振动沉管CFG桩施工工艺

CFG桩复合地基施工方法之一——振动沉管CFG桩

复合地基是天然地基中设置一定比例的增强体，并由原土和增强体共同承担由基础传来的建筑物荷载。这样一种人工地基称为复合地基。

增强体是由强度和模量相对原地基土高的材料组成，习惯上将纵向增强体称作桩。例如碎石组成的纵向增强体叫碎石桩；由水泥和土搅拌形成的纵向增强体叫水泥土桩；由水泥、粉煤灰、碎石组成的纵向增强体叫水泥粉煤灰碎石桩。

水泥粉煤灰碎石桩(cement．flyash．gravel pile简称CFG桩)是由碎石、石屑、砂和粉煤灰掺适量水泥加水拌和，用各种成桩机械在地基中制成的强度等级为C5-C25的桩。亦即这种处理方法是通过在碎石桩体中添加以水泥为主的胶结材料，添加粉煤灰是为增加混合料的和易性并有低强度等级水泥的作用，同时还添加适量的石眉以改善级配，使桩体获得胶结强度并使散体转化为具有某些柔性桩或刚性桩特点的高粘结强度桩，由CFG桩、桩间土和褥挚层一起构成复合地基，如图1所示。

图1 CFG桩复合地基示意图

1

CFG桩复合地基成套技术，是在20世纪80年代由中国建筑科学研究院地基所立题开始试验研究而开发的一项新的地基加固技术，经过十多年的研究和推广应用，使其在我国的基本建设中起到了非常重要的作用，该技术已在全国23个省、市广泛推广应用，据不完全统计，该技术已在上千个工程中应用。CFG桩复合地基技术从最初应用于多层建筑发展到广泛应用于高层和超高层建筑地基处理，并成为某些地区应用最普遍的地基处理方法之一，就目前掌握的资料，CFG桩可加固从多层建筑到30层以下的高层建筑，从民用建筑到工业厂房均可使用。就工程类型而言，有工业与民用建筑，也有高耸构筑物，有多层建筑，也有高层建筑；结构型式有砖混结构、框架结构、剪力墙结构，也有外框内筒结构；基础形式有条形基础、独立基础也有箱基和筏基；有滨海一带的软土，也有承载力在200kPa左右的较好的土。

大量工程实践表明，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。了解CFG桩施工技术的发展、不同工艺的特点，可使设计人员对CFG桩施工工艺有一个较全面的认识，便于在方案选择、设计参数的确定以及施工措施上考虑得更加全面。

CFG桩复合地基于1988年提出并用于工程实践，首先选用的是振动沉管 CFG桩施工工艺，是由于当时振动沉管打桩机在我国拥有量最多，分布的地区也最普遍。

振动沉管CFG桩施工工艺属于挤土成桩工艺，适用于粘性土、粉土、素填土，软土地基应通过现场试验确定其适用性。它具有施工操作简便、施工费用较低、对桩间土的挤密效应显著等优点。采用振动沉管 CFG桩施工工艺施工的 CFG桩复合地基可以提高地基承载力、减少地基变形以及消除地基液化，先后应用于南京造纸厂轻涂胶印车间、浦镇车辆厂住宅楼、蓟县电厂冷却塔、山东省德州地区医药管理局综合住宅楼等千余栋多层、高层建筑及工业厂房的地基处理工程。振动沉管CFG桩施工工艺为CFG桩复合地基的发展

2

和推广应用起到了十分重要的作用。到目前，该工艺依然是CFG桩主要施工方法之一，主要应用于地基处理要求对土质具有挤密作用或预震作用的工程，空旷地区或施工场地周围没有管线、精密设备以及不存在扰民的地基处理工程。

众所周知，振动沉管打桩机成桩也有其缺点，施工时控制不好，可能会发生缩颈和断桩。据统计，振动沉管施打的灌注桩事故率高达25％，为了解决振动沉管打桩机施工可能产生的质量问题，1988N1992年中国建筑科学研究院承担并完成了建设部下达的CFG桩成桩工艺试验研究专题。对诸如拔管速度、合理桩距、施打顺序、混合料坍落度、保护桩长、褥垫层铺设以及如何进行施工监测等进行了试验研究，取得了可喜的研究成果，对CFG桩复合地基成套技术在全国的推广起到了重要作用。下面主要介绍振动沉管CFG桩的的施工工艺。

1 施工设备

打桩时用的钢筋混凝土预制桩尖和钢制活瓣桩尖。国产振动沉管机，使用得比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，入下图所示。

3

2 施工顺序

2.1施工准备

施工前应具备下列资料和条件：

1）建筑物场地工程地质勘察报告；

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

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。

施工技术措施包括以下内容：

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）试成孔应不少于两个，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。

4）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：

5）确定施打顺序。

6）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。

7）振动沉管机沉管表面应有明显的进尺标记，并以米为单位。

2.2 CFG桩施工

1）桩机进人现场，根据设计桩长、沉管人土深度确定机架高度和沉管长度，并进行设

5

备组装。

2）桩机就位，调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于l％。

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lin记录电流表上的电流一次，并对土层变化处予以说明。

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lmin，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3～5。m控制，成桩后浮浆厚度以不超过20。m为宜。

6）启动马达，留振5～10s，开始拔管，技管速率一般为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，拔管速率还应放慢。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。

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，一般一个台班做一组（3块）， 试块尺寸为15cm×15cm ×15cm，并测定28天抗压强度。

3 施工中常见的几个问题

3.1施工扰动土的强度降低

6

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土。

需要着重指出的是，土的密实度对土的挤密性影响很大。我们知道，密实的砂土或粉土会振松；松散的砂土或粉土可振密。因此讨论土的挤密性时，一定要考虑加固前土的密实度。

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

3.2缩颈和断桩

在饱和软土中成桩，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，使得已打桩被挤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的土中成桩，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，已打桩有时被振裂，且裂缝一般与水平成0°～30°角。

7

3.3桩体强度不均匀

桩机卷扬系统提升沉管线速度太快时，为控制平均速度，一般采用提升一段距离，停下留振一段时间，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，都会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。

3.4桩料与土的混合

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。

4 施工工艺研究成果

4.1拔管速率

试验表明，拔管速率太快将造成桩径偏小或缩颈断桩。在南京浦镇车辆厂工地做了三种拔管速率的试验。

其一为1.2m/min，成桩投料量为1.8m3，成桩后挖开，测得桩径为38cm（沉管为377管）。

其二为2.5m/min，投人管内料亦为1.8m3，沉管拔出地面后，有大约0.2m3的混合

8

料被带到地表。开挖后测得桩径为36cm。

其三为0.8m/min，成桩后发现桩顶浮浆较多。

在蓟县电厂曾做了较长时间留振试验，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。大量工程实践得出的结论是，拔管速率为1.2～1.5 m/min是适宜的。

应该指出，这里说的拔管速率不是指平均速度。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。也可通过电动机一变速箱系统来实现。

4.2合理桩距

桩距的合理性在于桩、桩间土承载力能否很好地发挥，施工时新打桩对已打桩是否产生不良影响，经济上是否合理。

试验表明，其它条件相同时，桩距越小，复合地基承载力越大；当桩距小于4倍桩径后，随桩距的减少，复合地基承载力的增长率明显下降。从桩、土作用的发挥考虑，。以桩距大于4倍桩径为宜。

施工过程中，无论是振动沉管还是振动拔管，都将对周围土体产生扰动或挤密，振动的影响与土的性质密切相关，挤密效果一好的土，施工时振动可使土体密度增加，场地发生下沉；不可挤密的土则要发生地表隆起，桩距越小，隆起量越大，以至于使已’打的桩

9

产生缩预或断桩。桩距越大，施工质量越容易控制。但应针对不同的土性，分别加以考虑。

基础型式也是值得注意的一个因素，对一般单、双排布桩的条形基础，或面积不大而桩数不多的独立基础，桩距可适当取小一些；对满堂布桩而面积大的筏基、箱基以及多排布桩的条基，桩距应适当放大。

此外，地下水位高、土的渗透性差或土体密度大时，桩距也应用的大一些。

表1为振动沉管机施工的桩距选用表，可供设计参考。

表1 桩距选用表

当设计要求的承载力较高、桩距过大，不能满足承载力要求而必须缩小桩距时，可考虑采用螺旋钻孔机预钻孔的措施。引孔直径一般要小于沉管的外径，并视桩距和土性而定。

4.3施打顺序

在设计桩的施打顺序时，主要考虑新打桩对已打桩的影响。

10

施打顺序大体可分为两种类型，一是连续施打，如图2-（a）所示，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，也可隔多个桩打。如图2-（b）所示，先打1、3、5、…，后打2、4、6…。

图2 桩的施打顺序示意图

连续施打可能给桩造成的缺陷是桩被挤扁或缩颈。如果桩距不太小，混合料尚未初凝，连打一般较少会发生桩完全断开的情况＊

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，已打的桩可能发生被振裂或振断。

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的桩成为断桩。

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

11

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，亦可采用螺旋钻机预引孔的措施，以减少沉、拔管时对桩的振动力。

4.4混合料坍落度

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。坍落度控制在3～5cm，和易性很好，当拔管速率为1.2～1.5m/min时，一般桩顶浮浆可控制在10cm左右，成桩质量容易保证。

4.5保护桩长

所谓保护桩长是指成桩时预先设定加长的一段桩长，基础施工时将其凿掉。

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。

12

综上所述，保护桩长必须设置，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，上部再用粒状材料封顶，直到接近地表。

5 施工质量控制措施

5.1 施工前的工艺试验

施工前的工艺试验，主要是考查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，并需做如下两种观测：

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，比如饱和松散的粉土，打桩振动会引起地表的下沉，桩顶一般不会上升，断桩可能性小，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。

13

5.2 施工监测

信息施工能及时发现施工过程中的问题，可以使施工管理人员有根据地进行决策，对保证施工质量是至关重要的。

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，因为断桩常常和地表隆起相联系。

2）桩顶标高的观测。施工过程中要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或怀疑发生质量事故的桩要开挖查看。

5.3 逐桩静压

对重要工程或通过施工监测发现桩顶上升量较大，且桩的数量较多时，可采用逐个桩快速静压，以消除可能出现的断桩对复合地基承载力造成的不良影响。这一技术在沿海一带被广泛采用，当地称之为“跑桩”。

静压桩机就是用打桩的沉管机，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1.5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

14

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很有意义的。

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

此外，静压荷重不一定都用1.2倍桩承载力，要视具体情而定，中国建筑科学研究院地基所采用小吨位“跑桩”也很成功。

5.4 静压振拔技术

所谓静压振拔就是沉管时不启动马达，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。

对饱和软土，特别是塑性指数较高的软土，振动将引起土体孔隙水压力的上升，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。

15