[摘 要]长螺旋钻孔管内泵压CFG是在传统CFG桩的基础上增加螺旋钻具和泵压设备而形成的。通过对该桩的工艺流程和特点的分析,以及和其它常见类型的桩进行对比分析,诣在揭示长螺旋钻孔管内泵压CFG桩在单桩承载力高、适应性强、工程质量稳定、工程造价低廉等方面的优越性。
1、长螺旋钻孔管内泵压CFG桩简介
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称,它是由水泥、粉煤灰、碎石、砂(或石屑)掺入外加剂加水拌合形成的高粘结强度桩。一般它和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩起初是利用振动沉管打桩机成桩,通过工程实践,发现利用振动沉管打桩机成桩存在以下几个主要问题:①难以穿透厚砂层、卵石层和硬土层;②振动及噪音污染严重;③在临近已有建筑物施工时,振动对临近的建筑物可能产生不良影响;④振动沉管打桩机成桩为非排土成桩工艺,在饱和粘性土中成桩,会造成地表隆起拉断已有成桩,在高灵敏度土中施工可导致桩间土强度的降低。故该技术的工程应用受到限制。为解决这一难题,中国建筑科学研究院对国产的常用的长螺旋钻机进行了改造,增加从芯管内泵送混凝土的功能,实现用长螺旋钻机成孔管内泵送混凝土成桩,不仅可解决穿透相对硬层的问题,而且施工噪音低,成桩效率高。同时对钻机进行了改进,特别是对排气阀门(保证成桩混凝土密实性)、泵送压力控制(保证桩体密实,保证端阻、侧阻力的发挥)等技术进行了攻关,最后形成了长螺旋钻孔管内泵压CFG桩设备。另外,在工程实践过程中逐渐形成了一种后插钢筋笼技术,使得长螺旋钻孔管内泵压CFG桩的应用更为广泛,目前主要应用有复合地基处理,围护桩、桩基础等。
2、长螺旋钻孔管内泵压CFG桩的工艺流程及其主要特点
2.1成桩工艺流程
长螺旋钻孔管内泵压CFG桩借助于步履式长螺旋桩机、混凝土搅拌机、输送泵、输送管道以及钢筋笼振动送笼器配套施工。该桩利用长螺旋钻机钻孔,土体被切削后反向挤推排出孔外;钻孔至设计深度后,借助长螺旋钻具的中主管将混凝土高压泵入孔底,然后边压灌混凝土边提升螺旋钻具形成素混凝土基桩;随后采用穿插导向管的振动送笼器将钢筋笼边振边插送到基桩内设计深度,连续作业成孔成桩一次完成。
2.2主要特点
(1)采用干成孔的长螺旋钻机无振动排土钻进,无需泥浆护壁,因而对周边居民及相邻建筑物没有振动影响,且无泥浆污染。(2)采用超流态泵送混凝土技术,边提钻边压灌混凝土,提钻与成桩同步进行,大大加快了施工速度。(3)成桩时采用压灌混凝土,既改善了桩周土体性能,又保证了桩身质量,避免了缩颈、断桩现象,提高了单桩承载力,保证了该工艺既能在易坍塌的土层成孔成桩,又能在地下水丰富的土层中成孔成桩,避免了水下浇筑混凝土质量难以保证的缺点。
3、长螺旋钻孔管内泵压CFG桩的优越性
该桩型是在CFG桩的基础上发展而成的,因此它既具有CFG桩的功能,又具有它自身的特点。所以我们在解读该桩型时应从上述两个方面着手。
3.1 CFG桩作为高粘结强度桩,应用在复合地基处理中的效果显著在目前复合地基处理中,主要是在天然地基中设置一定比例的增强体(桩体),使桩土共同承担荷载,并具有密实法和置换法的效应。通过选用碎石桩、石灰桩、CFG桩三种桩型分别作为散体桩、一般粘结强度桩和高粘结强度桩的代表,就复合地基处理的工程特性而言,CFG桩有以下优点:
3.1.1桩体受围压的影响小
通过取上述三种试样在三轴仪上做三轴压缩试验,只有CFG桩试样的试验结果在不同围压下的应力应变曲线基本重合,且大体为一直线。说明围压对桩体强度和模量的影响不大。
3.1.2桩、土荷载分担能力高
对大量工程实例的分析表明,相同置换率(例如10%),三种桩型荷载分担比一般为:碎石桩(15%~30%)、石灰桩(20%~38%)、CFG桩(40%~75%)。
3.1.3桩长效应明显
CFG桩属于高粘结强度桩,可全桩长发挥侧阻力,桩越长承载力提高幅度越大。而石灰桩、碎石桩对提高桩长增加复合地基承载力的效果不及CFG桩或不太明显。
3.1.4桩的端阻作用好
CFG桩桩端落在好的土层上,具有明显的端阻作用。对碎石桩,当桩长大于2.5倍基础宽度时,尽管桩端落在好的土层上,桩的端阻作用也很小,一般可以忽略不计。石灰桩端阻力的发挥比碎石桩好,但因桩身强度不太高,随着桩长的增加,端阻作用也越来越小。
3.2长螺旋钻孔管内泵压CFG桩单桩承载力高,工程质量稳定
长螺旋钻孔管内泵压CFG桩充分利用泵压的作用来提高单桩承载力,减少工程质量事故的发生率。对于长螺旋钻孔管内泵送CFG桩和泵压CFG桩,它们的主要区别在于长螺旋管内泵送CFG桩是当长螺旋钻机钻孔至设计深度后,由混凝土泵将混合料通过管道送至钻杆,在钻杆顶端活塞有灰浆冒出后开始提管,送料提钻高度和泵送量按经验控制。而长螺旋管内泵压CFG桩设备,配备了混合料压力监视装置,使钻机操作人员在提钻时,通过显示的压力确定提钻速度,从而保证了灌注过程不致发生超拔造成断桩和在一定压力下进行混合料灌注成桩。实践表明:利用长螺旋钻孔,到设计深度时,借助螺旋叶片间挤满土的密封性,用高压(3MPa~4 MPa)泵送混凝土,并由钻头底部泵出,并挤压孔壁,边灌注边提钻杆到地面,从而形成的砼压灌素砼桩,桩体砼均匀,对桩周土有一定的挤压密实作用,且桩体的充盈系数大,一般为1.1~1.4左右,桩体与土体之间的关系因此得到了改善,提高了桩土的粘合力,进而提高了桩侧摩阻力值,从而增大了桩体的单桩承载能力,且不易发生断桩、缩径等质量问题。加之振送钢筋笼过程中对混凝土的振密作用,对桩周土也有一定挤压密实作用。在工程实践中,开挖发现长螺旋钻孔管内泵压CFG桩的桩身混凝土完整好,类似于糖葫芦状,不易断桩、缩颈;桩身实测直径一般比设计直径大10%以上。文献[1]对CFG泵压灌注成桩、泵送无压力成桩及钻孔灌注成桩的差异做了对比分析,它们在同一地质条件下,采用不同的工艺成桩,其后分别进行了低应变桩身完整性检测和单桩竖向抗压静载荷试验,实验结果表明: 应变桩身完整性检测结果来看,长螺旋钻孔管内泵压CFG桩、泵送无压力成桩及钻孔灌注成桩等三种不同工艺的试验桩,桩身结构均完整。(2)经静载荷试验对比,本次试验采用长螺旋钻孔管内泵压的CFG桩的垂直承载力比泵送无压力成桩单桩承载力高14%左右,比钻孔灌注桩承载力高20%左右。(3)通过承载性状分析,长螺旋钻孔管内泵压CFG桩工法成桩无论桩周摩阻力还是桩端承载力均比钻孔灌注桩有所提高。因此我们可以看出,由于采用了孔内泵压的技术,使得CFG桩单桩竖向承载力得到大幅度提高,且工程质量稳定。
3.3长螺旋钻孔管内泵压CFG桩适应性强,应用广泛[3]
3.3.1穿透能力强,无挤土效应
在传统的预制桩、沉管灌注桩施工中,它们属于典型的排土桩,在施工过程中对于遇到坚硬粘性土层或较厚的粉土层及砂层,存在着穿透难度大的问题,另外对挤土效应明显的场地,如果场地对挤土效应要求较高的,则存在施工难或明显的不足或缺陷。而长螺旋压灌桩工艺属于螺旋钻孔排土成桩工艺,不存在挤土效应,避免扰动已施工的桩和对临近建筑物产生不良影响;也不会引起桩间土强度降低;利用螺旋钻头钻孔,使得该桩穿透能力强,可穿透硬土层,如砂层、圆砾层和粒径不大于60mm的卵石层。可以看出,长螺旋钻孔CFG桩可以解决上述难题,从而使得它的应用更为广泛。实践证明,该种桩型可适用于杂填土、素填土、粘土、粉土、砂土、卵石层(粒径<150mm、卵石含量30%~40%);桩径400~800mm,深度在25米以内的基础桩或护坡桩。该桩型施工不受地下水的限制,在桩间距比较小的情况下能够连续施工,无需间隔跳打。
3.3.2施工现场文明
长螺旋干成孔泵压CFG桩由于依靠螺旋钻具切削土层干作业成孔,无振动,无噪音,无污染。在螺旋钻具在钻进过程中形成一个圆柱状的土柱,它可以防止孔内土体坍塌,所以施工过程中不需泥浆护壁,不用排污、不需要降水,有利于施工现场的文明管理。
3.3.3施工速度快捷
长螺旋桩机是一机多能的新型钻机设备,底盘采用全液压步履式行走,液压马达驱动360°回转,移孔就位快捷准确,自动化程度高,操作简便,动力大(功率90kW以上),成孔速度快。一般情况下,对于一般土层,若孔深20.0m左右,桩径400mm,那么每台桩机每天可施工20根~30根桩。同等条件下的夯扩桩、振动沉管灌注桩,单机日成桩效率仅为11-14条,对比之下,施工速度提高1.3-1.5倍,能够大大缩短施工工期。
3.4工程造价低廉,经济效益明显[2]
当前,长螺旋泵压CFG桩的承接施工合同价,根据地层和含钢量的要求,一般在650-750元/立方米砼内变化,大体上比夯扩桩略低,比较钻孔灌注和静压预制桩,它的造价可降低30-40%。长螺旋泵压CFG桩的单桩承载力较高,在同等条件下,1)桩身混凝土总用量要相应减少;2)同样密度桩径可以变少,进而可以缩小桩连梁及承台尺寸,减少基础钢筋混凝土量。因此工程总造价可相应降低。由于长螺旋泵压CFG桩的桩身质量好,合格率高,工程质量事故少,可以有效地减少不必要的浪费,有很好的质量效益。
4、病及事故处理措施
1)堵管:堵管是长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩工艺常遇到的主要问题之一。它直接影响CFG桩的施工效率,增加工人劳动强度,还会造成材料浪费。特别是故障排除不畅时,使已搅拌的CFG桩混合料失水或结硬,增加了再次堵管的几率,给施工带来很多困难。产生堵管的原因有以下几点:
①混合料配合比不合理。当混合料中的细骨料和粉煤灰用量较少时,混合料和易性不好,常发生堵管。因此,要注意混合料的配合比,尤其要注意将粉煤灰掺量控制在70kg/m3～100kg/m3的范围内,坍落度应控制在160mm～200mm之间。
②混合料搅拌质量有缺陷。在CFG桩施工中,混合料由混凝土泵通过刚性管、高强柔性管、弯头最后到达钻杆芯管内。混合料在管线内借助水和水泥砂浆润滑层与管壁分离后通过管线。坍落度太大的混合料,易产生泌水、离析,泵压作用下,骨料与砂浆分离,摩擦力加剧,导致堵管。坍落度太小,混合料在输送管路内流动性差,也容易造成堵管。
③施工操作不当。钻孔进入土层预定标高后,开始泵送混合料,管内空气从排气阀排出,待钻杆内管及输送软、硬管内混合料连续时提钻。若提钻时间较晚,在泵送压力下钻头处的水泥浆液被挤出,容易造成管路堵塞。
④冬期施工措施不当。冬期施工时,混合料输送管及弯头均需做防冻保护,防冻措施不力,常常造成输送管或弯头处混合料的冻结,造成堵管。冬施时,有时会采用加热水的办法提高混合料的出口温度,但要控制好水的温度,水温最好不要超过60℃,否则会造成混合料的早凝,产生堵管,影响混合料的强度。
⑤设备缺陷。弯头曲率半径不合理也能造成堵管。弯头与钻杆不能垂直连接,否则也会造成堵管。混合料输送管要定期清洗,否则管路内有混合料的结硬块,还会造成管路的堵塞。
2)窜孔:在饱和软土层中成桩经常会遇到这种情况,打完一棵桩后,在施工相邻的桩时,发现刚施工的临桩的桩顶突然下落,当桩泵入混合料时,临桩的桩顶开始回升,此种现象称为窜孔。发现窜孔的条件有如下三条:1.被加固土层中有松散饱和软土层;2.钻杆钻进过程中叶片剪切作用对土体产生扰动;3.土体受剪切扰动能量的积累,足以使土体发生触变。由于窜孔对成桩质量的影响,施工中采取的预控措施:
①采取隔桩、隔排跳打方法;
②设计人员根据工程实际情况,采用桩距较大的设计方案,避免打桩的剪切扰动;
③减少在窜孔区域的打桩推进排数,减少对已打桩扰动能量的积累;
④合理提高钻头钻进速度。
3)桩头空芯:主要是施工过程中,排气阀不能正常工作所致。钻机钻孔时,管内充满空气,泵送混合料时,排气阀将空气排出,若排气阀堵塞不能正常将管内空气排出,就会导致桩体存气,形成空芯。为避免桩头空芯,施工中应经常检查排气阀的工作状态,发现堵塞及时清洗。
4)桩端不饱满:这主要是因为施工中为了方便阀门的打开,先提钻后泵料所致。这种情况可能造成钻头上的土掉入桩孔或地下水浸入桩孔,影响CFG桩的桩端承载力。为杜绝这种情况,施工中前、后台工人应密切配合,保证提钻和泵料的一致性。
5)桩孔偏斜:主要因为地面不平,导向设施出现偏差,钻架不正或钻杆弯曲,钻杆刚度不够所致。另外钻进时土层硬度发生突然变化或遇到障碍物也会导致桩孔偏斜。施工前应对安装好的钻机设备做全面检查,做到水平、稳固,对钻杆、接头要逐个检查,保证钻杆顺直,有足够的刚度。在钻进时,土层由软变硬时要少加压慢给进。
6)钻进困难:主要原因为遇到地下障碍物如石块、混凝土块,钻机功率不够或钻进速度太快造成憋钻。应选用硬质合金钻头,采用合适的钻速。遇到障碍时如障碍物不深,应进行清除后复钻,如不易挖出则改变桩位。
5、结束语
通过以上分析,正是由于长螺旋泵压CFG桩自身施工工艺特点,决定了它具有复合地基处理效果好、单桩承载力高、适应性强、工程质量稳定、工程造价低廉等优越性。近几年来,长螺旋泵压CFG桩的工程技术得到广泛推广,随着人们对该桩型的优越性认识的逐步深入和工程经验的不断积累,相信该桩型将会有很大的工程前景。