CFG桩复合地基荷载

1、CFG桩复合地基荷载与变形关系研究陈超前言： CFG桩作为一种高粘结强度桩在复合地基中发展迅速，它不仅应用于工业建筑、民用建筑工程中，也应用于桥梁、堤坝等市政工程中。近年来，随着建筑工程规模的日益扩大，住宅小区、办公楼等逐渐向高层化、复杂化方向发展，CFG桩复合地基作为一种新兴的地基处理技术也逐渐由多层建筑向高层建筑扩展。CFG桩复合地基技术之所以能迅速发展，主要在于其良好的经济效益和社会效益。由于高层建筑对地基变形的要求比多层建筑严格，因此有必要对复合地基的作用机理及沉降变形理论做进一步的深入研究。本文结合具体的工程实例，在探讨CFG桩复合地基作用机理及承载力和沉降影响因素的基础上，依据单位

2、元原理，建立考虑桩、土、垫层相互作用的复合地基简化计算力学模型，直接利用Mindlin位移解推导了可以考虑桩、土、垫层相互作用的复合地基沉降计算理论公式。为CFG桩复合地基的在高层建筑种的推广应用，提供重要的理论和实践依据。 研究CFG桩复合地基意义 CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG 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；CFG桩的适用范围广，桩体具有排水作用。该技术具有施工速度快、工期短、质量容易控制及

3、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。现己在全国23个省、市被广泛推广应用，据不完全统计，该项技术己在1000多个工程中应用。本文的主要内容与方法 通过上边的分析可以看出，虽然国内外许多学者对CFG桩复合地基进行了研究，但是对于其作用机理及承载力和沉降的影响因素分析还不够深入，并且没有结合本地区的现场试验进行探讨，相同工程在不同地区难免会存在差异。所以有必要对CFG桩复合地基理论结合工程实例进行进一步的讨论。目前复合地基沉降实用计算方法仍然以分层总和法为基础，只是在计算地基中附加应力时所采用的具体方法不同。分层总和法以均质弹性半空间的应力来计算非

4、均质地基的变形的做法，理论上显然不协调，所引起的计算误差也没有得到理论和实践的充分验证。因此，有必要再进一步探讨其他的计算模式。主要研究内容(1)总结分析CFG桩复合地基理论及设计计算方法，探讨复合地基承载力及沉降的影响因素，重点对褥垫层效应进行研究。(2)分析复合地基沉降计算模式，并针对各种具体模式指出其在实际应用上存在的问题；并就CFG桩复合地基具体工程特点对其沉降计算方法进行了详细讨论；(3)依据单位元原理，在已知桩土荷载分担和假定桩侧摩阻力分布形式的情况下，直接利用Mindlin位移解推导了可以考虑桩、土、垫层相互作用的复合地基沉降计算理论公式。解决的关键问题(1)褥垫层效应的研究，探

5、讨褥垫层对复合地基承载力、桩土应力比及沉降的影响。 (2)依据单位元原理，在已知桩土荷载分担和假定桩侧摩阻力分布形式的情况下，直接利用Mindlin位移解推导了可以考虑桩、土、垫层相互作用的复合地基沉降计算理论公式。(3)结合具体的工程实例对其作用机理及沉降计算公式进行进一步的探讨和验证。科学意义和应用前景 CFG桩复合地基理论还不成熟，落后于实际，其承载力和沉降计算理论正在发展之中。相比之下，沉降计算远不如承载力研究得更深入、成熟。大量的工程实践证明，至今人们对复合地基在受荷沉降过程中桩土体系工作性状认识不够深入，致使在进行沉降计算时只能进行粗略的保守的经验式估算，这就直接导致了在进行复合地

6、基设计上地基沉降计算理论值与实际值有较大的误差。对实际工程建设而言，这样必然造成大量的工程隐患或很大不必要的资金浪费。而目前有关的各类实用沉降计算方法都没有很好地解决这一问题，因此，有必要进一步研究具有实用性并易于大范围推广使用的CFG复合地基沉降计算新方法。研究和完善其沉降计算理论能有力地促进这种技术在实际工程中应用。随着国民经济的不断增长，建筑、铁路交通、水利水电、桥涵等工程项目的迅速发展，CFG桩复合地基必将呈现更广阔的应用前景。本章小结 本章首先介绍了本课题的研究背景，其次，详细论述了CFG桩复合地基的研究意义及工程特征，最后论述了本课题的国内外研究现状，本文主要研究内容及主要成果。第

7、二章 CFG桩复合地基理论探讨桩体应力应变特性 将CFG桩桩体材料制成三轴试验的圆柱体试件，在静三轴仪中做不同围压下的三轴压缩试验可得CFG桩桩体应力应变曲线。从桩体应力应变曲线可以看出，不同围压下的应力应变曲线基本重合，破坏前基本为一直线，说明围压对桩体强度和桩体模量影响不大;而将碎石桩和石灰桩试样在静三轴仪中做不同围压下的三轴压缩试验，可得到碎石桩桩体应力应变曲线、和石灰桩桩体应力应变曲线，由曲线可以看出在不同围压下的应力应变曲线相差很大，破坏前曲线形状基本为曲线，说明围压对桩体强度和桩体模量影响很大，这说明CFG桩桩体与碎石桩、石灰桩等散体材料桩桩体的应力应变特性明显不同。 垂直荷载作用

8、下CFG桩复合地基的性状：CFG 桩、桩间土和褥垫层一起形成复合地基，在垂直荷载作用下，桩和桩间土都要发生变形。虽然桩的模量远比土的模量大，桩比土的变形小，但是由于在基础下面设置了褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。 CFG 桩复合地基由于设置了褥垫层，在一定荷载作用下，随着时间的变化，桩间土表面的变形不断增加，单桩和土的荷载分担均为一常值(如图2-2CFG桩复合地基桩、土受力时程曲线示意图)，它不随时间变化而变化。CFG 桩复合地基随着荷载的增加，桩承担的荷载占总荷载的百分比逐渐增加，土承担的荷载占总荷载的百分比

9、逐渐减小，刚性基础下的CFG桩复合地基在荷载一定时，随桩长增加而增大(表2-1CFG桩复合地基桩土荷载分担比)；随桩距减小(置换率m增大)而增大；土的强度越低，越大;褥垫层越薄，越大;刚性基础下的CFG桩群桩复合地基，桩所处的位置不同，受力的大小也不同，一般是角桩受力最大，边中桩次之，中心桩最小。CFG桩复合地基在刚性基础下桩间土的应力分布为：在基础边缘应力较大，在基础中间部分比较小。 垂直荷载作用下CFG桩复合地基的变形特性 在通常荷载作用下，由于桩体的模量很大，轴向力引起桩的压缩变形很小，可以忽略不计，这样桩任一断面处的位移可认为与桩顶的位移相等，在此基础上建立CFG桩复合地基变形模式(如

10、图2-3CFG桩复合地基变形示意图)。 工程实践中，群桩复合地基静载试验表明，刚性基础下不同位置桩的沉降变形基本相等，同样，单桩复合地基桩的受力和沉降与自由单桩的静载试验结果也相当接近，而同一荷载，9桩复合地基桩的沉降最大，四桩复合地基次之。究其 原因 ，复合地基中桩的变形之所以比自由单桩的变形大，除了复合地基群桩效应，其他桩的桩荷载对该桩的影响外，由于褥垫层的设置而始终存在的土对桩的负摩擦作用导致桩沉降加大，也是一个重要原因。显然，复合地基中桩数越少，这些作用的影响越小，单桩复合地基没有其它桩荷载应力叠加的影响，负摩擦对桩的作用是主要的。另外，在群桩复合地基中，随着荷载的增加，桩间土分担的荷

11、载增加，桩间土应力在不同深度产生的附加应力， 使桩周围正应力有较大的增加，桩侧阻力相应增大。桩间土应力产生的附加应力，也使桩端处垂直应力增大，桩的端阻作用加强，在超过某一荷载后，尽管桩存在负摩擦作用，使桩的承载能力有所减小，并且加大了变形，但总体效应使得曲线呈加工硬化型(如图2-7 CFG桩复合地基桩的曲线与单桩试验的比较)，随着荷载增加变形加大，但没有急剧增大变形的趋势，直到超过自由单桩极限承载力，桩还可以承受较大的荷载增量。复合地基中桩曲线的这一特性，在复合地基承载力计算时应考虑。边载对CFG桩复合地基承载特性的影响边载作用使得CFG桩复合地基承载力有较大提高，同一荷载作用下，有边载条件下

12、的沉降量低于无边载条件下的沉降量如图2-8有边载和无边载条件下的曲线对比)，究其原因是，边载的作用抑制了基础外侧土体向上隆起，导致同一深度处的变形趋于均匀化。 图2-8 有边载和无边载条件下的曲线对比褥垫层作用分析 褥垫层技术是CFG桩复合地基的核心技术，复合地基的许多特性都与褥垫层有关。CFG桩复合地基与水泥土桩复合地基相比可以有效减小基础沉降，与桩基础相比可以更加充分地利用桩间土的承载力，这其中非常重要的因素就在于褥垫层的设置。褥垫层的压缩模量和厚度是影响复合地基桩土共同作用的一个关键因素。褥垫层的作用 （1）保证桩、土共同承担荷载 若基础下不设置褥垫层，特别对中、高粘结强度桩复合地基，如

13、果基础直接与桩和桩间土接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩基差不多。在给定荷载作用下，桩承受较多荷载，随时间的增加，桩发生一定沉降，荷载逐渐向土体转移。其时程曲线的特点是：土承担的荷载随时间增加逐渐增加，桩承担的荷载随时间增加逐渐减少。如果桩落在坚硬土层和岩石上，桩的沉降很小，桩上的荷载向土体转移数量很小，桩间土承载力不能充分发挥。在基础下设置一定厚度的褥垫层，情况就不同了，即使桩端落在好的土层上，也能保证一部分荷载通过褥垫作用到桩间土上。（2）调整桩、土荷载分担比 复合地基桩、土荷载分担，当褥垫层厚度很小时，桩、土应力比很大。在软土中，桩、土应力比可以超过100，桩分担的荷载相当大。在褥垫层厚

14、度很大时，桩、土应力比接近于1。此时桩的荷载分担比很小。（3）减小基础底面的应力集中 当褥垫厚度很小时，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。当褥垫层厚度大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。（4）调整桩、土水平荷载的分担 复合地基中的桩主要传递垂直荷载，当基础承受水平荷载时，桩、土时如何参与工作的呢？一般地，复合地基中桩时不配筋的，桩在水平荷载作用下不会断裂，会不会影响建筑物的正常使用，这些常常是设计人员最担心的一个主要问题。试验表明：褥垫层厚度越大，桩顶水平位移越小，即桩顶承受的水平荷载越小。大量工程实践和室内外试验表明，褥垫厚度不小于10cm，桩体

15、不会发生水平折断，桩在复合地基中不会失去工作能力。本章小结 本章详细的对CFG桩复合地基基本理论及工程性状进行了探讨，首先研究了在垂直荷载作用下CFG桩复合地基的形状，其次得出了CFG桩复合地基在垂直荷载作用下的变形特征，最后对褥垫层在复合地基中的作用进行了研究。第三章 CFG桩复合地基设计计算复合地基承载力设计模式 复合地基承载力是由桩间土和桩共同承担荷载。CFG桩复合地基承载力取决于桩距、桩径、桩长、上部土层和桩尖下卧层土体的物理力学指标以及桩间土内外面积比值等因素。 现有的复合地基承载力计算通常有两种思路:一种是先分别确定桩体的承载力和桩间土承载力，根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复

16、合地基承载力；另一种是把桩体和桩间土组成的复合土体作为整体来考虑，确定复合地基的承载力。由前一种思路得到的承载力计算公式又可分为两类:面积比公式和应力比公式。下面对面积比公式和应力比公式进行探讨。面积比公式 复合地基的极限承载力可用下式表示：应力比公式 若能测定复合地基中荷载作用下桩土应力比值，复合地基的极限承载力可用下式表示： 面积比公式与应力比公式的比较在实际工程设计中，由于面积比公式计算简便，因此也得到了广泛的应用，但是对面积比公式必须考虑入这一参数，目前还没有提出任何设计计算方法，只能根据经验选取，而且选取的依据也不够明确，随意性较大。在面积比公式中，虽然不需明确确定值，但实际上在确定

17、入时，己经隐含了对值的指定。 在设计中，由于两个公式在本质上是一致的，因此可根据具体工程设计中与这两个参数选取的可靠性、工程经验等因素选用应力比或面积比公式，同时可用另一种方法校核。 根据目前复合地基理论和实践的发展状况来看，与这两个参数比较起来，前者的确定方法更加成熟一些，对不同类型的复合地基，对它的取值己经积累了较多的经验，而后者不论是理论上还是测试上，都还缺乏相应的方法。因此在这两个承载力计算公式中，应力比公式相对来说是更加成熟的方法。CFG桩复合地基承载力计算公式的探讨 吴春林复合地基承载力计算公式高润国复合地基承载力计算公式牛志荣等改进承载力估算公式规范计算公式CFGFG桩复合地基沉

18、降计算 改进Geddes法应力修正法 规范法 本章小结： 本章主要是对CFG桩复合地基的设计理论进行了进一步的研究，在总结分析复合地基设计思想的基础上首先分析了CFG桩复合地基的承载力计算，对比分析了国内外的承载力计算公式并提出了自己的观点，其次研究了CFG桩复合地基沉降的计算方法，最后详细论述了CFG桩复合地基的设计流程。第4章 CFG桩复合地基桩土应力比及沉降分析目前就CFG桩复合地基的承载性状有以下一些基本共识：(1)开始受荷后，桩土荷载分担大体按面积分配，桩侧阻力从桩顶开始开展，随着桩间土压缩变形，褥垫层自动从桩顶调整到桩间土表面，桩土应力比开始增大，在加固区浅层区域，由于桩间土变形大

19、于桩体变形，桩顶附近的侧摩阻力为负摩阻力，这时桩间土的变形基本上还属于弹性状态。(2)随着基底压力的增加，桩顶负摩阻力进一步明显开展，此时的负摩阻力以桩间土的变形压缩引起的为主，且趋于极限值，桩身侧摩阻力发展到桩端，桩端也呈现端阻力；桩间土也表现出一定的塑性。(3)当荷载继续增加，接近复合地基的极限承载力时，无论桩侧还是桩端阻力都得到了充分发挥。在桩土应力比较大的情况下，以桩顶刺入褥垫层引起的负摩阻力为主，负摩阻力减小直至消失。 下文根据复合地基在受荷过程中表现出来的桩、桩间土、褥垫层三者之间协同作用特点，从桩间土所处的力学特性出发，分三个阶段建立桩土体系简化力学模型，分别推导、求解桩土应力比

20、理论解。 桩土应力比的计算 桩间土处于线弹性状态下桩土应力比 桩间土处于弹塑性状态下桩土应力比 桩间土处于塑性状态下桩土应力比 CFG桩复合地基沉降理论解的推导 点荷载引起的位移场桩端力引起的位移桩侧总摩阻力引起的位移桩间土顶荷载引起的位移单位元沉降公式本章小结本章首先分三个阶段建立桩土体系简化力学模型，分别推导、求解桩土应力比理论解。其次依据单位元思想利用Mindlin位移解推导了复合地基沉降计算的理论解，并讨论了相关参数的取值。得到了CFG桩复合地基沉降的理论计算公式。第五章 现场试验分析在第四章得到了CFG桩复合地基的理论计算公式的解析解，但其适用性及合理性有待于进一步的探讨。所以，本章在现场试验的基础上对理论公式进行进一步的讨论。工程概况 拟建邯郸市丛台区佰旺家苑小区6#楼位于邯郸市北仓路于中华大街交叉路口的西北角。该建筑地上33层，地下2层，建筑等级为一级，结构形式为剪力墙