复合载体夯扩桩在高层工程中的应用

    该工程原基础（桩基部分）设计方案为人工成孔扩底墩灌注桩，桩径1200~1800不等，桩长5800~6300，总数量304根。根据水文地质报告，扩大头形成在水位线以下3.5米左右，在试桩过程中因水源较大无法施工，设计上大胆改用复合载体夯扩桩桩基方案。这在国内同等规模高层工程中尚属首例，故设计前期作了试验桩18根，经检测单桩承载力达到1730KN，其它试验资料不详。

    该基坑地质报告显示：③层卵石（因①、②层部分已挖掉）杂色稍密，成份为石英砂石、岩浆岩等，粒径一般为2~6cm，最大超过10cm，呈亚圆形、圆形，分选性较差，卵石排列混乱，厚度300~400，承载力标准值f_k=350Kpa；④层卵石：杂色、湿、密度，卵石成份为石英砂岩、岩浆岩为主，粒径一般在4~8cm，大者超过10cm，卵石含量在70%左右，磨圆度较好，呈亚圆形及圆形，卵石骨架结触以园砾砂充填，本层未揭穿，最大揭穿厚度12.8米，承载力标准值f_k=900Kpa。

    从试验桩情况来看，在卵石层中进行夯扩，难度较大，桩身长度较短，只有0.6~1.1米，为保证桩端（持力层）进入第④层卵石上，根据地质报告要求用第②、③层砂卵石将局部低洼水坑找平后再将该层砂卵石置换。该层标高为本工程的-12米~-14米处，属地下水位上涨区域内，故采用纯粉煤灰代替夯扩桩桩间土层（该处理方法再创国内首例）。

    一、粉煤灰回填

    1、现场压实试验

    回填用粉煤灰为热电厂料场长期存放的湿排粉煤灰，本次回填控制的主要技术参数为压实系数。在大面积回填前进行了局部的压实试验，但反复压实后环刀取样，压实系数却很难达到设计要求，经设计、勘察、施工、监理各方论证分析后提出了“参考点”和“找平层”的设置。

    1.1参考点的设置

    由于湿排粉煤灰的颗粒分布均匀性差且局部含有少量炉渣，8rnm以上粗颗粒含量约为10％(重量比)，这就容易造成环刀取样时土样扰动失真，与实验室击实试验结果出入较大，经各方研究后确定特设参考点，具体做法是：虚铺完成后，在每个检验区域内随机选一参考点，面积为2m×2m，参考点内粉煤灰用网格为8mm×8mm的筛子进行过筛，在确保同样施工工艺的前提下，对参考点进行环刀取样检验，每个参考点内取3个检验点，若有2个或3个检验点压实系数满足要求，则认为该检区域满足设计要求。

    1.2找平层的设置

    下部砂卵层粗平后进行粉煤灰回填的施工，第一层粉煤灰试验结果是：压实系数的离散性较大，高的达到0.99，低的只有0.87，且低于0.93的占70％。又采用不同的压实遍数，不同的含水率反复试验，结果仍不能满足要求。经分析认为：砂卵垫层的整体承载力较高，但如果从局部细化到一定范围后，会存在有硬有软的现象，使上部粉煤灰在压实过程中受力不均匀，且粉煤灰为散性材料，就更难成为均匀的整体，从而造成压实系数偏低。鉴于以上分析，将原第一层粉煤灰（压实后约25cm）作为找平层，按照最优含水率，压够规定的遍数后即进行第二层粉煤灰的施工。经试验第二层粉煤灰不存在上述问题。

    2、施工工艺

    2.1虚铺厚度

    采用90型推土机铺垫与整平粉煤灭，每层铺垫厚度250mm～300mm，现场配备测量人员控制标高，高差控制在±5cm以内。基坑周围机械不能到的地方，人工铺设厚度300mm～350mm。

    2.2碾压遍数

    粉煤灰碾压应遵循先轻后重的原则，经试验确定采用YZl6型振动压路机，先静压交叉各2遍，再振压交叉各6遍，最后再静压交叉各2遍。

    压轮重叠300rmn，压路机碾压的行驶速度应控制在每分钟30米以内。当试验时压轮重叠400mm~600mm，行使速度每分钟50米，碾压规定的遍数后取样，压实系数多数达不到要求。在施工时应有专人控制压实遍数，压轮重叠宽度和压路机的行驶速度。

    2.3含水量

    粉煤灰为散状材料，透水性较好，最优含水量随材质的均匀性变化较大。在施工过程中，对料厂不同位置不同时期的4种粉煤灰分别进行了3组击实试验，4种粉煤灰的最优含水量及最大干重度平均值见表1。

 

    表1       最大干重度及最优含水量采用值（平均值）

 

    由表一可以发现粉煤灰随材质均匀性的不同最大干重度和最优含水量变化较大．最优含水量随最大干重度的增加而降低。经对现场取样试验的705个点的数据分析说明，其压实密度随含水量的变化而变化，当含水量为最佳时，可达到最大压实密度，超过时压实密度又趋于下降，现场含水量的最佳值应为击实试验的最优含水量加3%。

    2.4边坡施工

    粉煤灰垫层的三面紧临基坑边，北面为基坑内二期工程的场地，为保持边坡稳定和防止粉煤灰流失，边坡采用石灰和粉煤灰按2：8的比例混合后回填，回填宽度10米，1：2放坡，与粉煤灰同步分层回填压实．压实系数0.93。

    3、施工注意事项

    3.1铺设时要边洒水边铺设．洒水要均匀，压路机碾压前粉煤灰的含水量应不低于最优含水量。洒水后在正常气温下应在2--4小时内碾压，否则需重新洒水。

    3.2取样点应控制在该层厚度的2/3处，因粉煤灰每层上部100mm～130mm处容易扰动，造成土样失真。

    3.3每层试验合格后，要尽快铺设上一层灰，最后一层施工完可用素土填20cm压实后覆盖，粉煤灰自然堆放因干燥而表面膨胀，龟裂造成承载力降低和环境污染。

    3.4参考点的位置应在试验分区内分散开随机布置。因大面积的粉煤灰是用推土机铺设的，而参考点内的粉煤灰是人工铺设，所以要求参考点内粉煤灰应高出周围100mm~150mm , 然后同部碾压．以免参考点不能充分压实。

    3.5在非参考点内现场取样39个点，压实系数达到0.93的点为19个，约占50％．试样不合格的主要原因是粉煤灰含有少量炉渣，均匀性较差，在环刀取样时造成土样扰动失真，所以在施工时应尽量选用纯度高、均匀性好的粉煤灰。

    4、静载试验

    整个基坑回填至设计标高后，在不同区域内进行了6个试验点的静载试验，试验点编号为S1～S6。在S4点试验满足设计要求的180Kpa后在其点又逐步加大试验荷载，加荷分级情况见表2。由试验产生的P—S曲线可判断：6个试验点加荷达最大加荷量时，均未达到极限荷载。依据试验点的相对变形及最大加荷量等参数，综合判定粉煤灰垫层地基承载力基本值见表3。

 

    表2            粉煤灰垫层静载试验加荷分级表            

表3          粉煤灰垫层静载试验综合结果表                   

 

    通过静载试验可以确定，粉煤灰垫层回填施工的施工工艺和施工控制是合理的，粉煤灰承载力标准值不小于180Kpa，满足设计要求。

    二、夯扩桩施工

    1、设计要求：桩径?=450mm，桩长2.9米，主筋配6Ф12螺旋箍筋?8＠200，砼强度等级C30，主筋保护层为40mm，三栋塔楼内呈梅花状满堂布置，裙房区域内分别由5桩~12桩承台组成，桩间距1.5米~1.8米，总桩数量1812根，单桩承载力1730KN，复合地基承载力标准值f_k=660Kpa，桩顶满铺300厚褥垫层。

    2、施工方法：

    2.1、引孔：因回填粉煤灰强度高可塑性差，为防止夯扩时对粉煤灰层造成的扰动及破坏，现场采用等桩经螺旋钻引孔，引孔深度h=2m（即回填厚度）。钻出粉煤灰及时清运出场，桩孔口用灌满粉煤灰编织袋及时覆盖，以防止粉煤灰水分散发而坍塌或杂物落入孔内。

    2.2、桩基就位施工：引孔后桩机根据桩孔位调整就位。当桩管护筒垂直对准桩孔后，即沉管至引孔底进行夯扩。夯扩细长锤重约2.8T，夯击能量约为21t.m，为确保持力层落在第④层卵石上，一是保证桩长在2.9m左右，二是以三击贯入度进行控制，在护筒上做好桩长标记，当夯扩至设计桩长时即测三击贯入度，若三击贯入度小于8~9cm时，即可下填干硬性砼；若三击贯入度大于8~9cm，则护筒继续下沉夯扩，直至三击贯入度满足要求为止。

    施工时对每桩均编号、记录：施工的时间、夯击数量、桩长、三击贯入度值，夯填料，干硬性砼数量，有无地下水，施工完后的桩顶标高等。

    2.3、夯填料：根据《复合载体夯扩桩设计规程》（JGJ/T135-2001、J121-2001）要求，结合本工程地质报告，持力层在第④层卵石上承载力较高，变形模量较大E₀=75Mpa，夯扩桩形成大头的主要目的不是通过加固下部地基，提高单桩承载力，故取消了夯填料直接夯填干硬性砼形成扩大头。干硬性砼由同标号（C30）配比拌制而成，当夯扩至地下水位线后，为保证三击贯入度的准确性干硬性砼累计下料0.1m³（约13~15锨）后，三击贯入度呈递减趋势且累计不超过6cm时，则继续干硬性砼的夯填直至形成扩大头，累计干硬性砼填入量约为0.4m³。

    2.4、砼浇筑：扩大头施工完成后，安放钢筋笼，桩身砼塌落度第一盘控制在14~16cm，以后为12~14cm。为防止钢筋笼随护筒上拔时上浮，现场用细钢管及钢筋头焊成“十”字状止浮器，用细长锤压在钢筋笼顶端，此时护筒上拔，从护筒壁预留口中投放砼并下棒振捣交替进行，直至完成。为确保桩顶部因振捣形成的浮浆现象，桩顶浇筑高出设计标高20cm。

    2.5、施工顺序及注意事项：夯扩桩施工采取隔行跳打，共分四轮进行，相邻桩施工最小不少于7天为准。

在施工第二轮桩时，现场观测到：桩间土隆起在第一轮隆起值基础上，范围在累计加大，标高在增加，同时第一轮桩顶标高普遍隆起上浮1~3cm。随着第三轮桩的施工，第二轮桩也出现上浮现象，第一轮桩仍在累计上浮，每施工完一轮可造成前轮桩顶上浮2~3cm左右，呈递增现象。因此，在第二轮桩快要完毕时，曾尝试调减干硬性砼下填量，发现隆起值同干硬性砼填量呈正比，就干脆将第三轮桩干硬性砼调减为0.25m³，第四轮调为0.1 m³，施工结果仍呈前述现象，桩间土普遍累计隆起在30~50cm，远远高于设计规程要求的5cm。桩顶标高隆起情况：第四轮没有变化，第三轮1~3cm，第二轮3~7cm，第一轮较严重，累计达7~11cm，个别桩甚至高达16.5cm。现场对较特殊情况桩挖开查看，桩身与扩大头处断裂上浮，但桩身质量完整，用细长锤对桩顶进行复打，桩身可回复原位，但桩顶因锤击有所损伤，故现场采用YZY-240型全液静力压桩机，对桩顶及桩间土进行回压，压桩机配重不小于220T，经观测，第四轮桩经压桩机回压后没有变化。

    三、桩基检测：

    1、低应变检测：结合施工中遇到的具体情况，对其中的54根桩进行桩身完整性检测，见表4：

    表4：        桩身完整性检测成果表                        

    注：检测桩大部分为挑出的认为不正常的桩。

 

    桩身完整性分类说明：

    A类：实测曲线有清晰的夯扩体信号，实测信号表明夯扩体位置上移（在卵石层内）。

    B类：实测曲线无夯扩体信号，只能反映桩身段的完整性情况。

    C类：桩身中部有明显的低阻抗反射，可能为拉裂缝。

    D类：桩身中部存在明显的扩径信号，扩径位置以下桩身及夯扩体情况不一样。

    为验证检测结果，现场对不同类型的桩分别开挖2根进行验证，B、C、D类桩符合检测结果，而A类桩实际在扩大头与桩身结合部已断裂（上浮），经分析因桩身太短造成信号反射失真。

    2、静载荷检测：现场对复合载体夯扩桩（桩及桩间土）静载荷测试点11个，褥垫层为桩顶上满铺300厚破碎密石，密石直径为0.2~0.4cm，浇水湿润，振捣密实，采用1.95m²圆形钢板，荷载配重为350t，检测结果见表5