度在 1.2~1.5m/min,并始终保持速度均匀一致,并很好地控制留振时间。

(四)桩顶上升量较大

对重要工程或通过施工监测发现桩顶上升量较大,并且桩的数量较多时,可以逐个桩快速静压以消除可能出现的断桩对复合地基承载力造成不良影响。这一技术称为逐桩静压。逐桩静压技术在沿海一带广泛采用,当地称之为"跑桩"。

静压桩机就是打桩的沉管机,在沉管机桩架上配适量压重。配重的大小按可施于桩的压力不小于1.2倍桩的设计荷载为准,当桩身达到一定强度后即可进行逐桩静压,每个桩的静压时间一般为3min。

静压桩的目的在于将可能发生已脱开的断桩接起来.使之能正常传递垂直荷载。这一技术对保证复合地基桩能正常工作和发现桩的施工质量问题是有意义的。

不是所有的工程必须逐桩静压,通过严格的施工监测和施工质量控制,施工质量确有保证时可以不进行逐桩静压。

此外。静压荷重也不一定都要1.2倍桩承载力.要视具体情况而定;中国建筑科学研究院

地基所采用小吨位"跑桩"也很成功。

(五)土料混合

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。

若采用反插的办法,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。