基于承压水对CFG桩承载力的影响研究

2022-09-13 16:51 浏览量:931


文章摘自《工程勘察》

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基于承压水对 CFG 桩承载力的影响研究

冯科明 1,2 ,苏长龙 1,刘利锋 1


(1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司;2.城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室)

摘要:在北京,因建筑地基持力层承载力或变形满足不了设计要求时,设计常建议采用 CFG 桩复合地基进行地基处理。正常情况下,一般参考勘察报告成果,预估 CFG 桩的特征值进行设计。本项目考虑到桩长范围内存在承压水,无法预估承压水对 CFG 桩承载力的影响,故在同一场区进行了事前试桩,其结果与估算值有较大的偏差。在先后两次专家咨询的基础上,采用补勘、复压、人工挖探等辅助手段,并进行了原因分析,采取了针对性的措施,最终满足了设计要求。可供承压水地区 CFG 桩设计与施工人员参考。

关键词:承压水;CFG 桩;静载荷试验;对策

1     前言


在北京,高层、超高层建筑越来越多,当地基的承载力、变形、渗透性等满足不了设计要求的情况下,需要采取地基处理措施。现在普遍采用的地基处理措施,即 CFG 桩复合地基方案,其具有施工机具配套、施工效率高,施工工艺成熟,施工质量有保证,监测方法成熟、简便等优点。但是,当设计桩长范围内存在承压水,且不对地下水实施控制措施时,即成桩过程受到承压水影响时,采用CFG 桩复合地基处理地基方案要慎重。下面就以某工程案例来介绍一下承压水作用对 CFG 桩承载力的影响。

2     工程概况

2.1      建筑物概况

某地块拟建 9 栋建筑(地下 1-3 层,地上 15 层)及 1 座上部覆土 3 米的地下 2 层车库,因天然地基承载力满足不了设计要求,设计建议采用 CFG 桩复合地基处理。

2.2      工程地质条件

根据钻探野外描述、原位测试及室内土工试验结果,按岩性及工程特性将地层划分为6大层,自上而下分述如下:

黏质粉土-砂质粉土素填土:黄褐色,稍湿,松散。含植物根系。本层厚度为   0.40~1.00m,层底标高为 36.82~39.10m。

黏质粉土-砂质粉土:褐黄色,稍湿~湿,中密~密实。含云母及氧化铁条纹。夹粉质黏土-重粉质黏土②1 层,本大层厚度为 4.10~7.60m,层底标高为 31.13~33.80m。

黏质粉土-砂质粉土:灰色,局部褐黄色,稍湿~湿,中密~密实。夹粉质黏土1、、重粉质黏土-黏土2,本大层厚度为 3.00~5.80m,层底标高为 27.01~29.35m。

粉质黏土:褐黄色,局部灰色,很湿,可塑。夹黏质粉土-砂质粉土1 黏土2,本大层厚度为 4.30~ 7.90m,层底标高为 19.98~22.86m。

粉质黏土:褐黄色,很湿,可塑。夹黏质粉土-砂质粉土1、细中砂2、圆砾3、黏土-重粉质黏土4 层,本大层厚度为 6.40~10.60m,层底标高为 11.35~14.90m。

卵石:杂色,饱和,密实。一般粒径为 3~7cm,最大粒径约 14cm。充填约 35%~40%的黏性土及细砂。本层最大揭露厚度为 10.00m,层底标高低于为 11.46m。

2.3      水文地质条件

在勘探深度范围内观测到两层地下水: 第一层地下水类型为潜水, 稳定水位埋深为 12.10 ~ 13.00m,水位标高为 26.06~27.21 m;第二层地下水类型为承压水,水头埋深为 13.60~14.30 m,水头标高为 24.78~25.65m。

2.4      试桩

2.4.1      试桩目的

在本工程场地内进行试桩,其试验目的为:通过试桩来实测我们所怀疑的承压水对 CFG 成桩质量及其承载能力的影响,从而对施工图设计进行必要的调整。

    

 2.4.2      试桩依据 

1)   《建筑基桩检测技术规范》(JGJ  106-2014);

2)   《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012);

3)   业主及结构设计对试验的要求。

2.4.3     试桩数量

经与业主、结构设计、监理单位沟通达成一致意见,拟在工程场地内标高 36.66m 处做试桩,结合选择不同的桩端持力层,分别在 34#、51#勘察孔附近进行 2 组试桩,每组 3 根,要求进行低应变桩身完整性检测及单桩竖向静载荷试验。

2.4.4      试桩方案

试桩采用 C30 商品混凝土,桩径 400mm,桩长 18m;桩间距根据试验场地和堆载面积综合考虑,以不相互影响和干扰为止。

34#勘察孔桩端持力层为粘质粉土-砂质粉土1 层,根据《规范》推荐的公式,估算单桩承载力特征值为 634.4kN;51#勘察孔桩端持力层为粉质粘土层,根据《规范》推荐的公式,估算单桩承载力特征值为 635kN,建议试桩最大荷载按 3.2 倍进行加载控制。

成桩工艺采用长螺旋成孔中心压灌商品混凝土方案。

2.4.5     试桩检测

2.4.5.1低应变桩身完整性检测

其成果参见下图。

2.4.5.2       单桩静载荷试验

受篇幅限制,仅以某试桩为例,予以说明。

试验桩号:

测试日期: 09-23

桩长:18.5m

桩径:400mm

荷载(kN)

0

406

609

812

本级沉降(mm)

0.

3.29

18.07

71.16

累计沉降(mm)

0.

3.29

21.36

92.52

2.4.6      专家咨询

2.4.6.1       第一次咨询

10 月 28 日,召开了该项目 CFG 桩试桩结果专家咨询会。与会专家听取了项目 CFG 成桩工艺及桩试结果的汇报,质询了前期工作的主要事件及情况,提出以下意见:

1)  对桩身完整性进行复测,若完整性良好,建议对单桩承载力进行复压;

2)  在试桩旁选取 2~3  个钻孔进行补勘,验证勘察资料的准确性;

3)  根据复测情况,对  4#桩进行人工挖孔检查桩身质量;

4)  若无可靠依据,建议加大设计桩径,选择可靠的桩端持力层。

2.4.6.2     第二次咨询

       经历了上述三项工作以后,11 月 19 日,召开了该项目 CFG 桩试桩复压结果专家咨询会。与会专家取了该项目 CFG 桩施工、检测、补勘、复测、人工挖孔检查等情况汇报,进行深入的分析与探讨,初步判定承水对桩体承载力影响较大,最终形成专家意见如下:

      1)  采取地下水控制措施降低承压水头;

      2)  增加 CFG  桩设计桩长、桩径,建议取卵石层作为桩端持力层;

      3)  建议对承压水及高低差影响范围内的土层侧阻力进行适当折减。

3     原因分析及其对策

3.1      原因分析

      1)  承压水的“破坏”’作用

      有文献认为,在泵压混凝土未初凝时,由于承压水的作用,地下水向孔口方向涌水移动上升,带出混凝土中的水泥浆,从而影响成桩质量;也有文献认为,承压水在钻进地层的过程中,使得饱和的粉土、粉细砂发生液化,从而影响成桩质量。

笔者认为,由于施工揭穿承压水覆盖层,必然在强大的水头作用下,对地层原状结构产生破坏,甚至使粘性土、粉土及粉细砂持力层的端阻趋于零;同时,由于承压水沿着钻孔孔壁不断上升,及其钻具上提过程中产生的负压,导致地下水上升很高,甚至有时可见流出孔口,这样势必对侧壁黏性土层产生了需要很长时间才能恢复的泥皮,从而影响桩侧阻的发挥;当然,承压水上升过程中,必然会带走部分水泥浆甚至混凝土中的细颗粒,使得桩侧壁不能密贴桩侧土层,更导致桩侧阻受损,造成承载力的急剧降低。

2)  勘察、设计的预判性

没有考虑对参数进行折减,就难以达到《规范》推荐公式计算的预估值。遇有承压水存在时,一般有经验的勘察单位,会根据承压水的特性,提醒注意复合地基设计时,考虑承压水对 CFG 桩成桩的不利影响,有时候还会对提供给设计人员的侧阻及端阻参数进行相应的折减。

同样,设计人员也应该预判承压水对 CFG 桩的不利影响,设计时尽可能不揭穿承压水,将桩长设计短一些,密一些;当采用上述措施无法满足设计承载力或沉降要求时,可以找一个对承压水抗力较强的地层作为桩端持力层,如密实的卵石层,并对桩端阻力及桩侧阻力进行必要的折减。

3)  施工过程的控制

施工过程控制的好坏,也直接影响单桩承载力的发挥。由于成孔时间长,造成承压水减阻作用增加;或者灌注中存在停工待料;造成地下水上升侵蚀灌注的混凝土面层,造成离析甚至断桩;或者是操作不当,没有压灌到排气孔排出混凝土时就上提钻具,管内混凝土压不住承压水的压力,导致管内混凝土不能顺利排出,造成桩底“虚脱”。上述情况,都会影响到 CFG 桩的单桩承载力发挥。

3.2      对策

1、有条件时,可以采用泥浆护壁成孔水下灌混凝土工艺,成孔过程中消除了发生渗流的水力条件,成桩质量容易保证,从而确保单桩承载力满足设计要求;

2、成桩前采取地下水控制措施,减低承压水水头,减轻其对成桩的影响,确保单桩承载力满足设计要求;

3、如果由于工期和环境保护的压力,必须采用长螺旋成孔中心压灌商品混凝土的成桩工艺,需要采取如下综合预防措施:

1)      选择受承压水影响较小的地层作为桩端持力层,本项目施工图设计时选用卵石层作为桩端持力层,使其端阻得到充分发挥。

2)      设计时考虑承压水对桩端阻力及其侧阻的影响,估算单桩承载力时,对承载力进行适当折减。

3)      施工时选用大功率长螺旋钻机,提高钻进效率,减少承压水对地层侧阻及端阻的影响,且采用正转正常钻进、反转自动开门的专用钻头,在压灌混凝土返到出气孔时开始提钻,并确保混凝土始终埋住钻头,确保混凝土灌注质量;

4)      加强施工过程的控制,只有在商品混凝土能确保单桩灌注量的时候,才开始成孔作业,并搞好前后台的配合,确保一次性成桩,不在灌注中间等料。

3.3      成果

根据试验成果及其承压水对 CFG  桩承载力影响研究,施工图阶段,我们采用桩径 500mm,以卵石层为桩端持力层的 CFG  桩方案,其结果满足了设计要求。

3.3.1      桩身完整性检测

3.3.2   单桩载荷试验

          参见下图。

4  结语

      本案例充分说明,在设计桩长范围内存在承压水或存在承压水作用的情况下,必然对 CFG 桩的单桩承载力产生不利

影响,这一点,对于勘察单位、CFG 桩设计单位、结构设计单位以及业主单位都应该有清醒的认识。条件适宜时,应该优

先考虑其他施工工艺,如泥浆护壁成孔水下灌注商品混凝土工艺减轻承压水对承载力的影响,或直接采用桩基方案;也可

采取降低承压水水头的辅助措施,来满足单桩承载力的要求;当然在工期或环境保护压力的情况下,也可采用上述综合预

防措施,达到满足设计要求的目的,这一点在本项目的实际施工中得到了验证,可供同行们参考。



参考文献

⑴ 潘广灿 郑州市东区等长螺旋成孔 CFG 桩工程质量事故原因 岩土工程界 2005 第八卷 第 7 期 58-59

⑵ 马秉务 长螺旋管内泵压 CFG 桩施工过程中窜孔问题研究 岩土工程界 2003 第 7 卷 第 12 期 50-52

⑶ JGJ79-2012 建筑地基处理技术规范 207


Study on the Influence of Compressive Water on the Bearing Capacity of CFG Pile

Feng keming①② Su changlongLiu lifeng①

Beijing city survey and design Institute limited liability company① Beijing Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Urban Rail Traffic Deep Pit②

No. 6, Anhui District, Chaoyang District, Beijing,100101

Abstract:In Beijing, CFG pile composite foundation is often recommended for foundation treatment when the bearing capacity or deformation of the foundation can not meet the design requirements. Under normal circumstances, general reference survey report results, estimated CFG pile characteristics of the design. Considering the presence of bearing water in pile length, the influence of bearing capacity of CFG pile can not be predicted. Therefore, the results of pre-test pile in the same field have great deviation from the estimate. On the basis of two expert consultations, the reasons were analyzed by means of re-survey, re-pressure and manual excavation, and the measures were taken to meet the design requirements. Can be used for CFG pile design and construction personnel reference.

Key word:Pressurized water;CFG piles;Static load test;countermeasure