（岩土工程专业论文）cfg桩在平顶山地区软土地基处理中的应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着土木工程建设的迅速发展，工程建设规模日益扩大，设计和施工的难度不 断提高，工程建设对地基的要求越来越高。在天然地基不能满足工程建设的要求时， 地基处理问题就成为关系到工程建设质量与投资的关键。而如何做到技术经济、安 全可靠就成为地基处理方案设计与施工的重点问题。 本文在总结有关文献及大量工程实践的基础上，以c f g 桩复合地基进行软土地 基处理的设计与应用为主线，系统地阐述了c f g 桩复合地基的基本理论，分析了褥 垫层的作用机理和承载力与变形的计算方法。对设计方法、施工工艺及质量控制进 行了探讨。 论文重点对c f g 桩复合地基的褥垫层的厚度进行了系统的分析和研究：首先， 通过对不同厚度的褥垫层进行的对比性静荷载试验，定性分析了褥垫层对c f g 桩复 合地基承载能力的影响；其次，根据地基竖向变形协调方程，推导出了褥挚层厚度 的理论计算方法。 最后，以平项山沁园小区高层住宅群采用的c f g 桩复合地基处理为例，分析研 究了软土地基处理情况下，如何选择地基处理方案，如何进行设计、施工和检测； 对可能出现的工程质量问题，提出了解决的方案和方法，并对加固的效果作出了评 价。 关键词：地基处理复合地基c f g 桩承载力褥挚层厚度 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc i v i le n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n , t h e s c a l eo f e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni se x t e n d i n ga n dt h ed i f f i c u l t yo ft h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o ni s a l s oi n c r e a s i n gc o n s t a n t l y c o n s e q u e n t l y , t h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nd e m a n d sm o r ef o r f o u n d a t i o n w h e nt h en a t u r a lg r o u n dc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ec o n s t r u c t i o n , g r o u n dt r e a t m e n tw i l lb e c o m et h ek e yp o i n to ft h eq u a l i t ya n dc o s to ft h ep r o i e c t t h e n h o wt om a k ei tm o r ee c o n o m i c a la n ds a f e rb e c o m e st h em o s ti m p o r t a n tp a r t b a s e do nr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n dl o t so fp r a c t i c a lp r o j e c t s ，t a k i n gt h ed e s i g na n d a p p l i c a t i o no fs o f ts o i lg r o u n d t r e a t m e n to fc f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na st h em a i n l i n e ， t h ep r i n c i p l eo fc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fc u s h i o na l e s y s t e m a t i c a l l yi l l u m i n a t e d , a sw e l la st h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fh e a r i n gc a p a c i t ya n d d e f o r m a t i o n t h ed e s i g nm e t h o d s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dq u a l i t yc o n t r o la l ea l s o d i s c u s s e d t h ec u s h i o nt h i c k n e s so fc f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sm a i n l ya n a l y z e di nt h i s p a p e r f i r s t l y , t h r o u g ht h es t a t i ct e s tw h i c hi sc a r r i e do nc u s h i o n so fd i f f e r e n tt h i c k n e s s ， t h ei n f l u e n c ec u s h i o no nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s a n a l y z e d s e c o n d l ba c c o r d i n g t oc o m p a t i b l ee q u a t i o no fv e r i c a ld e f o r m a t i o n , t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o d so fc u s h i o nt h i c k n e s sa l ed e d u c e d a tl a s t , t a k i n gt h ee x a m p l eo ft h ec f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw h i c hi su s e di n t h eo i n y u a nr e s i d e n t i a lc o m m u n i t yi np i n g d i n g s h a nc i t y , t h em e t h o d so fm a k i n gac h o i c e o ng r o u n dt r e a t m e n tp l a na n dc a r r y i n go i li ti nt h ec o n d i t i o no fs o f ts o i lg r o u n dt r e a t m e n t a l ea n a l y z e di n t h i sp a p e r ；b e s i d e s , t h es o l u t i o n sf o rt h ep o t e n t i a le n g i n e e r i n gq u a l i t y p r o b l e ma l ep u tf o r w a r d , a n dt h er e i n f o r c e de f f e c ti sa l s oe v a l u a t e d k e yw o r d s ：g r o u n dt r e a t m e n t b e a r i n gc a p a c i t y c o m p o s i t ef o u n d a t i o n c f g p i l e c u s h i o n t h i c k n e s s i i 独创性声明 y 1 0 1 7 2 9 0 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的斑容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做h 贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名懈 嚣期：碱年lx 胃弋强 学位论文版权使用授权书 本学彼论文作者完全了解学校商关保留、使用学位论文的蕊定，都：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科按大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘 痒进行检索，可以采用影印、缩印或招描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口， 在 = ：1 = ：保密母 ( 请在以上方框内打“” 学位论文作者签名：雷苏涉 年解密后遗用本授权书。 臌名：膨 嗍撕制月歹网衫吼cf 年7 月日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 地基处理的目的和方法 1 1 1 地基处理的目的 1 绪论 近年来，随着我国建设事业的蓬勃发展，各类建筑物的日益增多，建设工程越 来越多地遇到不良地基，而上部结构荷载也不断增大，变形要求更加严格，原来属 于良好的地基，也可能在新的条件下不能满足上部结构的要求。因此，地基处理问 题也就显得更为常见和更加重要。 地基处理的目的是采取切实有效的措施，改善地基的工程性质，满足建筑物的 要求。具体可以概括为以下几个方面【m j ： 1 、提高地基的承载力和稳定性 建筑物的地基承载力不够；使结构失稳或土方开挖时边坡失稳；而承载力的直 接影响因素是土的抗剪强度，抗剪强度不足，易使土体发生剪切破坏。因此，为了 防止剪切破坏，就需要采取增加地基土的抗剪强度的措施。 2 、减小地基的沉降变形 地基的高压缩性表现在建筑物的沉降和差异沉降大，要避免沉降变形过大，最 有效的措施是提高土的压缩模量。 3 、改善土的透水特性 地基的透水性表现在堤坝、房屋等基础产生的地基渗漏；基坑开挖过程中产生 流沙和管涌。因此需要研究和采取使地基土变成不透水或减少其水压力的措施。 4 、改善动力特性 地基的动力特性表现在地震时粉、砂土将会产生液化；由于交通荷载或打桩等 原因，使邻近地基产生振动下沉。因此需要研究和采取使地基土防止液化，并改善 振动特性以提高地基抗震性能的措施。 5 、改善特殊土的不良地基的特性 主要是指消除或减少黄土的湿陷性和膨胀土的胀缩性等地基处理的措施。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2 地基处理的方法 地基处理的方法很多，从它的原理、目的、性质和时效等不同的角度进行分类。 现根据加固机理及便于加固后承载力分析，将目前常用的方法分类如下，如图1 - 1 。 图1 - 1 地基处理方法分类 2 华中科技大学硕士学位论文 1 、密实法 密实法系指松散的非饱和土和软弱的饱和土，在荷载( 静荷载、动荷载或冲击 荷载) 作用下，使土体的孔隙体积减少、密实度提高，地基土的承载力增加、压缩 性降低。 ( 1 ) 排水固结法 又称预压法，其实质是利用地基受荷排水固结的规律，采用不同的加荷方式和 不同的排水措施处理饱和软粘土的一种方法【3 】。其基本原理如图1 2 ：排水固结增大 地基土强度的原理。 固结压力吒 图1 - 2 排水固结增大地基土强度的原理 真空预压法：真空预压是以大气压力作为预压荷载、在拟加固场地表面铺设 一层透水的砂垫层，在其上覆盖一层不透气的密封薄膜，然后用真空装置抽气，在 密封膜内产生一定的真空度，土体中产生负的孔隙水压力，在膜内外压差作用下， 使土体固结。 国外于2 0 世纪4 0 年代木首先在瑞典应用该法，随后r 本和美国等国相继进行 华中科技大学硕士学位论文 了探索和研究，我国交通部一航局在7 0 年代末，成功地在新港集装箱码头工程应用， 并取得了可喜的研究成果。通过多年探索，使膜内真空度达6 0 0 m m 水银柱高，相当 8 0 l 【p a 的预压荷载。 如图1 3 ：真空预压加固地基示意图 3 2 图1 - 3 真空预压加固地基示意图 卜排水支管；2 - 排水总管3 一真空设备 4 一粘士密封5 一塑料模6 一砂垫层7 - 袋装砂井 堆载预压法：堆载预压是用填土、砂石料或其它重物对地基施加预压荷载， 使孔隙水排出，达到土体固结的目的。加固后地基承载力的大小取决于堆载荷重的 大小。 堆载预压与真空预压不同，真空预压可一次将荷载加到最大值，而不使土体产 生剪应力增量，即不必考虑地基产生的剪切破坏。堆载预压则必须考虑加荷速率对 土体产生的影响一般采用分级簏加荷载，每天要进行竖向变形、边桩位移、孔隙水 压力观测，并要求竖向变形每天不超过l o m m ，边桩位移每天不应超过4 m m 。 预压法主要用于淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和的粘性土地基。对于透水性好 的土和夹薄砂层的粘性土可不再设置纵向排水通道，这样也可取得良好的固结效果。 而对透水性差的粘性土，为了缩短预压排水固结周期，通常还要设置纵向排水体， 如砂井、排水纸板等。 ( 2 ) 碾压法 4 华中科技大学硕士学位论文 碾压法是对比较疏松的表层土进行压实，也可对分层填筑土进行压实。当表层 土含水量较高时或填筑土层含水量较高时可分层铺垫石灰、水泥进行压实，使得土 体得到加固。 碾压法适用于浅层疏松的粘性土，松散砂性土，湿陷性黄土及杂填土等。 ( 3 ) 动力夯实法 重锤夯实法：重锤夯实是利用重锤自由下落所产生的较大夯击能来夯实浅层 地基，使其表面形成一层较为均匀的硬壳层，获得一定厚度的持力层。 适用范围是无粘性土、杂填土，不高于最优含水量的非饱和粘性土以及湿陷性 黄土。重锤夯实相对于碾压有较高的夯击能，因而能提高有效加固深度。 强夯法【卅：是法国m c n a r d 技术公司于1 9 6 9 年首创的一种地基加固方法，它 通过一般1 0 4 0 t 的重锤和1 0 4 0 m 的落距，对地基土施加很大的冲击能，在地基 土中所出现的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土 的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时，夯击能还可提高土层的均匀程 度，减少将来可能出现的差异沉降。 强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素 填土和杂填土等地基。对于淤泥和淤泥质土地基，尤其是高灵敏度的软土，其适用 性尚有争议需经试验证明其加固效果后才能使用。 2 、置换法 置换法也称换填法，是将基础下一定范围内的软弱土层挖除，然后分层换填强 度和模量相对高的砂、碎石，灰土、素土，并夯实至要求的密度，形成一个较好的 持力层。达到提高承载力和减少变形的目的。 置换法承载力的提高依赖于土的置换作用。 3 、复合地基法， 复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体，并由原土和增强体共同承担 基础传来的建筑物荷载【5 l 。 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在 天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体) 和增强体两部分组成 华中科技大学硕士学位论文 的人工地基。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体和竖向增强体复合地 基。 水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料格 栅等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩，竖向增强体复合地基通常称为桩 体复合地基。桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为三类：散体材料桩复合 地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。 ( 1 ) 散体桩复合地基：散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身 材料没有粘结强度，单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩 体。散体材料桩复合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能 够提供的桩侧侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。 ( 2 ) 柔性桩复合地基：柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定粘结 强度，柔性桩中部分强度较高的桩( 如粉喷桩) 己较强地表现出桩的性状。柔性桩 复合地基的承载力由桩体和桩间土共同承担。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰 土桩、石灰桩、水泥土桩等。 ( 3 ) 刚性桩复合地基：刚性桩复合地基的桩体通常以水泥为主的胶结材料，有 时由混凝土、或由混凝土和其他掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩土共同作用， 通常在桩顶设置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性 桩复合地基具有更高的承载力和压缩模量，而且复合地基承载力也具有较大的调整 幅度。 从上个世纪6 0 年代复合地基概念提出到目i i 国内外的广泛应用，前后只有不到 五十年的时间，但在这短短的几十年中复合地基理论的发展却极为迅速。原因之一 就是它引入了桩体和土体相互作用、相互受力的概念，力求把天然材料和人工材料 的潜力发挥到极至，是实用性和经济性二者的完美结合。但由于桩土材料性质的差 异，造成复合地基形式的千变万化，进而不可避免地带来许多问题，其应力、变形 等性状还需进一步深入研究。 4 、加筋法 加筋挡土结构是通过在土层中埋设强度交大的土工聚和物、拉筋、受力杆件等 6 华中科技大学硕士学位论文 提高地基的承载力，减小沉降，维持建筑物的稳定。常用的加筋法有： 土工合成材料；包括土工织物、筋材制品、加筋复合制品和土工合成纤维等 加筋挡土结构：有包裹式加筋挡墙和条带式加筋挡墙。 5 、灌浆法 灌浆法是利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把化学浆液注入地基的孔 隙或裂缝中，以填充、渗透、劈裂和挤密等方式，替代土颗粒间孔隙或岩石裂隙中 的水和气。经过一段时间结硬后，浆液将原来松散的土粒或有裂隙的岩石胶结成整 体，其强度高、防渗性能好且化学稳定性好。化学浆液有很多种，目前工程中常用 的有水泥系浆液，所谓水泥系浆液，是指以水泥为主剂，根据需要加入稳定剂、减 水剂或早强剂等外加剂组成的复合型浆液。 1 2 地基处理方法的选择和设计原则 地基处理方法的选择：衡量一个地基处理设计方案的优劣，不仅要求该方案安 全可靠，而且要求该方案技术先进，经济合理，满足施工进度要求，同时还要兼顾 节约能源、保护环境。由于地基处理工程的地区性特点突出，要做到地基处理设计 方案优化，就要因地制宜，因为各地工程地质和水文地质条件千变万化，各地的施 工机械、技术水平、经验积累，以及建筑材料品种、价格差异很大，所以制定地基 处理设计方案时要因地制宜，充分发挥各地的优势，有效地利用地方资源。另外， 在考虑地基处理方案时，应同时考虑下部结构、基础和地基的共同作用，采用多因 素分析法优选地基处理方案。 地基处理的设计原则：根掘建( 构) 筑物的结构类型、荷载大小及使用要求， 结合地形地貌、地层结构、地基土土质条件、地下水特征、环境情况和对邻近建筑 物的影响等因素综合考虑，本着安全适用、确保质量、经济合理、技术先进的原则 初步选定几种可供采用的地基处理设计方案，另外，在选择地基处理方案时应考虑 上部结构、基础和地基的共同作用，而后对初步选定的地基处理设计方案分别从加 固机理、适用范围、预期效果、材料来源及消耗、专用机具设备条件、施工进度和 对环境的影响等方面进行全面的技术经济的对- - i i 分析，从而因地制宜地选择最佳 华中科技大学硕士学位论文 的处理方法，进一步优化设计方案。由于每一种地基处理方法都有一定的适用范围、 局限性和优缺点，因此必要时可选择两种或多种方法织成综合处理方案。 另外，对选定的地基处理方案，宜按照建筑物的安全等级和场地复杂程度，在 有代表性的场地上进行相应的现场试验和试验性施工，并进行必要的测试，以检验 方案设计参数和处理效果是否达到设计要求，如达不到设计要求，应查找原因，采 取措施或修改地基处理设计方案。 1 3 本文的主要研究工作及意义 1 3 1 本文的主要研究工作 c f g 桩复合地基处理方法具有造价低廉、施工简便、快捷、加固效果明显等优点， 目前已大量用于房屋建筑地基、公路、港v i 、码头等软基加固。虽然c f g 桩复合地 基的应用已有二十多年的历史，许多学者和工程技术人员也进行了大量的理论和试 验研究，但就目前c f g 桩技术发展而言，在指导工程实践上还存在一些问题和需要 继续研究。比如褥垫层的设置主要停留在经验的基础上，缺乏理论性，加强对褥垫 层性质的研究很有必要。因此，本文在总结前人的研究成果的基础上，结合自身对 c f g 桩复合地基的认识及工程实践作了比较详细的研究。本文的主要内容如下： 1 、简要介绍了地基处理方法的运用原理和适用范围，总结了地基处理方法的优 选方法和设计原则； 2 、介绍了复合地基目前的发展历史，着重分析了c f g 桩复合地基的加固机理 和工程特性； 3 、重点对c f g 桩复合地基的褥挚层厚度进行了系统的分析和研究，通过对不 同厚度的褥挚层进行对比性静荷载试验，定性分析了褥挚层对地基承载能力的影响； 其次，根据地基竖向变形协调方程，推导出褥挚层厚度的理论计算方法，并提出了 如何根据计算结果来进行褥挚层的优化设计； 4 、讨论了目前国内和国外采用的c f g 桩复合地基承载力计算方法，列举了当i j c f g 桩复合地基变形计算采用的方法和c f g 桩复合地基的设计方法、施工原理及施工 华中科技大学硕士学位论文 工艺，列举了对c f g 桩复合地基设计的影响因素、布桩的原则，总结了c f g 桩的施 工检测和验收标准，对施工中存在的质量缺陷及解决办法进行了研究分析； 5 、通过工程实例说明c f g 桩复合地基的适用范围、加固效果及经济效益； 6 、通过以上工作得到一些有关的结论，并针对目前c f g 桩复合地基的进一步 研究提出了几点建议。 1 3 2 研究意义 二十多年来，复合地基在我国地基处理中得到广泛应用。特别是近年来，复合 地基理论的研究和现状发展很快，一批新的桩型、施工设备和施工工艺应运而生， 一些设计思想也给人耳目一新的感觉。c f g 桩复合地基作为一门新的技术，正在被 国家广泛推广使用，2 0 0 5 年3 月7 日，中华人民共和国建设部进一步把c f g 桩复合 地基作为9 4 年以来建筑业1 0 项新技术之一并签令进一步推广。 而地基处理设计施工是一项实用性很强的工程技术，其技术条件复杂，所受影 响因素众多，与场地工程地质条件、水文地质条件、工程建设要求等密切相关。同 时，进行地基处理，还应重视环境保护。因此，技术经济、安全可靠的地基处理方 案的提出，先进施工方法的应用，对工程建设具有重大的现实意义。 c f g 桩为高粘结强度桩，其形成的复合地基具有其他散体桩复合地基及中粘结 强度桩复合地基所不具有的工程特性。承载力提高幅度大，可调性强，c f g 桩的适 用范围广。 该技术具有施工速度快、工期短、质量容易控制及工程造价低廉( 工程造价一 般为桩基的1 3 1 2 ，经济效益和社会效益非常显著) 等特点。现已在全国2 3 个省、 市被广泛推广应用，据不完全统计，该项技术已在1 0 0 0 多个工程中应用。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 复合地基 2 1 复合地基的发展历史 现代地基处理技术应从1 9 世纪3 0 年代欧洲应用砂桩算起。后来德国s s t e u e r m a n 在1 9 3 0 年提出采用振冲法加密砂性土原理。1 9 3 3 年，德国的j k e e l l e r 制成了第一台 振冲器，并于1 9 3 5 年在纽伦堡用于加固松散粉砂地基，并在美国、欧洲、日本等地 得到应用。1 9 6 0 年左右在英国开始将振冲法应用于粘性土地基。不久，在德国、美 国和日本也用于加固软填土地基。1 9 7 6 年下半年，南京水利科学研究所和交通部水 运规划设计院共同研究振冲法加固填土地基技术，1 9 7 7 年试制造出我国第一台1 3 k w 振冲水冲器，1 9 7 7 年9 月首先用于南京船体车间软粘土地基加固，加固深度1 3 到 1 8 r a n 。 1 9 7 9 年h o o p e ：教授根据有限元的模拟分析指出，为了得到竖向刚度较大的桩 一土复合地基而需的桩数并不多，桩数的进一步增加对减少最大沉降和差异沉降作 用并不大用。 1 9 8 0 年澳大利亚著名学者p o u l o s 教授根据筏一桩一土相互作用的分析提出了仅 用于减少沉降的桩基础的沉降公式【8 o l 。 上世纪8 0 年代初在瑞典进行了大量的有关减少沉降的复合地基桩基基础理论和 现场试验系统研究，并由j & w 设计顾问提出了c r e e pp i l e ( 屈服桩，或蠕变形桩) 的设计概念和方法，在瑞典得到了应用和发展。其设计基本原则是：最大限度的发 挥桩的承载力，使桩的安全系数为1 o 【1 1 1 。 上世纪七八十年代陈龙珠教授对桩筏基础进行了一系列的实测试验、室内 模型试验和理论研究【1 2 l 。1 9 8 6 年，r w 总结了对伦敦硬土地区高层建筑桩基础研究 的几十年成果，认为按照目前强度控制的桩基常规设计方法的桩基础的实际安全系 数要远大于设计中所选取的2 或者3 ，并且指出，在桩基础纯粹用来减少基础沉降的 地方，均质土中模型试验表明，在桩问距为4 倍桩径时再加入更多的桩减少沉降作 用并不是很显著。试验结果和简单的分析都表明，6 倍和8 倍桩径的桩间距几乎与较 1 0 华中科技大学硕士学位论文 小桩间距一样有效 1 3 1 。 1 9 7 9 年童诩湘基于群桩基础工作机理的分析，提出了分不同情况按沉降设计桩 基的初步想法，例如，当容许建筑物产生较多下沉，仅天然地基不满足要求而采用 桩基础时，可令土与桩共同承担外荷载，土的容许应力为6 0 8 0 k p a ，余下的荷载由 桩来承担，每根桩可发挥极限承载力，同时应验算整个桩基的整体强度；在估算桩 基下沉时，要考虑土与桩两者共同传来的应力【1 4 1 。 上世纪八十年代中后期，上海民用建筑设计院黄绍铭等人以g e d d e s 应力解为基 础的桩基沉降计算方法的基础上，提出减少沉降量桩基的设计思想和方法，并开始 进行了工程实践尝试【1 5 1 。 1 9 9 1 年在减少沉降量桩基的设计和初步实践( 第六届全国土力学及基础工程 学术会议论文集) 一文中将其研究成果进行了总结，认为减少沉降量桩基实质上是 以变形控制为原则，考虑桩与土或者桩与承台作用，介于天然地基浅基础和桩基之 间的一种基础形式，并且提出了有关基础极限荷载和基础沉降的计算公式i 垌。 同济大学从上世纪八十年代初就开始了桩土相互作用课题的研究。赵锡宏 课题组对高层建筑与地基基础( 包括非线形) 共同作用进行长期的理论和现场试验 研究工作，出版了上海高层建筑筏基与桩箱基础设计理论和带群房的高层建 筑与地基基础共同作用的设计理论等著作。1 9 8 8 年杨敏教授【1 7 】地基处理手册 编写委员会地基处理手腮北京：中国建筑工业出版社，1 9 8 8 年杨敏教授在“上海地 区桩箱基础的沉降与整体倾斜分析”一文中首次讨论了在目前的桩基础设计中减少 桩数节约工程造价的问题，指出对于由沉降控制而确定用桩数量的桩箱基础来说， 如果建筑物对沉降并不特别敏感，则在地基强度能够满足的情况下，减少用桩数量， 基础的沉降虽然有所增加，也不会引起建筑物发生使用上的困难”，并与1 9 8 9 年开 始在上海的多层和小高层建筑物的基础设计中应用减少沉降的桩基的概念进行了实 际工程的应用实践。为交流和推动减少沉降桩基础的发展，1 9 9 6 年9 月又在同济大 学召开了我国首次“软土地基变形控制理论和工程实践学术讨论会”。 1 9 9 7 年杨敏教授【1 7 1 根据近似的桩一土相互作用弹塑性分析，从机理上讨论了桩 数变化对基底下应力场的影响问题，计算结果表明，桩数的多少直接影响基础板以 华中科技大学硕士学位论文 下的地基土中的应力场，从而将导致不同桩数时有不同的沉降结果，这与我们传统 的实体深基础模型中采用的基本假定是完全不同的。 1 9 9 2 年南京建筑工程学院宰金眠教授【1 8 l 提出复合桩基的设计方法，并将“复合 桩基”定义为系按大桩距( 5 6 倍桩径及其以上) 布置的低承台摩擦群桩或端承作 用较小的端承摩擦桩与承台底土体共同承担的桩基础，其设计计算满足总安全度k 不小于2 和总沉降量小于容许沉降的双重控制条件。 中国土木工程学会土力学及基础工程学会( 土力学及岩土工程学会) 地基处理 学术委员会自1 9 8 6 年起至2 0 0 0 年共主办了六次全国地基处理学术讨论会。每次会 议论文均超过1 0 0 篇，内容涉及地基处理技术中的各个方面，反映了地基处理领域 的主要成就和发展水平。 复合地基的概念形成于6 0 年代，且已经成为很多地基处理方法的分析及理论公 式建立的基础及根据。这最早产生于砂桩加固地基的分析，随后广泛地应用于土桩、 碎石桩、深层搅拌桩、石灰桩等加固的理论分析之中【2 】。 由于地基处理技术应用的时间不长，相比较而言复合地基理论落后于实践，复 合地基作用机理及设计理论的研究正处于发展之中，尚不够成熟。 以下就散体材料桩、柔性桩及刚性桩复合地基的发展概况作简要的介绍。 散体材料桩主要包括砂桩和碎石桩。砂桩于1 9 世纪3 0 年代源于欧洲。在长时 间内由于没有实用的设计计算方法，缺少先进的施工工艺和施工设备而影响了它的 发展。二次世界大战之后，前苏联在这方面的研究取得了较为广泛的应用。砂桩在 上个世纪5 0 年代引进我国，在工业和民用建筑，交通，水利等工程建设中都得到了 应用。尤其是在近2 0 年来，采用砂桩加密松散砂土地基，软土地基，或防止砂土振 动液化砂土地基发展尤为迅速。崔云翔( 1 9 8 0 ) 探讨了采用冲孔捣实施工法施工砂 桩的效果。史美均( 1 9 8 0 ) 、杨灿文( 1 9 8 5 ) 采用挤密砂桩加固软土地基和饱和粉细 砂土地基均取得了较好的效果。郑俊杰讨论了石灰桩与深层搅拌桩联合加固深厚软 土的技术【1 9 1 。 振冲法应用于粘性土地基时，填入石料的桩体称为碎石桩，这些桩体与原地基 土一起构成复合地基，该方法称为振冲碎石桩法。振冲碎石桩法与振冲砂桩一样， 华中科技大学硕士学位论文 除对桩间土的挤密作用外桩土同时具有置换作用和排水作用【捌。 自1 9 7 7 年9 月振冲碎石桩用于南京船厂船体车间软粘土地基加固开始，根据不 完全统计。我国已经有2 1 0 0 台振冲器投入工程使用，与旧有地基处理方案相比节约 了处理投资数十亿元，同时大幅度缩短了工程的施工工期，节省了大量的“材料”， 为国家取得了重大经济效益。1 9 7 8 年9 月制定了振冲碎石桩加密砂基暂行施工操 作规程【2 1 1 。 在北方，重点对地震区易液化的砂性土振冲置换加固地基进行了工程应用和研 究。在南方，重点对饱和软弱的粘性土进行设计计算方法研究。1 9 7 9 年至1 9 8 2 年间， 振冲法被大量采用，应用到强度大于1 5 4 k p a 的地基，加固机理及大量室内模型研究 取得了显著成果，推动了振冲地基的理论发展1 2 。冶金部建筑研究总院王余庆，中 国建筑科学院地基所张永均研究了碎石桩的排水减压，抗液化影响范围，布桩范围 及深度对场地加固区抗液化的影响：南京水科院研究了碎石桩的压溃破坏情况；高 国瑞、段光贤还在现场采集了深层土样用电子显微镜拍片，进行振前振动后的微观 结构变化对比。 柔性桩复合地基主要包括土桩及灰土桩复合地基、石灰桩复合地基、深层搅拌 水泥土复合地基和高压旋喷桩复合地基。土桩挤密法是前苏联别列夫教授1 9 3 4 年首 创，并在工程建设中得到广泛应用【捌。我国自5 0 年代中期开始，在西北黄土地区进 行了土桩挤密法研究和应用。6 0 年代中期，西安地区在土桩挤密法的基础上成功地 应用了灰土挤密桩法，并在7 0 年代起逐步推广应用。国家行业标准建筑地基处理 技术规范中已经编入土桩和灰土桩适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填 土和杂填土地基【”。 陆震亚、杨鸿贵对灰土桩的力学性能及土桩地基机理及承载特性进行了比较系 统的研究。刘三仓对灰土桩的应力分布、桩间土承载力进行了试验研究，并提出了 灰土桩复合递交的计算方法。 石灰桩瞄l 最早在我国应用。1 9 2 9 年天津开业的德国工程师e h u n k e 发表的叙述 中国狄土和石灰桩的文章是迄今为止有关石灰桩的最早记录。上世纪5 0 年代初，天 津大学范恩馄教授开展了石灰桩加固软弱地基的研究。1 9 5 7 年，铁道科学院等单位 华中科技大学硕士学位论文 进行了石灰桩、换填土、砂垫层，长砂井、短密砂井加固路基的对比试验。1 9 8 7 年， 根据建设部“七五”计划重点科研课题的要求，湖北省建筑科学院等单位开展石灰 桩复合地基的设计计算和成桩工艺的试验研究，取得了一系列的成果。此外，石灰 桩已大量应用于工程实践，取得了非常成功的经验。 深层搅拌法j 的室内试验和机械研制工作于1 9 7 7 年1 0 由冶金部建筑研究总院 和交通部水运规划设计院进行，并于1 9 8 0 年初在上海宝山钢铁总厂第五冶金建设公 司在三座卷管设备基础软土地基加固工程中正式采用并获得成功，同年1 1 月由冶金 部基建局主持，通过了“饱和软土深层搅拌加固法”鉴赳2 5 】。 关于水泥土桩复合地基进行了大量的室内外试验研究、理论分析及数值模拟， 取得了一大批成果，使得深层搅拌水泥土桩的设计理论趋于成熟【2 6 l 。刘一林利用宁 波粘土进行不同置换率的水泥土土复合土体试样的固结不排水三轴剪切试验， 探讨了复合土体的应力应变关系及强度特性。王启铜研究了水泥土桩的沉降特性。 张土乔对水泥的不同掺量龄期强度进行了大量试验，得到其应力应变关系及水泥土 搅拌桩的破坏特性。王朝东讨论了水泥搅拌桩临界桩长问题。姚笑青将临界桩长引 入水泥土搅拌桩复合地基沉降计算之中。韩杰、叶书麟对碎石桩复合地基进行了有 限元分析吲。洪昌华对深层搅拌桩复合地基承载力可靠性进行了分析。 刚性桩复合地基【2 唧的设计思想由中国建筑科学研究院黄熙龄院士提出，中国建 筑科学研究院地基基础研究所于1 9 9 1 年开发成功c f g 桩复合地基。c f g 桩复合地 基与一般桩基有明显不同。为提高复合地基承载力、减少沉降，将碎石中掺入水泥、 粉煤灰和石屑，形成粘结强度较高的c f g 桩，具有刚性桩的性状。为保证土能共同 作用，在桩顶铺设一定厚度的沙石褥垫层，以利于桩顶向上刺入，由桩体。桩间土 和褥颦层一起构成了c f g 桩复合地基。 阎明礼、吴春林、张东刚【2 6 1 等对c f g 桩复合地基进行了系统的研究。阎明礼对 c f g 桩的作用机理，设计方法进行了全面的阐述。吴春林陋l 采用c f g 桩加固软粘土， 也取得较好的效果。他还讨论了c f g 桩复合地基承载力的简易计算方法。 褥挚层计算是刚性桩复合地基设计的重要内容。杨军对褥垫层的作用进行了讨 论。阎明礼1 2 9 l 研究了c f g 桩复合地基中褥挚层技术。王长科考虑了基础挚层一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 一复合地基共同工作时褥垫层的调整均化作用。娄国充考虑了带褥垫层的桩式复合 地基各部分的工作特性及相互影响，分析研究了其受荷机理、影响桩土应力比和复 合地基承载力的诸多因素。李宁【删采用数值方法对复合地基中褥垫层的作用机理进 行了研究，刘润分析了带褥垫层复合地基的作用机理，并进行了现场试验研究。毛 前p ”、化建新也探讨了褥垫层的作用。 除了以上所述对散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基所作 的一些试验研究、理论计算外，采用数值方法分析复合地基的作用机理的研究工作 也不少。谢定义采用非线性分析程序对桩式复合地基进行了分析，可用于各类桩式 复合地基。杨涛建议采用复合本构有限元计算复合地基沉降。张忠坤采用有限元法 对柔性单桩竖向加载、大面积荷载作用下复合地基及路堤荷载作用下复合地基进行 了分析，探讨了临界桩长问题，得出了临界桩长不仅与桩土模量比有关，而且也与 荷载分布有关的结论。李宁【冽采用数值试验模型，对不同种类的复合地基进行了全 面系统的数值仿真，探讨了单桩复合地基相互作用的机理、荷载传递的性状及附加 应力的分布规律。邢仲星采用平面三维三角形单元和邓肯一张模型对刚性桩复合地 基和柔性桩复合地基进行了有限元分析。温晓贵对复合地基进行了三维线性的数值 分析。y a m a m o t o ( 1 9 9 7 ) 和j u n g ( 1 9 9 8 ) 也采用有限元对复合地基进行了数值分析。 陈强等人在以往渚多学者【3 2 枷1 工作的基础上，对c f g 桩复合地基和c f g 桩组 合型复合地基进行了数值模拟研究，详细地分析了其应力特性及变形特性。 总而占之，由于复合地基中增强体材料种类较多，导致增强体剐度变化很大， 渗透固结特性差别较大，而地基土性质也相差甚远，因此各类增强体复合地基作用 机理各不相同，寻求统一的设计计算理论是不现实的。工程建设需要使得各种新的 地基处理方法应运而生，然而复合地基的理论远落后于实践，相信随着研究的深入， 各类复合地基的作用机理及设计计算理论会日趋成熟。 华中科技大学硕士学位论文 2 2c f g 桩复合地基的概念和加固机理 2 2 1c f g 桩 c f g 桩，全称水泥粉煤灰碎石桩( c e m e n t f l y a s h g r a v e l p i l e ) ，是由碎石、石屑、 砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和，用各种成桩机械在地基中制成的强度为c 5 ( 2 3 0 的桩。 这种处理方法是通过在碎石体中添加以水泥为主的胶结材料，添加以增强混合 料的和易性并有低标号水泥作用的粉煤灰，同时还添加适量改善级配的石屑，从而 使桩体获得胶结强度并从散体材料桩转化为具有某些刚性桩特点的高粘结强度桩。 不同于碎石桩等散体材料桩，在竖向荷载作用下，桩身横向变形不显著，不会 如碎石桩般出现鼓胀破坏，并可全桩长发挥侧摩阻力。桩落在好土层上具有明显的 端承力，桩承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端阻力传到深层地基中，其复合地基 承载力可大幅度提高。另外c f g 桩没有像碎石桩那样的临界桩长，它可以把外荷载 传到深层地基。其与钢筋混凝土桩相比，桩体强度和刚度要小得多。这样有利于充 分发挥桩体材料的潜力，降低地基处理费用。 2 2 2c f g 桩复合地基 c f g 桩复合地基是由c f g 桩、桩间土和褥垫层一起构成的刚性桩复合地基。c f g 桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题，于1 9 8 8 年立题进行试验研究，并 应用于工程实践。 c f g 桩复合地基成套技术，1 9 9 4 年被建设部列为全国重点推广项目，被国家科 委列为因家级全国重点推广项目。1 9 9 7 年被列为国家级工法，并制定了中国建筑科 学研究院企业标准，现已列入国家行业标准建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 一 一2 0 0 2 ) 。 为进一步推广这项技术，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究，并 列入“九五”国家重点攻关项目。1 9 9 9 年1 2 月通过国家验收。该技术已在全国2 3 华中科技大学硕士学位论文 个省、市广泛应用，据不完全统计，该技术已在1 0 0 0 多个工程中应用。和桩基相比， 由于水泥粉煤灰碎石桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间 土的承载能力，工程造价一般为桩基的1 3 1 2 ，经济效益和社会效益显著。 2 2 3c f g 桩复合地基的加固机理 简单说，褥垫层将上部基础传来的基底压力通过适当的变形以一定的比例分配 给桩及桩间土，使二者共同受力。同时土体受到桩的挤密而提高承载力，而桩由于 周围土的侧应力的增加而改善了受力性能二者共同作用，形成了一个复合地基受力 整体，共同承担上部基础传来的荷载。 2 3 c f g 桩复合地基的工程特性 2 3 1 桩体效应 由于桩体材料高于软土地层，在荷载作用下，c f g 桩的压缩性明显比桩间土小， 因此基础传给复合地基附加应力，随着地层变形逐渐集中到桩体上，出现应力集中 现象。大部分荷载由桩体承受，桩间土应力明显减小，复合地基承载力较天然地基 有所提高，如图2 - 1 中的盯，q ，沉降量亦减小，随着桩体刚度增加，桩体作用发 挥更加明显。 2 3 2 垫层的作用 此处的褥挚层，是厚度为1 0 0 3 0 0 m m 的粒状材料组成的散体挚层。c f g 桩和 桩间土一起，通过褥垫层形成c f g 桩复合地基。褥垫层为桩向上刺入提供了条件， 并通过挚层材料的流动补给，使桩问土与基础始终保持接触。在桩土共同作用下， 地基土的强度得到一定发挥，相应地减少了对桩的承载力要求。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 3 加速土体的排水固结 图2 - 1 复合地基承载力示意图 图中d j ，仃，吼分别为桩体承受、基 础附加、桩间土承受的三种应力 c f g 桩在饱和粉土和砂土中施工时，由于成桩和振动作用，会使土体产生超孔 隙水压力。刚旄工完的c f g 桩为一个良好的排水通道，孔隙水沿桩体向上排出，直 到c f g 桩体硬结为止。有资料表明，这一系列排水作用对减少孔压引起地面隆起( 粘 性土层) 和沉陷( 砂性土层) ，对增加桩间土的密实度和提高复合地基承载力极为有 利。 2 3 4 振动挤密作用 c f g 桩采用振动沉管法施工时，由于振动和挤密作用使桩间土得到挤密，特别 在砂土层这一作用更加明显。砂土在高频振动下，产生液化并重新排列致密，而且 在桩体粗骨料( 碎石) 填入后挤入土中，使砂土的相对密实度增加，孔隙率降低， 干密度和内摩擦角增大，改善土的物理力学性能，抗液化能力也有所提高。 2 3 5 复合地基变形小 复合地基模量大、建筑物沉降量小是c f g 桩复合地基重要特点之一。大量工程 实践表明，建筑物沉降量一般可控制在2 - 4 c m 。 华中科技大学硕士学位论文 3 c f g 桩复合地基褥垫层的作用机理研究 褥垫层是c f g 桩复合地基的重要组成部分。褥垫层效应就是指其对复合地基的 影响效应。褥垫层效应与褥垫层厚度及组成褥垫层的材料性质有关。化建新等在【4 2 1 文章中研究了褥垫层厚度和性质对桩土应力比影响。 闫明礼、张东刚也提出了自己的看法1 4 3 l ：由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料 组成的褥垫层，通过人为的提供变形渠道，改变地基的受力条件，从而合理地调整 地基的压缩性，