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离线王智明

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2011-03-01

CFG桩复合地基施工技术

闫明礼¹ 蔡晓鸿² 关伟兰³ 佟建兴¹

（1．中国建筑科学研究院地基所，北京 100013；2．北京建工集团总承包二部，北京 1000451；

3．北京五豪世纪建筑设计有限公司，北京 100036）

提要：本文给出了不同CFG桩施工工艺的适用地层条件；重点介绍了振动沉管CFG桩和长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩的施工技术要点；对清土、剔桩头过程中如何防止断桩和扰动桩间土等问题进行了讨论；对于长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩施工工艺中桩端虚土和窜孔问题，从产生机理上进行了分析，并给出了切实可行的解决办法。
关键词：CFG桩复合地基；施工技术；长螺旋钻机
中图分类号：TU472 文献标识码：A

Abstract：The paper presents appropriate stratum condition to various CFG pile construction. The technological points of twist boring concrete pumping piling and vibrator sunk CFG pile are emphatically recommended. The problems of how to avoid breaking pile and disturbing foundation soil during excavation and breaking butt are discussed. The issues on how to avoid producing weak soil under the end of pile and how to avoid concrete flowing between piles are recommended.
Key words：CFG pile composite foundation；construction technology；long twist drill

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1 前言

CFG桩复合地基技术已在全国广泛推广应用，但CFG桩施工在某些地区存在着一些不可忽视的问题，比如，长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，施工设备不具备排气装置，钻孔到预定标高后开始向管内泵料，钻杆中的空气排不出，导致桩体产生孔洞；又如，钻孔到预定标高后，怕钻头活门打不开，先提30～50cm再灌料，导致桩端有虚土、承载力偏低等等。需要指出的是，一些施工人员由于缺乏对这一技术的深入了解，甚至把先提30～50cm再灌料的错误施工方法作为经验来交流，以至于这种错误的施工方法在全国广泛流传。

为了更好地推广CFG桩复合地基技术，避免施工发生一些质量问题，根据多年对CFG桩施工工艺、施工设备的试验研究，特别是通过处理工程发生的一些事故，对CFG桩施工技术做了回顾和总结，归纳了CFG桩施工技术要点，供施工人员参考，并就其中的几个问题作一讨论。

2 CFG桩施工技术要点

2.1 CFG桩施工可根据现场条件选用下列施工工艺：

（1）长螺旋钻干成孔灌注成桩：

适用于地下水以上、提钻不塌孔的土层条件；

（2）长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩：

适用于粘性土、粉土、砂土、粒径不大于60mm、厚度不大于5m的卵石层（卵石含量不大于30％），以及对噪声和泥浆污染要求高的场地；

（3）振动沉管灌注成桩：

适用于粘性土、粉土、素填土，对夹有较厚卵石、砂和孔隙比小液性指数较低的粘土层无合理有效的辅助措施不宜采用，软土地基应通过现场试验确定其适用性；

（4）泥浆护壁钻孔灌注成桩：

对遇有较厚卵石、砂和孔隙比小液性指数较低的粘土层以及饱和软土，桩端持力层具有水头很高的承压水，长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩容易发生窜孔，对噪声污染要求严格的场地，不宜采用前述施工工艺时，可采用该工艺。
2.2  当采用挤土成桩工艺，新打桩对已打桩可能产生不良影响时，可选用非挤土成桩工艺，或挤土和非挤土成桩工艺联合使用的施工方案，挤土和非挤土成桩工艺联合施工时，宜先打挤土桩、后打非挤土桩；在有较厚软土的地基上施工时，混合料宜用低坍落度（3～5cm），以防止桩体自身塌落发生断桩；
2.3  通过试成桩检验地质条件是否与地质报告相符、复合地基设计参数是否合理，对发现的问题，及时向地基处理设计单位提出报告。
2.4  振动沉管CFG桩施工要点
（1）通过在桩机卷扬系统加动滑轮，调整拔管线速度控制在规范建议的范围（不是平均速度）；
（2）打桩前、打桩过程中监测地表标高，观测地表隆起或下沉量；
（3）通过试成桩，观测地面标高变化和测定新打桩对已打桩的影响（新打桩对未结硬的已打桩的影响；新打桩对已结硬的已打桩的影响），确定合理的施打顺序；
（4）软土中可采用静压振拔技术，沉管过程可不启动振动锤、静压沉管，减少对桩间土的扰动，拔管启锤使混合料振密；
（5）软土中可采用大直径予制桩尖，以获得较大的端阻力，而保持桩身混合料用量不变；
（6）经施工监测确认桩体断裂并脱开，应逐桩静压（跑桩）将脱开的上下桩接起来；
（7）拔管不宜长时间留振，防止粗骨料与水泥浆发生分离。
2.5  长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩施工要点：
（1）基础埋深较大时，宜在基坑开挖后的工作面上施工，工作面宜高出有效桩顶标高300～500mm，工作面为卵石和粗砂取小值，工作面土较软时应采取相应施工措施（铺碎石、垫钢板等），保证桩机正常施工。基坑较浅在地表打桩或部分开挖打桩空孔较长时，应加大保护桩长，并严格控制桩位偏差和垂直度；
（2）基坑降水应控制在标高最低的电梯井、集水坑底标高以下500～1000mm；
（3）软土地基中施工宜通过掺加减水剂、泵送剂制备泵送性能好坍落度较低的混合料，以防止桩体自身塌落发生断桩、或充盈系数过大。
（4）桩体混合料配比碎石最大粒径不宜大于25mm，粉煤灰选用Ⅱ级或Ⅲ级细灰，每立方米混合料掺量70～90kg为宜；
（5）桩端为饱和粉土、砂土和卵石层时，应选用下开式专利钻头（专利号ZL 00 2 63200.4），以防止钻头活门打不开、桩端有虚土不能发挥土的端阻；
（6）严禁先提钻后灌料；
（7）桩径为400mm时，提钻速度宜为2.5~3.5m/min，桩径增大钻头活门断面应相应增大，若桩径增大而钻头活门断面不变时应相应降低提钻速度；
（8）夹有松散饱和粉土、粉细砂的土层，成孔时在剪切荷载作用下，土体液化，导致刚打完处于流动状态桩的桩周土丧失对桩的侧向约束能力，桩体侧向澎出、桩顶下沉，产生窜孔，液化区域连成片甚至导致基坑失稳或周边建筑物倾斜开裂、道路破坏（例如，郑州地区、山东东营、菏泽地区），在这类地基上施工应采取如下措施：
（a）降饱和粉土、粉细砂中的水；
（b）采用小叶片螺旋钻杆成孔，减少剪切能积累并对桩间土具有挤密作用；
（c）合理设计施打顺序和控制日成桩数量，避免在某个区域产生成片的液化区，也可采用跳打等方法减少剪切能量的积累；
（d）快速钻进，减少剪切能量在可液化土层上的积累；
（e）选用下开式专利钻头，防止阀门打不开在同一桩位多次复钻；
（f）混合料尽量采用较小的坍落度；
（g）把施工因素作为基坑支护的设计条件；
（h）设计宜采用大桩距大桩长。
注：当上述措施仍无效时，可采用泥浆护壁钻孔灌注成桩工艺。
2.6  清土、剔桩头防断桩和防扰动桩间土措施
2.6.1  打桩弃土和预留保护土层可采用人工清除、或机械人工联合清除方案。当采用机械人工联合清除方案时：
（1）对基坑开挖后打桩的场地，采用人工预断桩、挖掘机清土，具体方法如下：
（a）成桩后混合料结硬前人工将有效桩顶标高200mm以上的桩体挖除，用水准仪严格控制挖除后的桩顶标高；
（b）全部桩施工完后，挖掘机自垫路（路面至挖除后桩顶的距离不小于1.5m，基底下土和弃土较软时取高值）进入现场清除现桩顶标高以上的土：
（c）人工清除余土至有效桩顶标高。
（2）在地表打桩后再进行基坑开挖的场地，由现场试挖确定预留人工开挖深度，以保证桩的断裂部位高于有效桩顶标高以上。
2.6.2  截桩头宜用无尺锯在有效桩顶标高处切深1～2cm的园环，再用两钢钎相对同时敲击断桩。
2.6.3  清土、截桩头后禁止对桩间土产生扰动的施工设备（如轮胎式运土车等）在施工场地内通行，防止产生“橡皮土”。
2.7  混合料试块的制作和现场养护
施工过程中，应随机选取具有代表性的混合料制作试块（边长为150mm的立方体）并捣实，送实验室前应在现场按标准养护条件对试样进行养护，特别在冬期，不得将试样随意放置在施工现场或工棚里，避免养护条件不标准导致试验结果不能反映桩体的真实强度。

3 几个问题的讨论

3.1 如何避免桩端产生虚土

长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩工艺的最大优点是桩端无虚土，这对提高桩的承载力和减少地基变形都是有利的。但施工操作不当，也会导致桩端产生虚土、桩无端阻。

桩端产生虚土的情况主要有两种，一是怕钻头活门打不开，先提30～50cm再灌料，使得叶片上的土可能落到孔底，严重影响桩端土端阻的发挥。

二是桩端为饱和粉土、砂土和卵石层时，水头较高或为承压水，采用侧开的常规钻头，阀门外的水压力大于钻杆管内混合料对阀门产生的侧压力，如图1所示。作用在阀门外的水压力为（水的侧压力系数为1）：

F₁＝γhA₁
式中，γ－水的容重；h－阀门外的水头高度，A₁－阀门水平向投影面积
管内混合料对阀门的水平力为：
F₂=K₀γ_cHA₂
式中，γ_c－管内混合料容重，H－管内混合料顶面至阀门中心的高度，K₀－混合料的侧压力系数（K₀<1）。尽管H>h、γ_c>γ，但A₁> A₂、K₀<1，当水头h有一定高度时，F₂< F₁，侧开式阀门打不开。随着钻杆提升，管外的水头高度h越来越小，F₁逐渐减小，当F₂> F₁，阀门打开，但此时大量虚土落在孔底，导致桩无端阻。

图1 侧开式常规钻头示意

为克服侧开式常规钻头的缺点，闫雪峰、赵风稳发明了下开式专利钻头（专利号ZL002 63200.4），这种钻头的特点是阀门下开，如图2所示，阀门上部受力为混合料的竖向压力 F₂=γ_cHA₂，下部受的水压力F₁＝γhA₁，由于F₂=γ_cHA₂式中不再出现小于1的侧压力系数K₀，通常为F₂> F₁，即不再发生阀门打不开的情况，避免了桩端产生虚土。

图2 下开式钻头示意

3.2 如何防止饱和粉土、粉细砂的剪切液化
在有松散饱和粉土、粉细砂的场地，采用长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩工艺，成孔时螺旋叶片对周边土产生扰动和剪切作用，当剪切作用累计到一定程度后，土体发生液化，导致刚打完处于流动状态桩的桩周土丧失对桩的侧向约束能力，桩体侧向澎出、桩顶下沉，产生窜孔，液化区域连成片甚至导致基坑失稳或周边建筑物倾斜开裂、道路破坏。
某工程，被加固地基为饱和粉土，采用CFG桩复合地基处理方案，基坑开挖后用长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩工艺施工，钻头为侧开式常规钻头，施工过程中经常发生钻头阀门打不开的情况，其中东北角靠近降水井的一根桩，因阀门打不开7次复钻，邻近的降水井抽出的水为含有大量粉土颗粒的混浊水，复钻成孔时钻杆在自重压力下非常容易地下到预定标高。这说明土体已经液化，土的抗剪强度趋近于0。由于在较多桩位发生上述问题，使液化土体连成片，最后导致基坑产生较大水平位移，地面出现裂缝。
在同一地区类似土层的场地，起初也是采用侧开式常规钻头，由于经常发生阀门打不开，48小时打了3根桩，后改用下开式专利钻头，不再出现阀门打不开的情况，施工顺利完成，没有出现因施工扰动导致基坑失稳的情况发生。
以上情况说明，选用下开式专利钻头，防止在同一桩位多次复钻，对提高施工效率和防止饱和粉土的剪切液化是有效的技术措施之一。
北京凤凰城B座^⑴，基础埋深7.6m，基底以下8～12m为饱和的砂质粉土④₁，采用CFG桩复合地基处理方案，桩长20.5m、桩径415mm，施工采用长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩工艺，试成桩按4排桩连续施打，当时选用的钻头存在缺陷，成孔进尺很慢，钻孔达设计标高需30～40min，由于钻进速度太慢，螺旋叶片对饱和粉土较长时间的剪切作用，饱和的砂质粉土④₁发生剪切液化，先打的处于流动状态的相邻桩桩顶下沉，即产生窜孔。
之后，更换钻头、并采用2排连续施打方案，控制在11min以内钻孔达设计标高，不再发生窜孔。这说明改4排连打为2排连打，和控制钻进速度（提钻一般为静拔，对桩间土不产生剪切作用），可以有效减少剪切能量在已打桩周围土体的积累，对防止饱和粉土、粉细砂的剪切液化是有效的。
此外，诸如降饱和粉土、粉细砂中的水、采用小叶片螺旋钻杆成孔、控制日成桩数量、混合料采用较小的坍落度和采用大桩距大桩长的设计参数都是可行的技术措施。
当上述措施仍无效时，可采用泥浆护壁钻孔灌注成桩工艺。

4 结语
长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，先提30～50cm再灌料是一种错误的施工方法，应严格禁止。下开式专利钻头可避免发生阀门打不开的情况发生。为防止施工发生质量问题，工程技术人员和监理工程师共同努力，尽快将CFG桩施工技术规范化。
其它一些施工技术问题将另文讨论。

参考文献
[1] 闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践（第二版）.中国水利水电出版社，2006.

作者简介：闫明礼（1942-），男（汉族），河北乐亭人，硕士，研究员，博士生导师
联系地址：北三环东路30号中国建研院地基所
电话：84271661（闫明礼），84270522（佟建兴）
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