复合地基加固处理原理及应用

余辉云

(中铁四局集团有限公司设计研究院,安徽 合肥 230023)

0 引 言

在天然地基加固改良处理中,通过部分置换使得土体强度、刚度提高,是复合地基的一种常用处理方法。经加固处理之后,天然地基与加固后复合地基共同承担荷载,从而间接提高了基础承载力。CFG桩是复合地基的一种,主要由粉煤灰、碎石及水泥混合制成。CFG桩是一种低强度混凝土桩,CFG桩充分利用桩间土的承载力共同作用,将荷载传递到深层地基中去,具有较好的技术性和经济性。[1,2]

1 复合地基的工作性能[3,4]

1.1 工作原理

褥垫层是CFG 复合地基的关键。建筑结构的基础,通过褥垫层联系桩与地基土,使得他们共同受力并共同承担荷载。复合地基桩示意图如图1所示。

图1 CFG桩复合地基示意

对于CFG 桩复合地基,褥垫层影响复合地基承载力及基础的沉降量。荷载作用下,地基可以在褥垫层中发生运动,可保证桩间土、桩体均能共同工作,而且承担的荷载可以保持近似平衡,地基中的应力状态也发生了改变,从而可以提供承载力,改善变形能力。

1.2 地基承载力标准值计算

地基承载力标准值可按下式计算:

(1)

式中:fspk为复合地基承载力标准值;pk为CFG桩单桩承载力标准值;Ap为CFG桩单桩截面面积;λ为边载修正系数,可取为1.0～1.2;α为桩间土强度提高系数;β为桩间土强度发挥系数,根据地区经验取值,无经验时可取为0.75～0.95;m为面积置换率;fk为天然地基承载力标准值。

2 项目概况

该项目为合肥市某住宅小区16#a、16#b楼,为一高层商住楼,16#a、16#b楼地上有32层,16#楼裙房1、2、3区为2层,地下1层,地上建筑面积为27 515 m2,地下建筑面积为1 832.5 m2,建筑高度为96.3 m,如图2所示。设计参数按照国家规范取值。

图2 底层建筑平面图

3 CFG桩加固处理

3.1 地质情况

层号岩土名称层厚/m描述一杂填土0.34～3.7—二黏土0～1.5承载力特征值为220 kPa三黏土0.45～4.5承载力特征值为270 kPa四黏土23～27承载力特征值为280 kPa五强风化泥质砂岩0.8～5承载力特征值为400 kPa

3.2 桩基设计

3.2.1 平面布置

16#a、16#b楼均为32层,为钢筋混凝土剪力墙结构,该结构带有2层裙房,且有一层地下室。基础形式为平板式筏板基础,具体结构布置如图3所示。根据结构分析计算,地基承载力需求为500 kPa。因裙房层数较低,荷载较小,地基承载力需求为250 kPa。

图3 基础平面布置图

3.2.2 技术方案

高层部分要求地基承载力为500 kPa,而根据勘探报告,第四层黏土承载力特征值为280 kPa,故不能满足高层部分的地基承载力要求。如果按照常规设计方案来选择基础,也可以实现,但工程造价较高。如果对地基进行处理,采用CFG桩,则可以有效降低造价,CFG桩布置如图4所示。桩的直径为400 mm,持力层为四层土,桩长为15 m。桩剖面图如图5所示。

图4 CFG桩平面布置图

图5 CFG桩剖面图

褥垫层的做法。本项目褥垫层使用的材料为硬质岩破碎碎石,直径为5～16 mm,整体褥垫层厚度为200 mm,且向基础外侧延伸,延伸的长度不小于200 mm,具体做法如图6所示。按照这个方案,计算分析结果显示,地基承载力特征值为600 kPa,符合设计要求。[5]

图6 坑井处褥垫层做法示意图

本项目基础采用筏板基础,C40混凝土,垫层厚度100 mm,C20垫层混凝土。整体筏板由5个部分组成,分别为高层底部筏板1、2,裙房底部筏板3、4、5。其中,筏板1、2放在复合地基上,筏板3、4、5放于第三黏土层上。[6]根据计算分析结果,符合承载力要求。

3.3 CFG桩工程施工

(1) 施工定位。首先进行放样,定位桩机,并调整好桩机高度。保证桩机的垂直度,控制好误差。

(2) 成孔要求。要求尽量不间断施工,钻孔达到设计深度之后,开始输送混合料,同时缓慢向上提升钻杆,控制好提升速度。

(3) 桩机移位。在两根桩施工期间,由于可能会有多余的土,因此需要复核桩位,以保证定位不发生偏差。

4 CFG桩复合地基变形计算与检测[7-9]

4.1 变形计算

计算公式如下:

(2)

式中:S为总沉降量;S1为加固区的变形;S2为下卧层的变形;P0为复合地基的压力荷载值;l为桩长;n为土层数;Esi为土的压缩模量。根据计算,总沉降量为30.1 mm。

4.2 变形观测

工程在施工和交付使用后的2年时间,对其进行了静载试验和沉降观测。根据检测报告,并参考16#a、16#b楼CFG桩有关试验分析,可以得出以下结论:

(1) 等到桩体满足设计要求的强度之后,采用随机的方法,任意抽取10根桩进行静载试验,承载力特征值为615 kPa,满足预期。

(2) 按照随机方法,任意抽取50根桩,进行检测,满足质量要求。

(3) 进行沉降观测[10]。对于本项目,观测时间约2年,安排测点20个,合计观测20次。从所有的观测数据中,随机抽取部分数据进行分析,分别计算沉降量有关数据,其相关曲线见图7～图9。

图7 各观测点沉降量随时间变化

图8 平均沉降量随时间变化

图9 倾斜度随时间变化

根据观测数据,并进行分析,累计最大、最小沉降量分别为28.9 mm、24 mm,符合要求。桩基沉降量随时间变化曲线呈S形。计算沉降量与实际观测沉降量比较,误差较小,本项目整体沉降差很小,采用复合地基,取得了良好的效果。

5 CFG桩应用常见问题及处理

5.1 堵管

导致堵管问题主要有以下几种原因:

(1) 混合料配合比不合理。主要是要加强对粉煤灰掺量的控制,一般控制在 70～90 kg/m3为宜,尽量避免使用石粉,避免影响混凝土的可泵性而造成堵管。

(2) 混合料搅拌质量有缺陷。 主要是要加强对混合拌料的坍落度进行控制, 确保混合料在输送管内的较好流动性,施工时坍落度一般控制在16～20 cm 为宜,可适当掺入泵送剂提高混合料可塑性。同时注意加强对大粒径碎石或片石的过滤,避免出现管线堵塞。

(3) 设备缺陷。如没有合理设置弯头曲率半径,导致弯头与钻杆之间发生堵管;或者是管接头不牢固、垫圈破损,导致水泥砂浆流失而造成堵管;或者是冬季施工防冻措施不到位,导致发生结冻堵管;或者是施工操作不当,导致堵管等。对此需要结合具体的堵管位置、问题进行分析,并采取相应的解决措施。

5.2 窜孔

窜孔现象主要发生在饱和细砂层、粉砂层中施工过程,土体受到扰动,从而发生液化现象。防止窜孔的方法主要有:

(1) 对有潜在窜孔问题的地基采取大桩距设计,降低新老桩体之间的干扰影响。

(2) 设备上对于钻头进行改进,加大钻孔速度;

(3) 缩减窜孔区打桩排数,尽量快速离开已打桩;

(4) 采用隔桩、隔排跳打设计,及时清除成桩弃土,以免对施工进度造成不良影响。

5.3 断桩

断桩的产生主要是在桩基施工过程中出现桩身裂缝,或者混合料搅拌时间不足,和易性较差而导致蜂窝麻面现象,抑或是土建施工机械挖基坑平整土方过程中被挖掘机和铲车碰断。对于浅部断桩需在剔除上部断桩之后采用和桩身相同混合料进行补桩至设计标高。对于出现的大范围断桩则应与设计、监理、建设等单位联合制定解决方案,在检验断桩对比完整性桩的基础上进行接桩或者补桩至设计标高。

6 CFG 桩复合地基的优越性

桩基础的形式有很多种,与其他桩基础相比较,CFG 桩复合地基除了工艺简单、污染较小,还有以下优点:

(1) 具有良好的适用性,而且能提高承载能力。CFG 桩能在多种地质条件下使用,经过地基处理之后,承载力可以提高5倍左右。

(2) 能够很好地控制变形。经过处理后的复合地基,其模量和刚度均有提高,因此能有效降低建筑物的沉降量。

(3) 能够综合性降低工程造价。CFG桩可以就地取材,缩短工程施工周期,而且无须配筋,所以能有效降低工程造价。

7 结束语

CFG桩在本项目中的使用,从检测结果的分析数据可表明,能够综合提高效率,降低成本,达到预期效果。随着我国高层建筑结构越来越多,这种桩基也会得到更加广泛的应用。