CFG樁斷樁分析與處理措施探討

彭 第,潘殿琦,張海云

(1.吉林大學建設工程學院,吉林長春 130026;2.長春工程學院巖土工程研究所,吉林長春 130021;3.吉林省建筑科學研究設計院,吉林長春 130011)

CFG樁斷樁分析與處理措施探討

彭 第1,2,潘殿琦2,張海云3

(1.吉林大學建設工程學院,吉林長春 130026;2.長春工程學院巖土工程研究所,吉林長春 130021;3.吉林省建筑科學研究設計院,吉林長春 130011)

結(jié)合工程實例,從成樁施工工藝、施工技術參數(shù)與截樁工藝等方面分析了 CFG樁施工時斷樁的原因,提出了接樁法、注漿法和 2種斷樁處理措施。

CFG樁;斷樁;接樁;注漿

0 引言

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁 (Cement Fly2ash Gravel Pile),它是目前廣泛應用的一種地基處理方法,與樁基礎相比,其工程造價約為樁基礎的 1/3～1/2,無泥漿污染,且工期相對較短,因此 CFG樁在全國 23個省、市廣泛推廣應用,如北京、河北地區(qū)近千棟高層均采用了 CFG樁復合地基處理,其中絕大多數(shù)為 20～35層。CFG樁目前已成為北京及周邊地區(qū)應用最普遍的地基處理技術之一[1～4]。

斷樁是時下 CFG樁施工中比較常見的工程問題。CFG樁屬于隱蔽工程,施工工序較多,其主要工序的施工過程都在地下及水下進行,不便監(jiān)視。影響 CFG施工質(zhì)量的因素很多,如地質(zhì)因素、成樁工藝、混合料的配制、灌注等難以全部預見。斷樁勢必影響 CFG樁復合地基的加固效果,嚴重時達不到設計要求,需要二次處理,給建設單位和生產(chǎn)單位造成巨大的經(jīng)濟和聲譽損失。本文結(jié)合工程實例對CFG樁斷樁問題和斷樁后的處理措施做一些分析探討,以對 CFG樁復合地基設計和施工提供參考。

1 CFG樁斷樁原因分析

造成 CFG樁斷樁的原因有很多,總結(jié)起來形成斷樁的主要因素有成樁施工工藝、特殊地層、后續(xù)工序管理、布樁方案、技術水平和混合料質(zhì)量等等[5]。

1.1 成樁施工工藝

目前 CFG樁成樁有如下施工方法:振動沉管灌注成樁、長螺旋鉆孔孔內(nèi)泵壓成樁、長螺旋鉆干成孔灌注成樁、人工洛陽鏟或機械成孔灌注成樁、泥漿護壁鉆孔灌注成樁[1]。目前常用的成樁方式為前 3種,其中振動沉管灌注成樁為擠土成樁工藝,長螺旋鉆孔孔內(nèi)泵壓成樁和長螺旋鉆干成孔灌注成樁為非擠土成樁工藝。

1.1.1 若采用振動沉管灌注成樁

施工過程中樁機的振動勢必會對周圍土體產(chǎn)生擾動或擠密,沉管時將對鄰近樁的擠壓作用,沉管時形成的水平力對鄰樁產(chǎn)生剪應力,尤其是軟硬土層界面處產(chǎn)生的剪力,極易使混合料強度不高的樁身被剪斷[6]。同時大量樁身混合料嵌入土體,引起土體的橫向擠壓,使新施工的樁體產(chǎn)生向上拉應力,由于樁體材料凝結(jié)時間短,強度相對較低,當拉應力大于混合料抗拉強度時,樁體會產(chǎn)生環(huán)向裂縫甚至斷裂。采用間隔跳打工藝,若已打樁結(jié)硬強度不太高,在中間補打新樁時,已打樁也有時被振裂,且裂縫一般與水平成 0°～30°角。據(jù)統(tǒng)計,振動沉管打樁機灌注成樁的施工工藝一般情況下的斷樁率在 10%～25%[1]。天津市漢沽區(qū)某建筑物 CFG樁復合地基處理,采用振動沉管灌注成樁,除少數(shù)邊樁和最后施工的樁外,大部分樁斷裂,斷裂位置在 1～4 m處[5]。

1.1.2 若采用長螺旋鉆孔孔內(nèi)泵壓成樁

在飽和軟土中成樁易出現(xiàn)縮徑和斷樁;在飽和軟土中長螺旋灌注成樁造成縮徑和斷樁的原因是長螺旋鉆進過程中,鉆桿和鉆頭不斷給樁間飽和土層施加循環(huán)動載荷,飽和土層在這種動載荷作用下,土粒相互滑移,土骨架收縮,瞬態(tài)振動下孔隙水壓力來不及消散,致使孔隙水壓力增大,有效應力減小,土體強度也隨之降低。當孔隙水壓力上升到接近或等于有效圍壓力,土體強度幾乎等于零,性狀類似于液體的液化土層將連通已打樁和正在施工中的樁孔,在這種U形管效應的作用下,已打樁中未及初凝的砼在壓力差作用下流向未成樁的樁孔,造成已打樁砼面突然下降,形成串孔[14]。另外,在連打作業(yè)中如泵送砼時壓力過大,已打鄰樁被擠壓造成縮徑或斷樁[4]。

北京市朝陽區(qū)某城市花園一期工程 B區(qū)住宅樓呈矩形錯落排列,地上 23層,地下 2層,建筑高度67 m,基礎埋深 -9.00 m,現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu),箱形或筏板基礎。經(jīng)巖土工程勘察,地表以下35 m內(nèi)自上而下可分為 10層,第①、②層為人工填土層,第③層為第四系一般沖擊層,第⑥、⑨層為第四系一般靜水沖擊層,其它為第四系一般沖擊沉積層,各層特征如表1所示。

表1 北京市朝陽區(qū)某城市花園地層情況

擬建場區(qū)有 2層地下水,一層為上層滯水,水位5.1～7.6 m,一層屬第四系潛水類型,初見地下水位埋深為 11.0 m,穩(wěn)定地下水位埋深為 10.20 m。經(jīng)水質(zhì)分析測試,擬建場區(qū)地下水在干濕交替環(huán)境下對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有腐蝕性。

設計要求CFG樁復合地基承載力≮480 kPa,樁徑 400 mm,樁長 15～16 m,樁端持力層為第⑧層粉細砂層。CFG樁呈正方形排列,樁間距 1.45 m× 1145 m,樁體混合料強度為 C20,坍落度 18～20 cm,褥墊層為 200 mm厚級配砂石墊層。成樁工藝為長螺旋鉆孔孔內(nèi)泵壓成樁。

CFG樁成樁 28 d后,采用低應變反射波法進行樁基完整性檢測,發(fā)現(xiàn)局部有斷樁現(xiàn)象,斷樁部位在樁深 2～2.5 m處,即第②2層粉砂層,為含水層。長螺旋孔內(nèi)泵壓混合料未初凝時,地下水向孔口方向涌水移動上升,帶出混合料中水泥漿,從而造成該處樁體斷樁,另一方面如樁體混合料存在空隙,則開始沿空隙滲流進入混合料中并匯集,造成混合料離析。

同時,由于該工藝 CFG樁混合料的坍落度較高(18～20 cm),長螺旋鉆進過程中,鉆頭和葉片不斷對飽和粉砂層擾動,導致液化。液化后的飽和粉砂層處于流動狀態(tài),抗剪強度幾乎為零。雖采取了“跳打”措施,但在相鄰樁混合料壓力差作用下,液化的粉砂層極易造成樁與樁之間串孔而斷樁[9]。

1.2 施工技術參數(shù)

1.2.1 長螺旋鉆孔孔內(nèi)泵壓成樁

采用長螺旋鉆孔孔內(nèi)泵壓成樁時,經(jīng)常由于施工技術參數(shù)設置不合理導致斷樁。如鄭州東區(qū)某長螺旋成孔 CFG樁復合地基工程由于以下施工技術參數(shù)不合理而導致斷樁[7]。

1.2.1.1 混合料的坍落度

管內(nèi)泵壓混合料粉煤灰摻量宜為 70～90 kg,坍落度應控制在 160～200 mm,坍落度太大,易造成泌水、離析,泵壓作用下,骨料與砂漿分離,導致堵管,坍落度太小時,混合料流動性差,也容易造成堵管;堵管進一步造成灌注中斷,降低泵送效率和泵送質(zhì)量,易引起斷樁。

1.2.1.2 提拔鉆桿時間和速度

鉆孔進入土層預定標高后,開始泵送混合料,管內(nèi)空氣從排氣閥排出,待鉆桿內(nèi)管及輸送軟、硬管內(nèi)混合料連續(xù)時提鉆。若提鉆較晚,在泵送壓力下鉆頭處的水泥漿液被擠出,容易造成管路堵塞。若在泵送混合料前提鉆,樁端處混合料易離析造成斷樁。

提鉆速度太快易造成樁徑偏小和斷樁,特別是在飽和的砂層和易塌陷的雜土層更為嚴重。

1.2.2 振動沉管成樁

當采用振動沉管成樁時,也會由于以下施工技術參數(shù)不合理而導致斷樁。

1.2.2.1 拔管速度

拔管過快,CFG混合料沒有充分振實,加之地基土回彈,可能造成斷樁,而且當拔管速度過快,管內(nèi)混合料量過少,混合料出管擴散性差或者混合料的和易性差時,也會造成縮徑;拔管過慢,使混合料在管內(nèi)振動時間過長而發(fā)熱,導致混合料初凝時間提前,管內(nèi)混凝土與沉管壁粘結(jié),上拔沉管時造成縮徑或斷樁。

1.2.2.2 沉管內(nèi)混合料柱壓力

沉管拔至距地面 2～3 m時,管內(nèi)混合料存留不多,壓力減小,加之地基土回彈,在距地面 2～3 m范圍內(nèi)最容易形成縮徑、斷徑。如某客運專線鐵路新建鐵路站路基段處于某剝蝕丘陵邊緣與海積平原區(qū),采用 CFG樁和土工格柵加固,采用振動沉管施工由于提管速度快而導致斷樁。

1.3 截樁工藝

一般 CFG樁成樁完畢 3天后,開始清運保護土層和剔鑿樁頭,目前的截樁工藝有:截樁機截樁、鋼釬雙向?qū)ΨQ同時擊入截樁、環(huán)向截樁法與風鎬截樁。鋼釬雙向?qū)ΨQ同時擊入截樁施工要求在樁的兩側(cè)對稱設置 2個擊入點,2個鋼釬對正擊入點用大錘同時擊打,直到樁頭被截除,然后用小鋼釬配合小錘修平樁頂面至設計標高。而工程中常見的錯誤做法有,一個鋼釬單向錘擊,鋼釬斜向錘擊,有時雖然同時錘擊但力量相差較大,甚至用挖掘機鏟斷樁頭,由于此時樁體材料尚未達到設計強度,樁周保護土層被擾動松散,樁頂約束條件差甚至自由裸露,從而造成樁身斷裂。山東某油罐工程 CFG樁復合地基工程截樁完畢后低應變測試發(fā)現(xiàn)全部近 2000根樁中有 72%發(fā)生斷裂,斷裂縱向位置在距有效樁頂向下1 m范圍內(nèi)的樁占全部樁數(shù)的 50%[8]。

2 斷樁處理措施

2.1 接樁法

斷樁位置距地面不深時,可采用接樁處理[10],接樁一般用人工挖孔至斷樁部位,取出斷裂樁頭后,將樁頂斷面修平、鑿毛,用水沖洗干凈,用與樁身材料和配比相同或高一級標號的混合料接至設計樁頂標高。做法如圖 1所示,當樁間土強度較好,取出樁頭后樁間土可直立時,a可取 0;當樁間土強度較低時,a可取 10 cm[5]。接樁處理工藝簡單,可操作性強。

圖1 接樁頭示意圖

前文所述北京市朝陽區(qū)某城市花園一期工程CFG斷樁即采用此方法處理,洛陽鏟成孔至斷樁部位,剔除已斷樁頭并鑿毛沖洗干凈,灌注同級別混合料。接樁完成后經(jīng)低應變檢測合格,承載力經(jīng)檢測后滿足設計要求。

當 CFG樁斷樁較深時,運用金剛石復合片(PDC)鉆頭破碎樁體,鉆至斷樁面以下一定位置,鉆孔直徑可以大于或等于 CFG樁直徑,然后沖洗干凈,重新灌注混合料,與下部樁體連接在一起,但這種方法施工一定要保證孔內(nèi)清理干凈。當 CFG樁斷樁位置處于樁底端時,甚至可以將 CFG樁樁體全部鉆掉,重新成樁。但此種處理費用相對較高。

2.2 注漿法

當斷樁位置較深時,還可采用注漿法處理。即用高壓注漿泵或大流量泵,沿注漿管或?qū)Ч芟驍鄻短幾⑷胨酀{,切割并沖洗斷樁部位未凝固的浮漿,并將其置換出樁身,用水泥漿固結(jié)斷樁部位。

施工工藝流程為:注漿孔布置和鉆孔→高壓水清孔→注漿管安裝和封孔→壓水試驗→制漿→注漿→達到設計預定注漿量和終壓[11～13]。

2.2.1 鉆孔

注漿孔鉆孔可采用小直徑地質(zhì)鉆機金剛石鉆進成孔,直徑 90～110 mm,鉆至斷樁處以下 50 cm。

2.2.2 注漿管安裝與封孔

注漿管下至孔底上部 0.2 m,孔口則高出樁頂0.8～1.2 m,如圖 2所示[11]。封孔從鉆孔孔口往下長度約 0.5 m,采用砼封孔,并在封孔前安裝排水管,與注漿管并排,長度 2.0 m即可,與注漿管同高,管口車絲,管底位于封孔砼以下 0.2～0.5 m,封孔砼的凝固時間≮24 h。

圖2 注漿孔中注漿管和排水管的安放

2.2.3 注漿

一般采用 2次注漿法的工藝進行注漿[11～13]。注漿漿液應采用 P.O42.5水泥,漿液水灰比一般控制在 0.5～1,漿液由稀逐漸變濃。

注漿法處理斷樁具有處理速度快、可操作性強、成本低、效果好等特點。武廣鐵路客運專線 DK1 372+550～886.36段巖溶注漿地區(qū) CFG樁施工,宋曉東等[15]提出了注漿法處理斷樁。

3 結(jié)語

(1)造成 CFG樁斷樁原因很多,本文從成樁施工工藝及施工技術參數(shù)分析了長螺旋成孔泵壓成樁與振動沉管成樁的斷樁原因,并分析了鋼釬截樁斷樁原因。

(2)CFG樁斷樁后,根據(jù)斷樁的深淺,可以采用接樁法和注漿法處理。斷樁較淺時,一般選用接樁法,斷樁較深時,可選用注漿法或鉆頭破碎樁體接樁。

[1] 閆明禮,張東剛.CFG樁復合地基與工程實踐 (第二版)[M].北京:中國水利水電出版社,2006.98-173.

[2] 趙秀紹,姚愛國,孫瑞民,等.CFG樁在飽和粉土施工中出現(xiàn)的主要問題分析與對策——以鄭東新區(qū)為例[J].工程勘察, 2006,(4):39-41.

[3] 賈立宏,王祥,胡恒.雙層土體中 CFG樁復合地基施工斷樁機理分析[A].龔曉南,俞建霖.2006地基處理理論與實踐——第九屆全國地基處理學術討論會論文集[C].浙江杭州:浙江大學出版社,2006.282-287.

[4] 許祿,曹國卿.長螺旋鉆孔在 CFG樁施工中存在的問題淺析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2004,31(4):22-23.

[5] 秦輝,佟建興.CFG樁斷樁分析及防治措施[A].滕延京.中國建筑學會地基基礎分會 2006年學術年會論文集地基基礎工程技術新進展[C].北京:知識產(chǎn)權(quán)出版社,2006.474-478.

[6] 史佩棟.樁基工程手冊[M].北京:人民交通出版社,2008.697 -705.

[7] 潘廣燦,張金來.鄭州某長螺旋成孔 CFG樁質(zhì)量事故原因分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2005,32(11):27-28.

[8] 秦立東.山東某油罐 CFG樁復合地基斷樁事故探討[J].施工技術,2002,(6):52.

[9] 余志強.新海城車站飽和砂層 CFG樁施工問題及處理[J].路基工程,2009,(3):175-176.

[10] 彭彥彬,屈彥玲.鉆孔灌注樁清孔技術及斷樁的預防和處理[J].鐵道建筑,2006,(7):42-43.

[11] 郭杰華,楊智軍.靜壓漿補強加固在某特大橋鉆孔灌注樁的運用[J].采礦技術,2009,(9):36-37.

[12] 陳再興.鉆孔灌注樁斷樁的旋噴和注漿聯(lián)合處理[J].水利科技,2008,(3):13-15.

[13] 鐘詠琴.壓力灌漿法在質(zhì)量問題樁補強中的有效應用[J].混凝土,2007,(8):105-107.

[14] 胡國祥,呂文軍.高靈敏土中 CFG樁復合地基剪切液化問題探討[J].煤田地質(zhì)與勘探,2006,34(1):62-63.

[15] 宋曉東,李冬立,聶志紅.巖溶地區(qū)CFG樁施工技術及質(zhì)量通病的防治[J].鐵道標準設計,2010,(1):50-51.

Analysis and D iscussion on Treat ment of CFG Broken Pile

PENG D i1,2,PAN D ian2qi2,ZHANG Hai2yun3(1.College of Construction Engineering,Jilin University,Changchun Jilin 130026,China;2.Institute of Geotechnical Engineering, Changchun Institute of Technology,Changchun Jilin 130021,China;3.Architectural Science Research and Design Institu2 te of Jilin Province,Changchun Jilin 130011,China)

Combined with the engineering example,analysis ismade on the reasons for pile breaking in CFG pile construc2 tion technology,technical parameters and cuttingpile technology.And the broken pile treatmentmeasures bypile extension and grouting are proposed.

CFG pile;broken pile;pile extension;grouting

TU473.1

A

1672-7428(2011)05-0049-04

2010-12-21;

2011-03-08

彭第(1982-),男(漢族),湖南湘陰人,吉林大學在讀博士,長春工程學院講師,地質(zhì)工程專業(yè),研究方向為地基處理與巖土工程注漿技術及注漿材料,吉林省長春市同志街 3066號長春工程學院,pengdi2010@sohu.com。