CFG樁復合地基靜載檢測方法探討

徐 亮,李 建,李小泉

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱,主要用于加固軟土地基,一般有3種成樁施工方法:(1)長螺旋鉆孔灌注成樁;(2)振動沉管灌注;(3)長螺旋鉆孔管內泵壓混合料灌注。該樁具有沉降變形小、施工簡單、造價低、承載力提高幅度大、適用范圍較廣等特點。

某擬建場地內地形平坦開闊,建筑物主要由多棟多層和低層建筑構成,因天然地基承載力不滿足設計承載力要求,經 CFG樁、換填、振沖碎石樁等多種方法在技術、經濟及環保等多方面的綜合比較,最終設計采用 CFG復合地基加固方案。

1.1 靜載荷試驗方法

試驗按照 JGJ106-2003《建筑基樁檢測技術規范》,使用平板結構反力架,用堆載方法并分級加載進行試驗。根據地基樁型的不同計算不同的置換率,確定不同的承壓板直徑或邊長。本次檢測試驗所需承載板共分為 4種:d=0.88m×0.88m圓板,b=0.8m×0.8m、0.9m×0.9m、1.0m×1.0m方板。設計地基承載力為250kPa。試驗確定最大加載荷載不小于 2倍設計值,即大于 500kPa。試驗之前先進行預載,預載量為分級荷載的一半。當在連續兩小時內每小時的沉降量小于 0.1mm時,認為已趨穩定,之后卸載。校正數據采集起始數據后正式開始檢測。分級荷載為試驗最大荷載的1/10,第一級加載為分級荷載的2倍。每級荷載施加后按第10、20、30、45、60min測讀沉降量,以后每隔 30min測讀一次。當在連續兩小時內每小時的沉降量小于0.1mm時,則認為已趨穩定,可加下一級荷載。最后一級荷載仍以此為穩定標準。卸荷分級進行,每級卸載量取加載時分級荷載的 2倍,逐級等量卸載。

1.2 試驗成果分析及承載力特征值的確定

(1)未出現明顯拐點時承載力特征值的確定。

(2)出現明顯拐點時承載力特征值的確定。

2 某 CFG樁復合地基靜載檢測成果分析

2.1 場地基礎地質條件

在場地勘察鉆探揭露的深度內,地層由第四系全新統人工填土層 ()、上更新統沖洪積層組成,主要地層結構(自上而下)見表1。

表1 主要地層結構

表2表明:②層粉土和③層粉質黏土層孔隙比為 0.645～0.917,壓縮模量為 5.96～17.99MPa,黏聚力為 7～28kPa,內摩擦角為 14.3°～19.0°,屬于軟土地基,承載能力不能滿足要求,需進行處理。

2.2 地基基礎設計概況

依據前期勘探成果,設計要求挖除填土層及耕植土,對粉土、粉質黏土采用 CFG樁處理。樁徑設計為 350mm,采用取土成孔灌注成樁法,采用正方形、矩形或梅花形布樁,樁芯距基礎邊線不小于0.20m,平均樁長 3.2m。樁體材料配合比根據試配按樁體強度 C10確定。設計要求復合地基承載力fspk大于 250kPa,變形模量不小于 14MPa。設計采用的地基土 CFG樁基參數見表3。

CFG樁樁端應進入松散卵石或稍密卵石層不少于 0.50m,保證有效樁長不小于 2.5m。在施工過程中應根據基底下土層的軟硬實際分布情況進一步調整樁長。

CFG樁在樁頂和基礎之間應設置褥墊層,褥墊層厚度約 200mm,褥墊層材料采用級配良好砂石(密實度 90%)。

表2 粉土、粉質黏土層試驗成果

表3 地基土CFG樁設計參數取值 kPa

2.3 CFG樁靜載檢測成果分析

為檢驗 CFG樁施工工藝及復合地基加固效果,檢驗復合地基承載力是否達到設計要求,靜載試驗前對樁身進行了低應變檢測,選取有缺陷的Ⅲ、Ⅳ類樁進行靜載檢測。每棟選取 3個點進行單樁復合地基載荷試驗。

表4為 62號樓檢測成果。

表4 62號樓靜載試驗成果

從試驗所得 P～S曲線看(見圖 1～3),在最大加載壓力范圍內,地基土仍處于線性變形階段內,未出現比例界限點和極限荷載點 (無拐點)。按(JGJ106-2003)規定,未出現明顯拐點時,對水泥粉煤灰碎石樁或夯實水泥土樁復合地基,對以卵石、圓礫、密實粗中砂為主的地基,可取 s/b或 s/d等于0.008所對應的壓力;對以黏性土、粉土為主的地基,可取 s/b或 s/d等于 0.01所對應的壓力。

經綜合分析判斷,在此次檢測中取s/b=0.01時所對應的荷載為承載力特征值,分別為218.0kPa、336.0kPa、340.0kPa。規范要求承載力特征值不應大于最大加載值的一半,而三根樁最大加載值的一半分別為 251.1kPa、279.0kPa、275.2kPa,以取小值為原則,最后確定復合地基承載力特征值為218.0kPa、 279.0kPa、 275.2kPa。 平 均 值 為257.4kPa,各點的級差與平均值之比分別為15.31%、8.39%、6.92%;均小于 30%,所以該棟地基的承載力特征值取三根樁的平均值,即 fak≥257.4kPa,滿足設計要求的 fak=250kPa的要求。

表5為 60號樓檢測成果,圖 4～6為 P～S曲線。

(JGJ106-2003)規定,在試驗加載過程中,出現下列情況之一時,即可終止加載:

圖1 62號樓 29號樁 P～S曲線

圖2 62號樓 181號樁 P～S曲線

圖3 62號樓 206號樁 P～S曲線

表5 60號樓靜載試驗成果

(1)沉降急劇增大,土被擠出或承壓板周圍出現明顯的隆起;

(2)承壓板的累計沉降量已大于其寬度或直徑的6%;

(3)當達不到極限荷載,而最大加載壓力已大于設計要求壓力值的 2倍。

對成果進行分析可以看出,29號點選用的承載板直徑為 80cm,其寬度的 6%為 48.00mm,而加載至 411.3kPa時,總沉降量為 48.47mm,超過了承載板直徑的 6%,所以可以終止試驗。分析試驗數據并結合 P～S曲線分析,29號點在加載至 200kPa時,出現明顯的陡降,即出現拐點。規范中指出“根據沉降隨荷載變化的特征確定:該點為陡降型 P～S曲線,取其發生明顯陡降的起始點對應的荷載值為承載力特征值”。從圖中可知,發生明顯陡降的起始點為 151.0kPa,所以確定的該點承載力特征值為151.0kPa。而 180點和 205點樁均屬于緩變型 P～S曲線,即無明顯拐點,其承載力特征值的確定與前述一致,不再贅述。這二點的承載力特征值分別為267.7kPa、255.0kPa。 3點平均值為:224.6kPa,各點的級差與平均值之比分別為 32.77%、19.2%、13.54%,29號點級差超過了平均值的 30%,故該棟地基的承載力特征值不能取三根樁的平均值。對29號點進行分析并在現場挖開檢查發現,該樁地下部分距樁頂約 1.2m,出現明顯斷樁,印證了試驗中發現的問題。隨后對該樁進行工程處理,并對該棟地基加倍抽檢了 2點,其承載力特征值分別為271.3kPa、272.5kPa,與 180號和 205號樁兩樁成果進行 4點平均,平均值為 266.6kPa,且各點級差與平均值之比均小于 30%,符合要求。最后確定該棟樓地基承載力特征值 fak=266.6kPa,滿足設計要求的 fak≥250kPa的要求。

圖4 60號樓 29號樁 P～S曲線

圖5 60號樓 180號樁 P～S曲線

圖6 60號樓 205號樁 P～S曲線

綜合本工程檢測的 150余組載荷成果,多為“A”型(即緩變型)為主,這正反映該地層下 CFG樁自身特點及工程特性。

3 檢測方法及有關問題探討

3.1 預載的問題

《規范》中對預載問題未加以規定。總結此次150余組成果后,我們認為復合地基載荷試驗所得出的沉降量是確定承載力的重要指標,而承壓板下的褥墊層將造成沉降量明顯增加,應規定先預載,以消除松散的褥墊層的沉降量。建議“試驗前應先進行預載,預載量宜為分級荷載的一半,待沉降穩定后,重新開始試驗。”

3.2 級差超限的問題

《規范》規定“檢測數量不應小于總樁數的 1%,且不應小于 3根。”“當滿足級差不超過平均值的30%時,可取其平均值為復合地基的承載力特征值。”“Ⅳ類樁應進行工程處理”。

以此次檢測中的 60號樓 29號點為例,承載力特征值為 218.0kPa,就單個點來說,該樁不能滿足設計 fak≥250kPa的要求,那么該點是否需要加固處理呢?

分析認為:該點的級差與平均值之比為15.31%﹤ 30%。低應變結果顯示,29號樁為Ⅲ類樁。規范中對檢測樁數的規定已充分考慮了樁的承載力的不均勻性,該棟地基的承載力特征值 fak=257.4kPa,滿足要求,是合格的。所以不需要對 29號點進行加固處理。

此外,如果級差超過平均值的 30%時該如何處理,規范未作規定。

以此次檢測中的 62號樓 29號點為例,其承載力特征值為 151kPa,級差與平均值之比為 32.77%,大于 30%,挖開后發現距樁頂 1.2m處出現明顯斷樁,需要對其進行工程處理。同時對該棟地基,加倍抽檢 2根樁,取 4根符合要求樁的平均值為該棟地基的承載力特征值。

為確保建成后的地基質量,建議增加“當級差超過平均值的 30%時,應對此樁進行處理,并加倍抽檢。再次試驗后,如其承載力特征值的級差不超過平均值的 30%時,則取平均值為復合地基承載力特征值。”

3.3 卸荷觀測的重要性

規范中只提到了卸載的方法,并未說明如何利用及其重要性,因此在實際檢測工作中,有些單位往往省略了卸載觀測。事實上卸載觀測對于正確判斷樁在荷載作用下的工作性狀非常重要。樁的變形分幾個階段,即近似彈性、彈塑性和塑性。在荷載作用下,樁的變形究竟處在何種階段,僅從沉降變形上判斷是不完全的,因為在沉降變形階段很難發現樁的彈性變形,而彈性變形只能從卸載回彈中觀測,一根樁究竟在某級荷載下的變形是彈性變形占主要還是塑性變形占主要,通過卸載觀測便可知曉,所以卸載觀測在整個載荷試驗中是很重要的一環,應加以重視。

3.4 觀測過程中的問題

傳統的靜載試驗采用人工加荷、人工觀測的方法,要求觀測人員責任心強、經驗豐富。但是載荷試驗的觀測過程時間較長且需要連續讀數,人工加荷、觀測難免會有差錯和疏漏。眾所周知,一般情況下每級載荷作用下,變形主要發生在加載后的 1～2h內,在穩荷過程中發生的沉降只占一小部分,因此在加荷后的 1h內,穩荷精度很重要,如果采用人工穩荷可能造成穩荷速度慢,精度低,故應提倡采用全自動電腦控制的加荷觀測方式。此次試驗全程采用了自動加荷及數據采集系統,以排除人為因素,提高試驗成果的質量和精度。

4 建 議

本文通過對 150余組 CFG樁靜載試驗的分析討論,對以往試驗過程及成果分析中的不完善之處得出以下四方面的認識:

(1)關于預載問題,建議在試驗過程中增加“試驗前應先進行預載,預載量宜為分級荷載的一半,待沉降穩定后,重新開始試驗。”

(2)關于級差超限的問題,建議“當級差超過平均值的 30%時,應對此樁進行處理,并加倍抽檢。再次試驗后,如其承載力特征值的級差不超過平均值的30%時,則取平均值為復合地基承載力特征值。”

(3)規范中只提到了卸載的方法未說明如何利用及其重要性。建議對于卸載的問題應加以重視,明確要求必須進行卸載觀測。

(4)應盡可能使用自動加荷及數據采集系統,避免人為因素對靜載過程的影響,以提高試驗成果的質量和精度。