CFG桩复合地基施工技术在高层建筑中的应用

张小葱，姜晓艳

（江苏省南通三建集团有限公司北京分公司，北京 100195）

1 工程概况

1.1 设计概况

北京市地铁大兴线3#住宅楼等9项工程位于北京市大兴区康庄路南侧，枣园路北侧，兴华大街西侧。拟建建筑物为6栋住宅楼、燃气调压站、开闭所、车库配电室、送风机房、垃圾站和地下车库。住宅楼为地上36层，总高度为104.20m，为剪力墙结构，筏板基础及柱下独立基础；燃气调压站、车库配电室、送风机房和垃圾站为地上1层、开闭所为地上2层。除燃气调压站和开闭所以外均有地下车库为2层，基础深度约12.00m。总建筑面积214 894.21m2，其中地下建筑面积61 750.94m2，地上建筑面积153 143.27m2，框架/剪力墙结构。

1.2 工程地质情况

拟建场地地面比较平坦，地面高程39.88m～43.53m。地貌位置属永定河冲洪积扇的上部，主要是永定河的冲积、洪积物。在钻探所达50m深度范围内，场地地层由人工填土层、第四纪冲洪积层组成。

1.3 水文地质情况

本场地勘探深度范围内地下水为第四系孔隙潜水，地下水主要含水层为⑥层细砂和⑦层卵石，均属强透水性土层。地下水主要受大气降水及侧向径流补给。根据勘察报告，整个建筑场地潜水静止水位埋深为30.00m～31.00m之间，即标高12.00m～11.00m之间。根据调查资料地下水位年变幅为2.00m～3.00m。拟建场区近3～5年最高水位标高：据北京市有关地下水观测资料表明，潜水静止水位标高在16.00m上下，水位埋深约为26.00m。

2 方案选择

由工程地质剖面图可知主要地基持力层为细砂层④，其承载力特征值为250k Pa，结构要求基底压力630～710k Pa，天然地基的承载力不能满足设计要求。

综合以上工程地质、水文地质条件，并考虑设计要求，选择CFG桩复合地基处理方案（图1），采用长螺旋钻机成孔，压灌混凝土的工艺，槽底预留土50cm。在清除桩间土剔除桩头后铺30cm厚中粗砂或石屑褥垫层并夯实，要求褥垫层夯填度≤0.9。

CFG桩施工结束28天后，应进行复合地基静载试验。桩身抽取不少于10%的桩进行低应变动力，检测桩身的完整性。

图1 CFG桩剖面示意图

3 承载力计算

3.1 单桩承载力计算

选桩径400mm，桩端持力层3#楼选择卵石层⑤，其余楼座选择卵石层⑦，包括保护桩长0.5m。单桩承载力标准值Rk可按下式计算

式中 Rk——单桩承载力特征值（k N）；

qsi——第i层土侧摩阻力极限值(k Pa)；

qp—— 桩端极限阻力极限值（k Pa）；

Ap—— 单 桩 截 面 积 ,Ap=3.14×0.202

=0.1256m2；

Up——桩周长,Up=0.40×3.14=1.256m；

hi——第i层土层厚(m)；

k——安全系数，k取2.0。

经以上计算分析，3#楼Rk取790k N，设计桩长6.8m，4#楼Rk取1280k N，设计桩长14.4m，5#楼Rk取1130k N，设计桩长13.0m，6#楼Rk取1280k N，设计桩长16.1m，7#楼Rk取1200k N，设计桩长15.5m，8#楼Rk取1200k N，设计桩长13.7m。

3.2 复合地基承载力标准值确定

复合地基承载力特征值3#、5#楼fspk为710k Pa，4#、6# 楼 fspk为 630k Pa，7#、8#楼 fspk为 680k Pa。

3.3 置换率计算

由规范公式

取β＝0.90，faK=250k Pa，则可算出，3#楼置换率m＝0.0800，4#楼置换率m＝0.0406，5#楼置换率m＝0.0553，6#楼置换率m＝0.0406，7#楼置换率m＝0.0488，8#楼置换率m＝0.0488。

3.4 布桩方式确定

由m＝d2／de2，采用正方形布桩，则de＝1.13s，则3#楼桩间距s分别为1.25m×1.25m，4#楼桩间距s分别为1.75m×1.75m，5#楼桩间距s分别为1.50m×1.50m，6#楼桩间距s分别为1.75m×1.75m，7#楼桩间距s分别为1.60m×1.60m，8#楼桩间距s分别为1.60m×1.60m。

3.5 桩体强度设计

3.6 最终沉降量计算

按规范公式进行分层计算，采用公式

经计算，最终沉降量均满足规范要求。

4 施工准备

4.1 主要设备机具准备

表1 主要施工机具一览表

4.2 技术准备

施工前各项准备工作如图2所示。

5 施工工艺

图2 施工前各项准备工作图

采用长螺旋钻机成孔、管中心压灌超流态混凝土施工工艺。施工严格遵循《建筑地基处理技术规范》、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》及有关国家其他规定。施工工艺流程如图3所示。

5.1 工艺要点

5.1.1 桩位放点

按照地基处理图设计的桩位、间距、数量，从已定好的2个轴线控制点引放定出每一个桩的桩位点，并撒白灰作好标识；经监理验线合格后进行下道工序。桩位放线偏差群桩20mm；单排桩10mm（图4）。

5.1.2 混凝土搅拌

根据设计好的配合比，保证混凝土的实测坍落度为160～200mm。

5.1.3 钻机就位及成孔

1）将长螺旋钻就位，调整钻机水平并固定，专人检查将钻头锥尖对准桩位中心点；长螺旋钻机就位后，司钻人员根据钻机架上的铅锤调节钻机垂直度，确保垂直度偏差≤1%。

2）全部调整到位后，开始钻孔（图5），在钻机架上预先做好深度标记，利用深度标记进行成孔深度控制，并由电流表的数值判断是否进入碎石层。在施工过程中，采用双控标准控制孔深，既满足有效桩长又保证桩端进入碎石层≥500mm。

图3 施工工艺流程图

图4 CFG桩位平面布置图

图5 钻孔图

3）在大面积施工前，首先进行试桩工作，共试验3根桩，由此取得成桩的必需参数（提升速度、混凝土灌注速度、灌注量等），确定出成桩的顺序为：对称、间隔、邻排斜向挑打，严禁从一端开始按顺序逐个施工。

4）拔管、压灌混凝土成桩：长螺旋钻机钻至设计深度且等钻杆中孔灌满混凝土后，开始提升钻杆、压灌混凝土（图6）。

图6 拔管、压灌混凝土成桩图

5）一边泵送C20混凝土，一边拔管。设专人指挥协调钻机操作手和混凝土泵操作手保证泵送混凝土和提升钻杆的默契配合，以确保成桩质量。在正常情况下，钻机的提升速度≤1.0～1.5m/m in，在含水砂层段内，适当放慢提钻速度，以防流沙造成塌孔、断桩现象。

6）提钻的速率与混合料的泵送速率相协调，保证钻杆孔内混凝土表面高度始终略高于钻杆底出料口，直至压灌到场地地面为止（图7）。

图7 压灌到地面修平后图

5.1.4 混凝土输送量控制

桩顶与施工作业面平齐，桩顶浮浆厚度≤200mm。确保设计桩顶标高内无浮浆。

5.1.5 检 测

CFG桩施工完，桩体强度达到设计值后，由检测单位进行选桩、检测。

1）静载荷检测 由资质齐全的检测单位现场任意选取1%且不少于3根桩做静载试验。

2）桩身完整性动测（低应变） 由专业检测单位现场任意选取桩的10%做桩身完整性检测。

5.2 混凝土的输送

1）混凝土地泵的安放位置应与钻机的施工顺序相配合，尽量减少弯道，混凝土泵与钻机的距离一般在60m以内为宜。

2）混凝土泵送尽可能连续进行，当钻机移位时，地泵料斗内的混凝土应连续搅拌，泵送混凝土（图8）时，应保持料斗内混凝土的高度，不得低于40cm，以防吸进空气造成堵管。

图8 混凝土泵送图

3）混凝土的泵送管尽可能保持水平，长距离泵送时，泵管下面应用垫木垫实。当泵管向下倾斜时，应避免角度大于4°，以免造成泵送混凝土堵管。

5.3 清桩间土、凿桩头

1）采用挖掘机清运弃土，挖掘机进入处理范围内禁止在打桩工作面行走，行走时还必须用打桩弃土在打桩工作面再铺垫层，其垫层面到桩顶不得小于1m。挖掘机工作时需严格控制标高，防止挖断工程桩和扰动打桩工作面以下的保护土层。不可对设计桩顶标高以下的桩体产生损害，不可扰动桩间土，不可破坏工作面的未施工的桩位。

2）根据水准仪找出桩顶标高位置，在同一水平面3个方向用电锯进行切割，然后用大锤进行击打。

5.4 砂石褥垫层施工

1）四方验槽合格后，铺设300厚砂石褥垫层（图9、图10），砂石配合比以试验室配合比为准。

图9 砂石褥垫层施工

2）褥垫层铺设范围为：底板垫层外边缘外扩300mm。

3）先虚铺配好的砂石料约320mm，用平板振捣器振实2～3遍，振实后厚度为300mm。

6 施工关键技术措施

6.1 桩位放样

根据桩位图及甲方提供的轴线基准点放桩位，检查无误并预检合格后用钢钎打深30～50cm孔并注入白灰粉插入筷子标记保护桩点；如施工场地较软，插入50～80cm钢筋以保护桩点不偏移。

6.2 材料管理

每台钻机每天（不超过100m3）留一组28d标准养护试块和一组同条件试块，要求有见证取样100%。

6.3 成 孔

钻机就位后，下钻杆，看钻杆中心是否对准孔中心，如正好，则用“双锤法”找平钻机；如地面较软，就用枕木垫钻机，确保钻机在钻孔过程中不出现偏斜现象，垂直度偏差不大于1.0%。

6.4 压灌成桩

成桩要求严格控制桩径、垂直度、桩长、拔管速度，控制保护桩长。

泵送砼：泵送砼之前，应检查地泵的各个仪表，以确保地泵正常工作；第一根桩或停钻时间较长时，应泵送水泥砂浆湿润泵管，以防堵管。

提钻与泵送的配合：每次钻进至标高后，司钻应先将钻具提升约20～30cm，以利于活门打开。同时通知泵工开泵，现场设专职信号员负责司钻与泵工之间的联系。

应准确掌握提拔钻杆时间，混合料泵送量应与拔管速度相匹配，每分钟提钻不大于5m，确保钻头埋在混凝土面以下50cm左右，以防断桩。遇到饱和砂土或饱和粉土层，不得停泵待料。

泵送过程中如达不到设计标高时应及时处理，如砼面已超出地下水位，再采取从孔口补灌的方法；如砼面低于地下水位，在补灌时泵送管应插入砼面下50cm确保不断。

做好施工记录，成桩后再按施工记录进行复验，防止漏桩。

6.5 清 土

由小挖掘机挖土预留5～10cm，再由人工挖除，以防扰动槽底。剔桩头前清土至设计标高，用小翻斗车或装载机将土清运至坡道边指定地点。

6.6 剔凿桩头及铺设褥垫层

CFG桩为素混凝土桩，故在处理桩头时全部由人工采用圆盘锯和钢钎凿除，避免出现不必要的断桩，剔桩头及铺设褥垫层严格按技术交底进行，待试桩和验槽合格后，中粗砂或级配砂石褥垫层采用人工铺设，铺设完毕后用平板振捣器震动密实，垫层夯填度≤0.90。

6.7 堵 管

在CFG桩施工过程中，常发生堵管现象，这样不仅浪费材料，而且增加工人劳动强度，耽搁工期。原因主要是混凝土发生泌水离析。处理措施是严格控制水灰比，搅拌时间及CFG混合料在输送泵和输送管中的停留时间，此外还有如下几点。

1)石粒径大，水泥结块。处理措施是严格进料控制。并在混凝土输送泵上加盖铁篱，并控制铁篱孔径。

2)弯管处选用了小直径异径接头。应避免大小头接口，并及时清除异径接头处残余物。

3)地下水影响。施工不当时，易产生地下水涌入，砂石回灌形成“石桥”而堵管。应先送料到管口，然后提钻打开料口，下料。

4) 温度影响。由于输送管直径较小，当温度较高或较低时，混凝土易结块而堵管，并影响桩体质量。应用保温材料把输送管包好，尤其是钻杆上部弯管。

6.8 水葫芦缺陷桩

CFG桩在施工中易产生一些缺陷。如桩体的某个部位偏向四周的区域没有骨料，而是充满了水和粉煤灰，随时间的推移，粉煤灰沉积于空桩下部，形成“水葫芦缺陷桩”，处理措施是与混凝土供应单位协调沟通以保障混凝土的和易性，并控制提钻速度不大于5m/m in。

7 成品保护措施

1）CFG桩施工时，应调整好打桩顺序，以免桩机械碾压已施工完成的桩头。

2）CFG桩施工完毕后，待桩体达到一定强度后（一般为3～7d），方可进行开挖，采用小型机械和人工联合开挖，派专人指挥，保证铲斗离桩边应有一定的安全距离，同时避免扰动桩间土和对设计桩顶标高以下的桩体产生损害。

3）挖至设计标高后，应剔除多余的桩头，剔除桩头时应采取如下措施：找出桩顶标高位置，在同一水平面用切割机沿桩体切缝，缝深4～5cm，再按同一角度对称放置2个或4个钢钎，用大锤同时击打，将桩头截断，桩头截断后，再用钢钎、手锤等工具沿桩周向桩心逐渐剔除多余的桩头，直至设计桩顶标高，并在桩顶找平；不可用重锤或重物横向击打桩体；桩头剔至设计标高，桩顶表面应凿至平整；桩头剔至设计标高以下时，必须采取补救措施。如断裂面距桩顶标高不深，可接桩至设计标高，同时保护好桩间土不受扰动。

4）保护土层和桩头清除至设计标高后，应尽快进行褥垫层的施工，以防桩间土被扰动。

8 结 语

通过本工程实例可以看出，高层建筑采用长螺旋钻机成孔压灌混凝土（CFG桩）复合地基施工技术时，一方面要根据场地工程地质条件，对存在湿性陷黄土地基、软塑、流塑状态的地基土不宜采用CFG桩，另一方面在承载力满足上部荷载的同时，还要考虑地基变形是否满足要求，即通过桩长来控制变形量。

CFG桩复合地基承载力主要由桩来承担，但要使应力在桩与桩之间合理分配。因此设计时桩身混凝土强度等级不宜太高，一般不要超过C20，桩顶和基础之间的褥垫层应根据桩径和桩间距大小确定。施工时必须要保证成桩质量，且在清除桩间土时，尽量避免机械对桩身的碰撞，防止人为造成断桩。

本工程采用CFG桩可以使复合地基承载力得到大幅度的提高，地基变形得以降低和控制。褥垫层对提高复合地基承载力具有重要意义，所以必须合理选择褥垫层的材质和厚度，CFG桩具有承载力高，稳定性快，变形小，施工易保证等优点，况且工程造价为一般桩基的50%左右，经济效益和社会效益十分显著，具有较大的应用价值。 O

[1] JGJ-79 2012，建筑地基处理技术规范[S].

[2] GB50202-2002，建筑地基基础工程施工质量验收规范[S]．

[3] 叶书灵．地基处理实例应用手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1998.

[4] 史佩东．实用桩基手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[5] 闫明礼，张东刚．CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2001.