（岩土工程专业论文）cfg桩在圆筒形煤仓地基处理中的应用.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猛发展，工程建设规模日益扩大，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，安全可靠已成为地基处 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 桩进行软土地基处理的 设计与应用为主线，首先论述了复合地基及c f g 桩的基本理论，分析了复合地基承 载力与变形特性，同时具体分析了影响复合地基的诸多因素，并就c f g 桩在软土地 基处理中的技术经济特点、设计方法与施工工艺及质量控制进行了探讨。 圆筒形煤仓是煤炭工程中的一种重要建筑物。由于荷载大且较为集中，往往天然 地基无法满足承载力和沉降要求，需要进行地基处理。结合多年的工程实践和教学经 验，本文针对不同类型圆筒形煤仓和不同产煤地区的地质条件，介绍了常用的煤仓地 基处理型式，并提出了处理方案比选与确定的方法，以及c f g 桩法施工中应注意的 问题。并以一实际工程为例，详细论述了从方案比选、设计施工到地基处理后的质量 检测的过程与方法。大量工程实践表明，c f g 桩法是处理圆筒形煤仓地基的可靠和 有效的方法。 最后，针对c f g 桩设计方法和理论中的不确定因素以及沉降计算值与实际观测 值之间的差异等问题，提出了一些今后研究的建议。 关键词：c f g 桩复合地基圆筒形煤仓承载力 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 ed e v e l o p m e n to fc i v i le n g i n e e f i n g , t h ec o n s t r u c t i o nb e c o m e sm o r ed i f f i c u l t ， a l s ot h es c a l eo fw h i c hh a sb e e ne x t e n d e d c o n s e q u e n t l y ，t h er e q u e s to fc o n s t r u c t i o nt o f o u n d a t i o nb e , c o m e sh i g h e r 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 f c 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 em a i np o i n to ft h eq u a l i t ya n dc o s to ft h e p r o j e c t i nt h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o no fg r o u n dt r e a t m e n t ，h o wt om a k ei te c o n o m i c a la n d s a f ei st h em o s ti m p o r t a n tt h i n g 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 h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no f c f gp i l ef o rg r o u n dt r e a t m e n ta r em a i n l yd i s c u s s e d f i r s t l y ，t h ef u n d a m e n t a lt h e , o d e so f c o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dc f gp i l ea r ei n t r o d u c e d t h eb e a r i n gc a p a c i t y , d e f o r m a t i o n c h n r a c t e d s f i ca n d a f u e n c ef a c t o r sa r e a n a l y z e d t h e t e c h n i c a la n de c o n o m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g nm e t h o d s ，c o n s t r u c t i o na n dq u a l i t yc o n t r o lo fc f gi ng r o u n d t r e a t m e n ta r ed i s c u s s e d c y l i n d r i c a lb u n k e ri sa ni m p o r t a n tc o n s t r u c t i o ni nc o a le n g i n e e r i n g d u et ot h el a r g e a n dc o n c e n t r a t i v el o a d ，t 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 fb e a r i n g c a p a c i t ya n ds e t t l e m e n tu s u a l l y , , s oi t s h o u l db ei m p r o v e d b a s e do ny e a r so fe n g i n e e r i n g p r a c t i c ea n dt e a c h i n ge x p e r i e n c e ，f o rv a r i o u sk i n d so fc y l i n d r i c a lb u n k e ra n dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n so fd i f f e r e n ta r e a s ，t h et y p e so fg r o u n dt r e a t m e n ti nc o m m o nu s ea r ei n t r o d u c e d t h ec o m p a r i s o na n ds e l e c t i o no ft h e s em e t h o d so fg r o u n dt r e a t m e n ta n dt h ep r o b l e m si n c o n s t r u c t i o no fc f gp i l ea r ep u tf o r w a r d t a k eap r a c t i c a lp r o j e c ta sa ne x a m p l e ， c o m p a r i s o no ft h es c h e m e s ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，t h ep r o c e d u r ea n dm e t h o do fq u a l i t y t e s t i n ga f t e rg r o u n dt r e a t m e n ta r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ol o t so fp r a c t i c a lp r o j e c t s ，c f g p i l ei sar e l i a b l ea n de f f e c t i v em e t h o df o rt r e a t i n gg r o u n do fc y l i n d r i c a lb u n k e r f i n a l l y , s o m es u g g e s t i o n sa r em a d ef o rf u r t h e rs t u d yt or e d u c es o m eu n c e r t a i nf a c t o r s i nd e s i g nm e t h o do fc f gp i l ea n dd i f f e r e n c eb e t w e e nc a l c u l a t i o nv a l u ea n do b s e r v a t i o n v a l u e k e yw o r d s ：c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nc y l i n d r i c a lb u n k e rb e a r i n gc a p a c i t y l i 独创性声明 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内容外，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。对本文的研究做出贡献的个人和集 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： 罗易 日期：卿6 年，口月f f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：吁业 日期：，6 年f o 月1 1 日 年解密后适用本授权书。 指导教师签名：搦1 ，灸禾 日期：砷占年，月j f 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 地基处理技术的发展情况 在土木工程领域中，与上部结构相比，地基的不确定因素多、闯题复杂、难度 大。地基问题处理不好，将产生非常严重的后果。地基处理是既古老而又年轻的领 域。随着科技的进步，工业的发展，近年来地基处理技术发展迅速，老方法不断得 到改进，新方法不断涌现i l j 。 在2 0 世纪6 0 年代中期，从如何提高土的抗拉强度这一思路中，发展了“加筋法”； 从如何有利于排水和加速固结这一基本观点出发，发展了土工聚合物、砂井预压和 塑料排水带技术；从如何进行深层密实处理的方法考虑，采用加大击实功能的措施， 发展了“强夯法碍酽振动水冲法”；之后，随着技术的引进和我国在地基处理方面的自 主开发研究，发展了复合地基理论。目前，复合地基理论已广泛应用于碎石桩、灰 土桩、粉喷桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、c f g 桩等l ”。另外，现代工业的发展，为 地基处理工程提供了强大的生产手段：如能制造重达几十吨的专用地基加固施工机 械，从而又出现了“高冲击能强夯法”等；潜水电机的出现，随之带来了振动水冲法 的振冲器的施工机械；真空泵的问世，才能实现真空预压法；生产了大于2 0 0 个大 气压以上的空气压缩机，从而产生了“高压喷射注浆法”。新的地基加固方法产生了 新型复合地基型式。 1 2 复合地基发展历史及现状 “复合地基”( c o m p o s i t eg r o u n d ) 一词于1 9 6 0 年提出。其涵义随着实践的发展 有一个发展过程。初期，复合地基主要是指在天然地基中设置碎石桩而形成的复合 地基，人们将注意力主要集中在碎石桩复合地基的应用和研究上。随着深层搅拌法 和高压旋喷注浆法在地基处理中的推广应用，人们开始重视水泥土桩复合地基的研 究。随着水泥土桩复合地基的应用，复合地基的概念发生了变化，由碎石桩复合地 基这种散体材料桩复合地基逐步扩展到粘结材料桩复合地基。随着减少沉降量桩和 桩筏基础的应用和研究，以及各类低强度混凝土桩复合地基的应用，人们将复合地 基概念进一步拓宽。将粘结材料桩按刚度大小分为柔性桩和刚性桩两大类，于是提 华中科技大学硕士学位论文 出柔性桩复合地基和刚性桩复合地基的概念。随着土工合成材料在工程建设中的广 泛应用，又出现了水平向增强体复合地基的概念。复合地基的概念已成为很多地基 处理方法进行分析、建立理论公式的基础和依据。 h u c s 和w i t h e r s 【3 j ，w o n g 及b r a u n s 等对碎石桩的承载力作了一系列的研究。 b a l a a m 和p o u l o s ( 1 9 8 1 、1 9 8 3 ) 1 4 , 5 】、b a y u k 6 1 根据单元体法得到了不同条件下复 合地基承载力的计算公式。 1 9 7 5 年h u 曲e s l 7 】提出了基于横压试验应力应变曲线来计算沉降的方法。 1 9 8 9 年n a y a k 提出采用载荷试验所获得的沉降量折算复合地基沉降的经验公 式。金姆教授等人1 8 唆中国用竹筋和石灰土处理油罐软基思想的启发，开展的高压缩 性软弱粘土层地基上油罐土工离心模型试验等等。 我国的许多学者也对复合地基的理论、计算及工程应用方面作过许多大量的分 析及研究。 2 0 世纪8 0 年代中后期，黄绍吲9 】等人在以g c d d e s l l o l 应力解为基础的桩基础沉 降计算方法的基础上，提出了减少沉降量桩基的设计思想和方法，并开始进行工程 实践尝试。并在1 9 9 1 年第六届全国土力学及基础工程学术会议上，将自己的研究成 果向与会代表宣布，并进行了总结。 盛崇文【“1 ( 1 9 8 0 ) 以b r a u n s 单桩计算公式为基础，推导出了碎石桩复合地基的 计算公式并应用于实际工程中。 张定( 1 9 8 6 ) 【1 提出了碎石桩复合地基的沉降计算方法。 龚1 黼( 1 9 9 0 ) 1 1 3 】在一定假设条件下，采用v e s i c 圆孔扩张理论求得了单桩的极 限承载力计算公式。 袁内镇f 1 5 】对石灰桩复合地基的承载特性进行了研究，并介绍了承载力的计算方 法。 韩杰、叶书麟( 1 9 9 2 ) 根据b l o t 固结理论，采用有限元法对复合地基的孔隙水 压力进行计算，分析复合地基的固结特性和变形特性【1 6 ，1 - q 。 王长科( 1 9 9 6 ) b 8 1 考虑了基础一垫层一复合地基共同作用时垫层的调整均化作 用。 龚晓南( 1 9 9 9 ) 9 】明确提出了复合地基的概念，分析介绍了复合地基技术发展 概况和复合地基理论概要。 傅景辉( 2 0 0 0 ) 口) l 推导出在荷载作用下，当桩端土层为文克勒地基时的桩体沉 2 华中科技大学硕士学位论文 降、土体沉降、桩土应力比等有关公式，并探讨了影响桩土应力比的因素。 周建( 2 0 0 0 ) 根据桩与桩之间的相互作用因子叠加，提出了计算复合地基加 固区沉降计算的一种新方法，该方法对柔性桩和刚性桩均适用。 1 3c f g 桩复合地基的发展历史及现状 二十多年来，复合地基【2 2 1 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应用发展很快，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 桩复合地基法作为一门新的技术，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1 9 9 4 年以来建筑业l o 项新技术之一并签令进一步推广。 c f g ( c e m e n tf l y a s hg r a v e lp i l e ) 桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、 粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和，用各种成桩机具，在地基中制成的强度等级为 c 5 c 2 5 的高粘结强度的桩。c f g 桩和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。 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 桩复合地基试验研究成果于1 9 9 2 年由建设部组织鉴定，专家们一致认为： 该成果具有国际领先水平，推广意义很大。 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 委列为国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。 为了进一步推广这项新技术，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 月通过了国家验收。现其处理方法已列 入国家行业标准建筑地基处理技术规范( j c j7 9 - - 2 0 0 2 ) 旧j 。 对c f g 桩的工程应用及特性，一些专家学者1 2 4 2 9 已作了大量研究工作，理论已 趋于成熟，并积累了丰富的实践经验，可供工程界和学术界参考。 阎明礼( 1 9 9 6 ) 3 0 l 对c f g 桩的作用机理和设计方法进行了全面的阐述。 阎明礼( 1 9 9 6 ) d l l 研究了c f g 桩复合地基中的褥垫层技术。 葛忻声、张小朋、黄仙枝( 1 9 9 7 ) 旧用有限元方法进行分析，探讨了c f g 桩复 合地基在垂直荷载作用下的变形、强度以及碎石褥垫层、桩身刚度变化、置换率对 地基加固效果的影响。 3 华中科技大学硕士学位论文 郑东明( 1 9 9 9 ) 【3 3 悃有限元法对c f g 桩复合地基褥垫层的效用进行了分析与研 究。 张小敏、郑俊杰( 2 0 0 2 ) l 蚓结合工程实例对c f g 桩复合地基承载力的可靠性进 行了研究，并分析了随机变量对承载力可靠度的影响。 王仙芝( 2 0 0 2 ) 3 5 萍j c f g 桩与水泥土搅拌桩组成的多元复合地基进行了研究。 邓飞、王琏( 2 0 0 4 ) i 3 6 1 探讨了褥垫层技术在c f g 桩复合地基中的应用。 唐彤芝、詹云刚( 2 0 0 5 ) l 3 r 对c f g 桩加固软基复合地基中桩间距的设计计算方 法进行了研究。 王旭( 2 0 0 5 ) 3 8 j 通过采用国际通用的f l a c 岩土工程分析软件，对某一采用c f g 桩进行地基处理的工程进行了分析，数值模拟值与实测值的对比分析表明了f l a c 用于模拟c f g 桩沉降分析的可行性。 郑俊杰等( 1 9 9 6 、2 0 0 0 ) 3 9 - 4 1 l 曾将c f g 桩与石灰桩联合处理不均匀地基，将粉煤 灰混凝土桩与石灰桩联合应用于新回填土下卧深厚软土的复杂地质条件。 韩建中、阎素英、宋爱英( 2 0 0 0 ) 1 4 2 1 将c f g 桩与碎石桩处理严重液化的不良 地基。 张兰亭( 2 0 0 1 ) 1 4 3 1 将石灰桩与c f g 桩处理高层建筑液化地基。 武锦钢等( 2 0 0 0 ) 洚l 将生石灰桩和c f g 桩联合应用加固软土地基。 理论研究和工程实践 4 5 4 7 1 表明将c f g 桩与水泥土搅拌桩综合应用于加固软土地 基，如果设计合理，可以充分发挥c f g 桩和水泥土搅拌桩的优势，大幅度提高地基 承载力，减小地基沉降，从而取得良好的技术效果和经济效益。 据不完全统计，c f g 桩复合地基法已在全国2 3 个省、市的数千个工程中推广使 用并有许多成功的工程应用实例。如：北京当代万国城住宅楼( 1 号楼、6 号楼) 采 用c f g 桩进行地基加固工程i 删；广东梅河高速公路采用c f g 桩及砂桩复合地基法 处理软土地基【4 9 i 等。 该技术和桩基础相比，由于c f g 桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配钢 筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基础的1 3 1 2 ，经济效益和 社会效益非常显著。由于该项技术在施工工艺上具有施工速度快、工期短、质量容 易控制、工程造价低的特点，目前已经成为许多地区各种软土地基条件下应用最普 遍的地基处理技术之一。 需求促进发展、实践发展理论。随着研究的深入，c f g 桩复合地基技术将会同 趋成熟，作为地基处理的一种方法，其应用的前景将会殳加广阔。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 4本文的主要研究工作 本文的工作分为以下几个部分： 本文第一章对复合地基及c f g 桩复合地基的发展及现状进行了简要介绍，介绍 了部分研究成果，明确指出c f g 桩复合地基法是近几年来在工程界得到许多工程设 计人员和施工人员越来越认同的一种地基处理方法。 第二章介绍了复合地基的基本理论。 第三章主要进行了c f g 桩复合地基的理论探讨，介绍了该复合地基的作用机理、 设计方法和旌工工艺及质量检测方法。 第四章针对不同类型圆筒形煤仓和不同产煤地区的地质条件，介绍了常用的煤 仓地基处理型式，并提出了处理方案比选与确定的方法，以及c f g 桩法施工中应注 意的问题。 第五章介绍了采用c f g 桩法对一圆筒形煤仓进行地基处理的工程实例，对检测 数据进行了分析，并探讨了c f g 桩法在应用于圆筒形煤仓地基处理时应注意的问题。 最后通过以上的研究工作得到了一些结论，并对，c f g 桩在圆筒形煤仓地基处理 方面的进一步推广应用提出了建议。 华中科技大学硕士学位论文 2 复合地基基本理论 2 1复合地基的定义与分类 2 1 1 复合地基的定义 随着地基处理技术的发展，复合地基的概念得到了很大的扩展。对于什么是复合 地基，无论是学术界还是工程界尚无比较统一的认识。一般认为复合地基是由两种刚 度( 或模量) 不同的材料( 桩体和桩间土) 所组成，在相对刚性的基础下两者共同分 担上部荷载并协调变形( 包括剪切变形) 的地基。 龚晓南对复合地基概念的描述为：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的人工地基刚。 中华人民共和国行业标准建筑地基处理技术规范( j g j7 9 2 0 0 2 ) 对复合地基 的描述是：部分士体被增强或被置换形成增强体，由增强体和周围地基土共同承担荷 载的地基。 2 1 2 复合地基的分类 复合地基根据地基中增强体的方向可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体 复合地基。增强体是由强度和模量相对原天然地基土高的材料组成，习惯上将纵向增 强体称作桩。例如由碎石组成的纵向增强体叫碎石桩；由水泥和土搅拌形成的纵向增 强体叫水泥土桩；由水泥、粉煤灰、碎石组成的纵向增强体叫水泥粉煤灰碎石桩。 通常所指的复合地基为竖向增强体复合地基( 亦称桩体复合地基) 。 竖向增强体复合地基根据桩体的材科可分为散体材料桩复合地基和粘结材料桩 复合地基。粘结材料桩复合地基根掘成桩后桩体的强度( 或刚度) 又可分为柔性桩复 合地基和刚性桩复合地基。复合地基分类如图2 - 1 所示。散体材料桩复合地基包括碎 石桩复合地基和砂桩复合地基等，这类桩只有依靠周围土体的固箍作用才能形成桩 体。对应于散体材料桩，柔性桩和刚性桩也可称为粘结材料桩。柔性桩复合地基包括 灰土桩复合地基和石灰桩复合地皋等。冈性桩复合地基包括c f g 桩复合地基和低强 度混凝土桩复合地基等。严格柬训，b f 体的刚度不仅与材料性质有关，还与桩的长径 比有关，应采用桩土相对刚度束揣怂， 6 华中科技大学硕士学位论文 广散体材料桩复合地基 r 竖向增强体复合地基厂柔性桩复合地基 jl 皓结材料桩复合地基 复合地基1 l 刚性桩复合地基 l 水平向增强体复合地基 图2 - 1 复合地基分类图 2 1 3 复合地基的特性 无论哪种复合地基均具有两个基本特点：( 1 ) 加固区是由基体和增强体两部分组 成，是非均质和各向异性的；( 2 ) 在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。 前一特征使复合地基区别于匀质地基，后一特征使复合地基区别于桩基础，因为增强 体和原土一起形成复合土体，属地基范畴，而桩基础的桩是深基础的一部分，与增强 体是有本质区别的【5 ”。从某种意义上讲，复合地基介于匀质地基和桩基之间。 形成复合地基的条件是基体与增强体在荷载作用下，通过两者变形协调，共同分 担荷载。 2 2复合地基的常用型式 在工程实践中应用的复合地基型式很多，可以从增强体设置方向、增强体材料和 基础刚度以及是否设置垫层这三个方面来进行分类。 复合地基中增强体除竖向和水平向设置外，还可斜向设置，如树根桩复合地基。 在形成复合地基时，竖向增强体可以采用同一长度，也可采用长短桩形式( 见图2 2 ) ， 长桩和短桩可采用同一材料制桩，也可采用不同材料制桩( 见图2 - 3 ) 。 图2 - 2 同一桩体材料不同桩长组成的复合地基 7 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 多桩型复合地基 在增强体材料的应用上，水平向增强体多采用土工合成材料，如土工格栅、土工 织物等；竖向增强体可采用砂石桩、水泥土桩、土桩与灰土桩、c f g 桩等。 理论研究和现场实测均表明柔性基础( 如填土路堤) 下复合地基的沉降量远比刚 性基础下复合地基的沉降大。为了减小柔性基础复合地基的沉降，应在桩体复合地基 加固区上面设置一层刚度较大的“垫层”，防止桩体刺入上层土体。对刚性基础下的桩 体复合地基有时需设置一层柔性垫层以改善复合地基的受力状态。 综上所述，复合地基常用型式分类如下： 1 、增强体设置方向 ( 1 ) 竖向： ( 2 ) 水平向； ( 3 ) 斜向。 2 、增强体材料 ( 1 ) 土工合成材料，如土工格栅、土工织物等； ( 2 ) 砂石桩； ( 3 ) 石灰桩、水泥土桩等； ( 4 ) c f g 桩和低强度混凝土桩等； ( 5 ) 两种以上竖向增强体( 多元复合地基) ； ( 6 ) 水平向和竖向增强体( 桩网复合地基) 。 3 、基础冈度和垫层设置 ( 1 ) 刚性基础，设垫层； ( 2 ) 刚性基础不设垫层； 8 华中科技大学硕士学位论文 t s nt 口t p t ，t ，t 5 丁， 一_ 一_ - l 垫罡4 舯h 墓碚 o 卜，“笛i 岛二：0 图3 - 1 4 桩土剪应力随褥垫厚度的变化示意图 ( 3 ) 减小基础底面的应力集中 当褥垫层厚度a h 一0 时，桩对基础的应力集中很显著，和桩基础一样，需要考 虑桩对基础的冲切破坏。 当a h 大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。 桩顶对应的基础底面测得的反力与桩间土对应的基础底面测得的反力之比用声 表示，口值随褥垫层厚度a h 的变化如图3 1 5 所示。当褥垫层厚度大于1 0 0 r a m 时， 桩对基础底面产生的应力榘中已显著降低，当a h 为3 0 0 m m 时，芦值已经很小。 华中科技大学硕士学位论文 4 0 3 0 2 0 1 0 图3 1 5 基础底面应力集中与褥垫层厚度关系图 2 、褥垫层的合理厚度 当褥垫层厚度过小时，桩对基础会产生明显的应力集中，同时还要考虑桩对基 础的冲切，这样势必导致基础加厚。如果基础承受水平荷载过大，很可能会造成复 合地基中桩发生断裂。这种情况下，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要 求的承载力，必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。带来的唯一好处是 建筑物的沉降量小。 褥垫层厚度大，桩对基础产生的应力集中很小，可不考虑桩对基础的冲切作用， 基础受水平荷载的作用，不会发生桩的折断并且能够充分发挥桩间土的承载能力。 若褥垫层厚度过大，会导致桩土应力比等于或接近1 。桩顶、土表面的沉降基本 不变，这说明在此垫层厚度范围内，桩土应力比随褥垫层厚度增加而减少的趋势不 再明显，这表明荷载已得到充分调整，此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中 桩的设置已失去了意义。这样设计的复合地基，其承载力不会比天然地基承载力有 比较大的提高，而且建筑物的沉降也大。 根据大量的工程实践经验，并考虑到技术上的可靠性及经济上的合理性，c f g 桩复合地基褥垫层的厚度取1 0 0 3 0 0 m m 较为合适，当桩径大或桩距大时宜取高值。 由于卵石咬合力差，施工时扰动较大，褥垫层厚度不宜保证均匀，因此褥垫层 材料不宜采用卵石，宜采用中砂、粗砂、级配砂石及碎石，最大粒径不宜大于3 0 m m 。 目前，褥垫层的设计还只是构造设计，理论依据不足，所以施工时褥垫层厚度 和材料的选用随意性比较大，导致对复合地基沉降和承载力产生一定的影响。对褥 垫层厚度和选用材料所产生的垫层效应应进一步的研究。 2 7 譬br通旧燧嚣郴通莨叫蜃掣 歪br通恒遥嚣张逦兹群辑 华中科技大学硕士学位论文 3 3c f g 桩复合地基设计理论 进行c f g 桩复合地基设计前，必须明确建( 构) 筑物对地基的要求以及场地的工 程地质条件、水文地质条件、环境条件等，在此基础上，按如下流程( 图3 - 1 6 ) 进 行设计。 根据勘察报告，确定桩问土承载力 髓桩长 j 调龇- 长 7 r 根据勘察报告- 确定桩端持力土层 初步确定桩长并计簟单桩承载力 l 根据塘工工艺，确定桩径 l 计茸不同桩问酗i 寸的复合地基承载力 调整柱闻距 l 调整桩闻距 根据复台地基承载力要求确定桩问距 n 一 计黛复合地基变形 一h 设计桩身强度等级 i 根据基础平面围和上述参数进行布桩 图3 1 6 复合地基设计流程图 华中科技大学硕士学位论文 3 3 1c f g 桩复合地基承载力计算 复合地基是由桩间土和桩共同承担荷载，其计算是按照将桩问土承载力和单桩 承载力进行合理组合叠加。 c f g 桩复合地基承载力按下面公式进行估算： 口 ，击一m 半+ p ( 1 一m ) 厶 ( 3 9 ) 以d 式中厶。复合地基承载力特征值( 1 【p a ) ： m 面积置换率； 见e f g 单桩竖向承载力特征值 n ) ； a 。c f g 单桩的截面积( m 2 ) ； 口桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0 7 5 0 9 5 ，天然地基承载力较高时取大值； 厶_ 盘b 理后桩问土承载力特征值( 1 心a ) ，宜按当地经验取值，如无经验时， 可取天然地基承载力特征值。 单桩竖向承载力特征值r 。的取值，应符合下列规定： 当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2 ；当无单桩载 荷试验资料时，可按下式估算： r 。= ，q “t + 郎a ， ( 3 。l o ) 式中。桩的周长( m ) ； 。 n 桩长范围内所划分的土层数； 吼槛周第f 层土的侧阻力特征值( k p a ) ，与土性和施工工艺有关，可按地 区经验确定，无当地经验值时，可按现行国家标准建筑地基基础设 计规范( g b5 0 0 0 7 ) 的有关规定确定； f ，第f 层土的厚度( m ) ； q p 桩端端阻力特征值( k p a ) ，与土性和施工工艺有关，可按地区经验确定， 无当地经验值时，可按现行国家标准建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 r 7 ) 的有关规定确定； 彳。桩的截面积( m 2 ) 。 经c f g 桩处理后的地基，当考虑基础宽度和深度对地基承载力特征值进行修l f 华中科技大学硕士学位论文 时，一般宽度不作修正，即基础宽度的地基承载力修正系数取零，基础埋深的地基 承载力修正系数取1 0 。经深度修正后c f g 桩复合地基承载力特征值无为 ，4 一厶+ y o 一1 5 )( 3 - 1 1 ) 式中y o 基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度； d 基础埋置深度( m ) ，一般自室外地面标高算起。 c f g 桩复合地基承载力计算时需满足建筑物荷载要求，当承受轴心荷载时： 一p k 正( 3 - 1 2 ) 式中n 相应于荷载效应标准组合基础底面处的平均压力值衄a ) 。 承受偏心荷载时，除满足上式外，尚应满足下式要求： 以一s 1 e l ( 3 1 3 ) 式中a 。相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值( 1 【p a ) 。 3 3 2c f g 桩复合地基沉降计算 1 复合地基沉降计算的经验公式 ， 在各类实用计算方法中，往往把复合地基沉降分为两个部分：加固区的沉降量昌 和下卧层的沉降量矗。而地基应力场近似地按天然地基进行计算。 1 ) 加固区的沉降量只的计算主要有两种计算方法 ( 1 ) 按复合模量计算沉降 将复合地基加固区中增强体和土体视为一个统一的整体，采用复合压缩模量来 评价其压缩性；用分层总和法计算其压缩量。其中，复合模量可按下式求得： f e s p = 芋e s p 1 4 ) ，a k 式中 厶基础底面下天然地基承载力特征值( k p a ) 。 ( 2 ) 按桩间土应力计算沉降 该方法是考虑c f g 桩复合地基一般置换率较低，近似地忽略桩的存在，而根据 桩间土实际分担的荷载，求出附加压力，按照桩问土的压缩模量来计算复合土层沉 降。 2 ) 桩端下卧层沉降计算方法 复合地基下卧土层的沉降是由通过枉j = 传递的应力和由桩问土传递的应力所产生 华中科技大学硕士学位论文 的，沉降量矗通常采用分层总和法计算。附加应力计算方法有压力扩散法、等效实 体法、改进的g e d d e s 法1 5 2 l 等。c f g 桩复合地基由于其置换率较低和设置褥垫层，考 虑到桩尖处应力集中范围有限，下卧土层内的应力分布可按褥垫层上的总荷载计算， 即作用在褥垫层底面的压力仍假定为均布，并根据b o u s s i n e s q 半无限空间解求出复 合体底面以下的附加应力，由此计算下卧层沉降量s ，。 2 c f g 桩复合地基沉降计算 在工程中，应用较多且计算结果与实际符合较好的沉降计算方法是复合模量法。 计算时复合土层分层与天然地基相同，复合土层的模量取该层天然地基模量的考倍， 如图3 1 7 示。加固区和下卧层土体内的应力分布采用各向同性均质的线性变形体理 论。 固 e - 0 e -o 图3 1 7 各土层复合模量示意图 复合地基最终沉降量可按下式计算【1 i ： 驴妒陲莹瓴孤丙+ ；嘉。百p o ( 再钆雨i 式中n 加固区范围内土层分层数； _ i 冗降计算深度范围内土层总的分层数； 几对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力( 1 ( p a ) ； e 。，基础底面下第i 层土的压缩模量( m p a ) ； z 。、一。基础底面至第i 层土、第i 一1 层土底i 嘶的距离( m ) ； 3 l 华中科技大学硕士学位论文 q 、q 。基础底面计算点至第f 层土、第f 一1 层土底面范围的平均 附加应力系数，可查平均附加应力系数表： ， ；加固区土的模量提高系数，；一! 笋； j 吐 t f ，沉降计算修正系数。 3 3 3c f g 桩复合地基设计 1 设计参数确定 进行c f g 桩复合地基设计前，首先要取得施工场区岩土工程勘察报告和建筑 结构设计资料，在此基础上确定c f g 桩复合地基的5 个设计参数1 5 3 】： 1 ) 桩长 c f g 桩复合地基要求桩端落在好的土层上，这是c f g 桩复合地基设计的一个重 要原则。因此，桩长是c f g 桩复合地基设计时首先要确定的参数，它取决于建筑物 对承载力和变形的要求、土质条件和设备能力等因素。设计时根据勘察报告，分析 各土层，确定桩端持力层和桩长，并计算单桩承载力。 2 ) 桩径d c f g 桩桩径的确定取决于所采用的成桩设备，一般设计桩径为3 5 0 6 0 0 m m 。 3 ) 桩间距s 一般桩间距s = ( 3 5 矽，桩间距的大小取决于设计要求的复合地基承载力和变 形、土性与施工机具。一般设计要求的承载力高时s 取小值，但必须考虑施工时相邻 桩之间的影响，就施工而言希望采用较大的桩距和较长的桩长，因此s 的大小应综合 考虑。 4 ) 桩体强度 原则上，桩体配比按桩体强度控制，桩体试块抗压强度应满足下式要求： 厶3 鲁 ( 3 - 1 6 ) 式中正。桩体混合料试块( 边长1 5 0 r a m 立方体) 标准养护2 8 d 立方体抗压强度 平均值( k p a ) ； 咒单桩峰向承载力特征值( k n ) ； 华中科技大学硕士学位论文 a p 桩的截面积( m 2 ) 。 5 ) 褥垫层厚度及材料 褥垫层厚度一般取1 0 3 0 c m 为宜，当桩径和桩间距过大时，结合对土性的考虑， 褥垫层厚度还可适当加大。褥垫层材料可用粗砂、中砂、碎石、级配砂石( 最大粒径 不大于2 0 r a m ) 。 2 布桩 原则上，c f g 桩可只在基础范围以内布桩。 桩体在平面上布置形式最常用的有三种：等边三角形布置，正方形布置和矩形 布置。三种布置形式如图3 1 8 所示。 对于墙下条形基础，在轴心荷载作用下，可采用单排、双排或多排布桩，且桩 位宜沿轴线对称。在偏心荷载作用下，可采用沿轴线非对称布桩。 对于独立基础、箱形基础，筏基，基础边缘到桩的中心距一般为一倍桩径或基 础边缘到桩边缘的最小距离不宜小于1 5 0 r a m ，对条基不宜小于7 5 r a m 。 0oo ( a ) o o o ( b ) o 0 0o 忙) 图3 1 8 桩体平面布置形式 ( a ) t 方形布置( b ) 等边三角形布置( c ) 长方形布置 对于箱筏基础，底板设计时宜沿建筑物地下室外墙悬挑出来，外墙以外应布桩， 如图3 - 1 9 ( a ) 所示；但有些工程，设计的基础外缘与地下室外墙在一个垂直面上，此 种情形布桩时，宜在地下室外墙下布置一捧桩，如图3 - 1 9 ( b ) 所示；但不宜采用如图 3 1 9 ( c ) 所示的布桩方法。 1 0 o 旦 卜o o- 一 u 冉 qh 誓 华中科技大学硕士学位论文 i基础 - ，c ( b ) ( c ) 图3 1 9 筏板边桩布桩示意图 对于柱( 墙) 下筏板基础，布桩时除考虑整体荷载传到基底的压应力不大于复合地 基的承载力外，还必须考虑每根柱( 每道墙和核心筒) 传到基础的荷载扩散到基底的范 围，在扩散范围内的压应力也必须等于或小于复合地基的承载力。扩散范围取决于 底板厚度，在扩散范围内底板必须满足抗冲切要求。 对可液化地基或有必要时，可在基础外一定范围内设置护桩( 可液化地基一般用 碎石桩做护桩) 。布桩时要考虑桩受力的合理性，尽量利用桩间土应力盯。产生的附加 应力对桩侧阻力的增大作用。通常口。越大，作用在桩上的水平力越大，桩的侧阻力 也越大。图3 - 2 0 0 ) 所示的桩均在基础内，桩的受力是比较合理的；图3 2 0 ( b ) 中，除 了5 号桩外，其余各桩只有基础下的少部分有以的作用，桩受到的侧向约束显然比 5 号桩小，则侧阻力也小，显然，这样的布桩形式是不合理的。 ( a ) 图3 - 2 0 基础布桩示意图 3 4 华中科技大学硕士学位论文 3 4c f g 桩复合地基施工质量检测 3 4 1c f g 桩复合地基施工工艺简介 c f g 桩复合地基法于1 9 8 8 年提出并应用于工程实践，目前应用最多的是振动沉 管工艺和长螺旋钻孔管内泵压工艺。最先选用的是振动沉管c f g 桩施工工艺。这是 由于当时振动沉管打桩机在我国拥有量最多，分布的地区也最普遍。 振动沉管c f g 桩施工工艺属于挤土成桩工艺，主要适用于粘性土、粉土、淤泥 质土、人工填土及松散砂土等地质条件，尤其适用于松散的粉土、粉细砂的加固。 它具有施工操作简便、施工费用低、对桩间土的挤密效应显著等优点。采用该工艺 可以提高地基承载力、减少地基变形以及消除地基液化，到目前为止该工艺依然是 c f g 桩主要施工工艺之一，主要应用于挤密效果好的土和可液化土的地基加固工程， 空旷地区或施工场地周围没有管线、精密设备以及不存在扰民的地基处理工程。 然而大量的工程实践表明，振动沉管c f g 桩施工工艺存在如下几个主要问题： 1 、难以穿透厚的硬土层如砂层、卵石层等。 2 、振动及噪音污染严重。 3 、在靠近已有建筑物施工时，振动对已有建筑物可能产生不良影响。 4 、振动沉管c f g 桩施工工艺为挤土成桩工艺，在饱和粘性土中成桩，会造成 地表隆起、挤断已打桩、桩问土强度的降低，容易出现缩颈、断桩等质量事故。 5 、施工时，混合料从搅拌机到桩机进料口的水平运输一般为翻斗车或人工运输， 效率相对较低。对于长桩，拔管时尚需空中投料，操作不便。 鉴于以上问题，1 9 9 7 年中国建筑科学研究院等单位申请了国家“九五”攻关项目 长螺旋钻孔管内泵压c f g 桩施工工艺。经过几年的课题研究和大量的工程实践， 使得长螺旋钻孔管内泵压c f g 桩施工设备和施工工艺趋于完善。该工艺主要具有如 下优点： 1 、低噪音，无泥浆污染，成桩不产生振动，可避免对已打桩产生不良影响。 2 、成孔穿透能力强，可穿透硬土层。 3 、施工效率高。 除了上述两种常见的c f g 桩施工工艺外，c f g 桩施工还可根掘土质情况、设备 条件选用以下工艺： 1 、长螺旋钻孔灌注成桩。 华中科技大学硕士学位论文 2 、泥浆护壁钻孔灌注成桩。 3 、人工或机械洛阳铲成孔灌注成桩。 在实际工程中，除采用单一的c f g 桩施工工艺外，有时还需要根据地质条件或 地基处理的目的采用两种施工工艺组合或两种桩型的组合。总之，施工选用何种施 工工艺和设备，需要考虑场地土质、地下水位、施工现场周边环境以及当地施工设 备等具体情况综合分析确定。 3 4 2 施工检测 c f g 桩施工完毕，一般2 8 天后对c f g 桩和c f g 桩复合地基进行检测，检测包 括对桩身质量的低应变检测和对承载力的静载荷试验检测。静载荷试验一般进行单 桩或多桩复合地基静载荷试验，根据试验结果评价复合地基承载力。亦可采用单桩 载荷试验，通过计算评价复合地基承载力。 7 检测数量一般遵守以下原则：静载荷试验数量取c f g 桩总桩数的o 5 1 o ， 且每个单体工程的试验数量不少于3 点；低应变检测桩的数量一般取c f g 桩总桩数 的1 0 。选择试验点时应本着随机分布的原则进行选择。挑选施工质量好的桩或施 工质量差的桩，或者为了检测方便将所有试桩集中在一个区域的选桩方法，都不能 体现随机分布的原则。低应变检测取桩数1