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大直径素混凝土旋挖灌注桩在膨胀土地区复合地基中的应用

2015-07-13 568 0

引言
　　膨胀土是一种超固结、高塑性的黏性土，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的变形特性，黏性成分主要由伊利石、蒙脱石等强亲水性矿物组成[1]。随着人类工程活动的扰动和环境的变化，膨胀土产生膨胀和收缩的往返变形，导致其强度衰减、裂隙多发育，容易引起边坡失稳、路堤沉陷、基坑垮塌等工程事故[2-5]。
　　随着城市化和经济建设的快速发展，超高层建筑大量涌现，其对地基的承载能力也提出了更高的要求。目前，为了提高地基承载力，主要采用复合地基的地基处理方式，桩基施工主要采用人工挖孔桩、预制管桩、旋挖灌注桩等方式[6-9]。旋挖以其施工速度快、施工安全性高等独特优点，是目前工程界极力推广和普遍使用的桩基施工方法，但旋挖灌注桩在膨胀土地区的适用性和安全性还有待进一步探讨和研究。本文以成都东郊某膨胀土复合地基为例，探讨了大直径素混凝土旋挖灌注桩在膨胀土复合地基中的应用。
　　一、工程实例
　　1.1工程概况
　　拟建项目位于成都市东郊，拟建筑物由6栋32F的高层住宅楼及7栋1～3F多层商业楼组成。高层设2层地下室，采用框剪结构，筏板基础；商业楼设1层地下室，框架结构，独立基础；中庭部分设2层地下室，采用框剪结构，独立基础。
　　1.2地质概况
　　（1）地层结构
　　场地上覆第四系全新统人工填土（Q4ml），其下依次为第四系中下更新统冰水堆积层（Q1+2fgl）和白垩系灌口组泥岩（K2g）。各地基土的分布情况为：
　　①1杂填土：杂色，松散，结构杂乱不均，湿，充填建筑垃圾及少量粘性土，颗粒级配差，压缩性高，场地均有分布，厚度较大，且厚度变化大，层厚1.0m～12.0m。据调查，其来源为附近工地建筑垃圾，堆填时间1～3年。
　　①2素填土：褐灰色，松散～稍密，稍湿。主要由粘性土组成，该层在整个场地内局部分布，层厚1.0m～1.50m，该层土局部地段分布。
　　②1粉质粘土：褐黄，硬塑，含铁锰质氧化物、钙质结核，结核粒径一般1～3mm。含灰白色高岭土条带，土层强度较好。该层场地整个场地均有分布，层厚2～14.0m。
　　②2粉质粘土：褐灰，软塑～可塑，土层力学性质较差，厚度变化大，该层场地局部分布，层厚0.6m～8.0m。
　　③粘土：褐黄、褐灰色，硬塑为主。含氧化铁、云母片及少量铁锰质及灰白色高岭土条带。该层场地大部分地段分布，层厚1.0～7.2m。
　　④含卵石粉质粘土：褐黄色，硬塑为主，含20～40%的卵石，粒径一般3～10cm，最大粒径15cm，局部含少量钙质结核。层厚4.0～9.5m，该层局部地段分布
　　⑤1全风化泥岩：紫红色，结构风化后呈粘性土状，含灰白色高岭土条带，下部夹碎岩块，用手可捏碎。结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，干钻可钻进。局部地段分布。
　　⑤2强风化泥岩：岩芯呈碎石状、短柱状，风化裂隙很发育，岩体破碎，结构大部分破坏，浸水迅速软化、崩解，强风化层厚度变化较大，场地均有分布。
　　⑤3中等风化泥岩：岩芯呈短柱状、柱状，结构部分破坏，风化裂隙发育，岩体较完整，本次勘察最大揭露厚度为9.7m左右。
　　（2）水文地质
　　场地地下水属第四系上层滞水及基岩裂隙水，主要由岷江水系及大气降水补给，水位随季节变化，地下水年变化幅度约1.5m。平水期测得场地上层滞水稳定地下水位-2.0～-3.0m，高程504.6～505.5m。场地历史最高水位埋深2.0m左右，标高506.1m。
　　二.复合地基设计
　　2.1方案选定
　　根据设计要求，拟建物对差异沉降的敏感程度一般～敏感，主楼筏板荷载较大，对3#～6#主楼筏板基底附近分布的粉质粘土及全～强风化泥岩层等承载力不能满足设计要求的地基土层进行加固处理，处理后复合地基承载力特征值fspk≥600KPa。由于上部荷载较大，综合考虑经济成本和工期，决定采用大直径素混凝土置换桩的复合地基处理方式。桩基施工主要采用人工挖孔桩、预制管桩、旋挖灌注桩等方式。
　　人工挖孔灌注桩具有受力性能可靠，不需大型机具设备，施工操作工艺简单，可直接检查桩底岩土层情况，单桩承载力高，无环境污染且能降低基坑支护难度等优点，但是需要做好护壁工作，施工安全性较差，所需工期较长。
　　预应力管桩具有施工工艺简单、单桩承载力高、质量可靠、单位造价便宜的优点，但是施工中容易出现管桩偏位、倾斜、挤土等质量问题。
　　旋挖钻孔灌注桩具有钻进效率高、成本低、消耗材料少、可不采取降水措施等优点，但存在沉渣多、桩端承载力难以保证、对环境污染大等缺点。
　　本工程因地下水位较高，综合考虑施工工期、成本、质量，选用旋挖灌注桩形式。
　　2.2设计计算
　　依据《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012中CFG桩的相关规定及成都地区类似工程的设计经验[10]，设计采用1.2m的素混凝土桩，桩中心距3.3m，桩芯混凝土强度为C20，正三角形布置，要求桩端进入中等风化泥岩层1.5m以上，填土下最短桩长不小于7.0m。
　　根据1#、2#楼岩基载荷试验检测结果，桩端阻力特征值取3500kPa，但由于场地内岩样天然抗压强度差异性较大，尤其在6#、5#楼部位，中风化泥岩取样的天然抗压强度较低，设计取qp=3200kPa。以最不利地段ZK28号钻孔为例，计算的单桩竖向承载力特征值为4460kN。按等边三角形布置，桩间距计算结果为3.3m。最后，计算的复合地基承载力特征值为605.2kPa≥600kPa，满足承载力要求，压缩模量计算值为33.3MPa，满足设计要求。
2.3褥垫层设置
　　依据《复合地基技术规范》（GB/T50783-2012）[11]，挖至褥垫层设计底标高，按要求截桩后铺褥垫层，厚度为30cm，铺设范围在基础边线外扩30cm，顶部夯实，夯填度λ≤0.90，其作用是保证桩土共同承担荷载。垫层材料为级配砂碎石，最大粒径不宜大于3cm，砂含量应控制在20-30%。若挖至设计标高遇杂填土，须用素混凝土换填。
　　考虑到膨胀土吸水膨胀、失水收缩的变形特性，容易造成桩间土软化[12]。所以，在褥垫层下部设置10cm素混凝土封闭层。一方面隔离水向膨胀土渗透，预防膨胀土产生过大变形；另一方面与上部柔性褥垫层形成双垫层，保证桩基稳定性。
　　三、复合地基检测
　　依据《复合地基技术规范》（GB/T50783-2012）[11]相关规定，本工程需进行如下检测项目：①采用岩基载荷试验检测中等风化泥岩的桩端端阻力特征值qp，每栋检测数量不少于总桩数的1%，且不少于3点；②桩间土浅层平板载荷试验检测桩间土承载力，每栋检测数量不少于总桩数的1%，且不少于3点；③采用低应变法对桩身完整性进行检测，全数检测；④抽芯取样检查桩底沉渣量，每栋检测数量不少于总桩数的1%，且不少于3点；⑤单桩静载试验检测单桩承载力，整个场地选取3点。
　　由于单桩承载力较高，静载试验所需载荷较大，普通的检测设备很难实施，因此采用设置锚桩后反压的方式进行试验。本工程中对每根试验桩施设两根锚桩，锚桩桩头处预留钢筋与钢梁焊接，然后用千斤顶进行反压来解决该问题。
　　该工程分别进行了岩基载荷试验、桩间土浅层平板载荷试验、低应变检测、钻芯试验及单桩静载试验。
　　四、施工
　　本工程的主要施工流程为：基坑开挖至设计标高（基底垫层底标高）→坑内明排降水→测放桩位→机械旋挖至设计深度（进入中等风化泥岩1.5m以上，且最短桩长填土以下不小于7.0m）→桩端清底→浇筑C20商品混凝土并振捣密实直至设计桩顶标高→桩身完整性检测→人工捡底并裁桩→铺设并压实褥垫层→褥垫层夯填度检测→基础施工。
　　在施工过程中，主要的关键控制点有（1）防止桩间土软化。由于场地均分布有膨胀性粘土，厚度较厚，雨水和施工用水对桩间土影响较大。因此，在主楼土方捡底完成后，立即采用10cm厚素混凝土垫层对桩间土进行封闭，褥垫层铺设完毕后及时施做上部垫层。（2）桩底沉渣控制。桩底沉渣结构松散、力学性质较差，其对桩端承载力影响较大。在普通钻斗钻至设计持力层后，换用改造的平底捞渣斗清孔3～5次，清孔结束后，派专人到部分孔底对沉渣厚度进行检查并形成记录。通过现场的检查记录和钻芯取样，桩底沉渣厚度均控制在5cm以内，满足相关规定和设计要求。桩底沉渣检测见图3、图4所示。
　　五、结语
　　通过以上工程实例，采用素混凝土封闭膨胀性土层、设置柔性和刚性双垫层、进行桩土分离检测、使用改造的平底捞渣斗多次清孔等措施，可以控制膨胀土危害和保证旋挖灌注桩施工质量。检测结果表明，采用大直径旋挖灌注桩在膨胀土地区复合地基的应用是可行的，这对于缩短施工工期、节约成本有显著的经济效果，可为类似工程提供参考借鉴。
　　参考文献：
　　[1]《工程地质手册》（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.
　　[2]刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.
　　[3]陈善雄.膨胀土工程特性与处治技术研究[D].武汉：华中科技大学，2006.
　　[4]李进.膨胀土改良的室内试验及地基胀缩变形分析[D].南京：河海大学，2006.
　　[5]许平先.膨胀土路堑边坡稳定性与降雨相关性的研究[D].成都：西南交通大学，2012.
　　[6]乐琪浪，聂明军，李铁军，魏露.人工挖孔灌注桩施工中常见问题及处理措施[J].西部探矿工程，2008，（12）：31-33
　　[7]叶树欣.预应力混凝土管桩静力压桩施工[J].施工技术，2009（12）：60-62.
　　[8]薛伟.旋挖钻孔灌注桩的施工工艺技术[J].福建建设科技，2000，（3）：4-5.
　　[9]陆阳.预应力管桩研究现状综述[J].甘肃科技，2011，27（7）：136-139.
　　[10]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）.北京：中国建筑工业出版社.
　　[11]《复合地基技术规范》（GB/T50783-2012）.北京：中国建筑工业出版社.
　　[12]孟非，熊巨华，杨敏.素混凝土桩复合地基的工程实践[J].四川建筑科学研究，2004，02：53-55.

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