CFG桩复合地基荷载与变形关系

CFG桩复合地基荷载与变形关系研究xx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。垂直荷载作用下下CFG桩复合合地基的性状：：CFG桩、桩桩间土和褥垫层层一起形成复合合地基，在垂直直荷载作用下，，桩和桩间土都都要发生变形。。虽然桩的模量量远比土的模量量大，桩比土的的变形小，但是是由于在基础下下面设置了褥垫垫层，桩可以向向上刺入，伴随随这一变化过程程，垫层材料不不断调整补充到到桩间土上，以以保证在任一荷荷载下桩和桩间间土始终参与工工作。CFG桩复合合地基由于设置置了褥垫层，在在一定荷载作用用下，随着时间间的变化，桩间间土表面的变形形不断增加，单单桩和土的荷载载分担均为一常常值(如图2-2CFG桩复复合地基桩、土土受力时程曲线线示意图)，它它不随时间变化化而变化。CFG桩复合合地基随着荷载载的增加，桩承承担的荷载占总总荷载的百分比比逐渐增加，土土承担的荷载占占总荷载的百分分比逐渐减小，，刚性基础下的的CFG桩复合合地基在荷载一一定时，随桩长长增加而增大(表2-1CFG桩复合地基基桩土荷载分担担比)；随桩距距减小(置换率率m增大)而增增大；土的强度度越低，越大;褥垫层越薄，，越大;刚性基基础下的CFG桩群桩复合地地基，桩所处的的位置不同，受受力的大小也不不同，一般是角角桩受力最大，，边中桩次之，，中心桩最小。。CFG桩复合合地基在刚性基基础下桩间土的的应力分布为：：在基础边缘应应力较大，在基基础中间部分比比较小。垂直荷载作用下下CFG桩复合合地基的变形特特性在通常荷载作用用下，由于桩体体的模量很大，，轴向力引起桩桩的压缩变形很很小，可以忽略略不计，这样桩桩任一断面处的的位移可认为与与桩顶的位移相相等，在此基础础上建立CFG桩复合地基变变形模式(如图图2-3CFG桩复合地基变变形示意图)。。工程实践中，群群桩复合地基静静载试验表明，，刚性基础下不不同位置桩的沉沉降变形基本相相等，同样，单单桩复合地基桩桩的受力和沉降降与自由单桩的的静载试验结果果也相当接近，，而同一荷载，，9桩复合地基基桩的沉降最大大，四桩复合地地基次之。究其其原因，复复合地基中桩的的变形之所以比比自由单桩的变变形大，除了复复合地基群桩效效应，其他桩的的桩荷载对该桩桩的影响外，由由于褥垫层的设设置而始终存在在的土对桩的负负摩擦作用导致致桩沉降加大，，也是一个重要要原因。显然，，复合地基中桩桩数越少，这些些作用的影响越越小，单桩复合合地基没有其它它桩荷载应力叠叠加的影响，负负摩擦对桩的作作用是主要的。。另外，在群桩桩复合地基中，，随着荷载的增增加，桩间土分分担的荷载增加加，桩间土应力力在不同深度产产生的附加应力力，使桩周围正应力力有较大的增加加，桩侧阻力相相应增大。桩间间土应力产生的的附加应力，也也使桩端处垂直直应力增大，桩桩的端阻作用加加强，在超过某某一荷载后，尽尽管桩存在负摩摩擦作用，使桩桩的承载能力有有所减小，并且且加大了变形，，但总体效应使使得曲线呈加工工硬化型(如图图2-7CFG桩复合地基基桩的曲线与单单桩试验的比较较)，随着荷载载增加变形加大大，但没有急剧剧增大变形的趋趋势，直到超过过自由单桩极限限承载力，桩还还可以承受较大大的荷载增量。。复合地基中桩桩曲线的这一特特性，在复合地地基承载力计算算时应考虑。边载对CFG桩桩复合地基承载载特性的影响边载作用使得CFG桩复合地地基承载力有较较大提高，同一一荷载作用下，，有边载条件下下的沉降量低于于无边载条件下下的沉降量如图图2-8有边载载和无边载条件件下的曲线对比比)，究其原因因是，边载的作作用抑制了基础础外侧土体向上上隆起，导致同同一深度处的变变形趋于均匀化化。图2-8有边边载和无边载条条件下的曲线对对比褥垫层作用分析析褥垫层技术是CFG桩复合地地基的核心技术术，复合地基的的许多特性都与与褥垫层有关。。CFG桩复合合地基与水泥土土桩复合地基相相比可以有效减减小基础沉降，，与桩基础相比比可以更加充分分地利用桩间土土的承载力，这这其中非常重要要的因素就在于于褥垫层的设置置。褥垫层的压压缩模量和厚度度是影响复合地地基桩土共同作作用的一个关键键因素。褥垫层的作用（1）保证桩、、土共同承担荷荷载若基础下不设置置褥垫层，特别别对中、高粘结结强度桩复合地地基，如果基础础直接与桩和桩桩间土接触，在在垂直荷载作用用下承载特性和和桩基差不多。。在给定荷载作作用下，桩承受受较多荷载，随随时间的增加，，桩发生一定沉沉降，荷载逐渐渐向土体转移。。其时程曲线的的特点是：土承承担的荷载随时时间增加逐渐增增加，桩承担的的荷载随时间增增加逐渐减少。。如果桩落在坚坚硬土层和岩石石上，桩的沉降降很小，桩上的的荷载向土体转转移数量很小，，桩间土承载力力不能充分发挥挥。在基础下设设置一定厚度的的褥垫层，情况况就不同了，即即使桩端落在好好的土层上，也也能保证一部分分荷载通过褥垫垫作用到桩间土土上。（2）调整桩、、土荷载分担比比复合地基桩、土土荷载分担，当当褥垫层厚度很很小时，桩、土土应力比很大。。在软土中，桩桩、土应力比可可以超过100，桩分担的荷荷载相当大。在在褥垫层厚度很很大时，桩、土土应力比接近于于1。此时桩的的荷载分担比很很小。（3）减小基础础底面的应力集集中当褥垫厚度很小小时，桩对基础础的应力集中很很显著，和桩基基础一样，需要要考虑桩对基础础的冲切破坏。。当褥垫层厚度度大到一定程度度后，基底反力力即为天然地基基的反力分布。。（4）调整桩、、土水平荷载的的分担复合地基中的桩桩主要传递垂直直荷载，当基础础承受水平荷载载时，桩、土时时如何参与工作作的呢？一般地地，复合地基中中桩时不配筋的的，桩在水平荷荷载作用下不会会断裂，会不会会影响建筑物的的正常使用，这这些常常是设计计人员最担心的的一个主要问题题。试验表明：：褥垫层厚度越越大，桩顶水平平位移越小，即即桩顶承受的水水平荷载越小。。大量工程实践践和室内外试验验表明，褥垫厚厚度不小于10cm，桩体不不会发生水平折折断，桩在复合合地基中不会失失去工作能力。。本章小结本章详细的对CFG桩复合地地基基本理论及及工程性状进行行了探讨，首先先研究了在垂直直荷载作用下CFG桩复合地地基的形状，其其次得出了CFG桩复合地基基在垂直荷载作作用下的变形特特征，最后对褥褥垫层在复合地地基中的作用进进行了研究。第三章CFG桩复合地基设设计计算复合地基承载力力设计模式复合地基承载力力是由桩间土和和桩共同承担荷荷载。CFG桩桩复合地基承载载力取决于桩距距、桩径、桩长长、上部土层和和桩尖下卧层土土体的物理力学学指标以及桩间间土内外面积比比值等因素。现有的复合地基基承载力计算通通常有两种思路路:一种是先分分别确定桩体的的承载力和桩间间土承载力，根根据一定的原则则叠加这两部分分承载力得到复复合地基承载力力；另一种是把把桩体和桩间土土组成的复合土土体作为整体来来考虑，确定复复合地基的承载载力。由前一种种思路得到的承承载力计算公式式又可分为两类类:面积比公式式和应力比公式式。下面对面积积比公式和应力力比公式进行探探讨。面积比公式复合地基的极限限承载力可用下下式表示：应力比公式若能测定复合地地基中荷载作用用下桩土应力比比值，复合地基基的极限承载力力可用下式表示示：面积比公式与应应力比公式的比比较在实际工程设计计中，由于面积积比公式计算简简便，因此也得得到了广泛的应应用，但是对面面积比公式必须须考虑入这一参参数，目前还没没有提出任何设设计计算方法，，只能根据经验验选取，而且选选取的依据也不不够明确，随意意性较大。在面面积比公式中，，虽然不需明确确确定值，但实实际上在确定入入时，己经隐含含了对值的指定定。在设计中，由于于两个公式在本本质上是一致的的，因此可根据据具体工程设计计中与这两个参参数选取的可靠靠性、工程经验验等因素选用应应力比或面积比比公式，同时可可用另一种方法法校核。根据目前复合地地基理论和实践践的发展状况来来看，与这两个个参数比较起来来，前者的确定定方法更加成熟熟一些，对不同同类型的复合地地基，对它的取取值己经积累了了较多的经验，，而后者不论是是理论上还是测测试上，都还缺缺乏相应的方法法。因此在这两两个承载力计算算公式中，应力力比公式相对来来说是更加成熟熟的方法。CFG桩复合地地基承载力计算算公式的探讨吴春林复合地基基承载力计算公公式高润国复合地基基承载力计算公公式牛志荣等改进承承载力估算公式式规范计算公式CFGFG桩复复合地基沉降计计算改进Geddes法应力修正法规范法本章小结：本章主要是对CFG桩复合地地基的设计理论论进行了进一步步的研究，在总总结分析复合地地基设计思想的的基础上首先分分析了CFG桩桩复合地基的承承载力计算，对对比分析了国内内外的承载力计计算公式并提出出了自己的观点点，其次研究了了CFG桩复合合地基沉降的计计算方法，最后后详细论述了CFG桩复合地地基的设计流程程。第4章CFG桩复合地基桩桩土应力比及沉沉降分析目前就CFG桩桩复合地基的承承载性状有以下下一些基本共识识：(1)开始始受荷后，桩土土荷载分担大体体按面积分配，，桩侧阻力从桩桩顶开始开展，，随着桩间土压压缩变形，褥垫垫层自动从桩顶顶调整到桩间土土表面，桩土应应力比开始增大大，在加固区浅浅层区域，由于于桩间土变形大大于桩体变形，，桩顶附近的侧侧摩阻力为负摩摩阻力，这时桩桩间土的变形基基本上还属于弹弹性状态。(2)随着基底压压力的增加，桩桩顶负摩阻力进进一步明显开展展，此时的负摩摩阻力以桩间土土的变形压缩引引起的为主，且且趋于极限值，，桩身侧摩阻力力发展到桩端，，桩端也呈现端端阻力；桩间土土也表现出一定定的塑性。(3)当荷载继续续增加，接近复复合地基的极限限承载力时，无无论桩侧还是桩桩端阻力都得到到了充分发挥。。在桩土应力比比较大的情况下下，以桩顶刺入入褥垫层引起的的负摩阻力为主主，负摩阻力减减小直至消失。。下文根据复合地地基在受荷过程程中表现出来的的桩、桩间土、、褥垫层三者之之间协同作用特特点，从桩间土土所处的力学特特性出发，分三三个阶段建立桩桩土体系简化力力学模型，分别别推导、求解桩桩土应力比理论论解。桩土应力比的计计算桩间土处于线弹弹性状态下桩土土应力比桩间土处于弹塑塑性状态下桩土土应力比桩间土处于塑性性状态下桩土应应力比CFG桩复合地地基沉降理论解解的推导点荷载引起的位位移场桩端力引起的位位移桩侧总摩阻力引引起的位移桩间土顶荷载引引起的位移单位元沉降公式式本章小结本章首先分三个个阶段建立桩土土体系简化力学学模型，分别推推导、求解桩土土应力比理论解解。其次依据单单位元思想利用用Mindlin位移解推导导了复合地基沉沉降计算的理论论解，并讨论了了相关参数的取取值。得到了CFG桩复合地地基沉降的理论论计算公式。第五章现场试试验分析在第四章得到了了CFG桩复合合地基的理论计计算公式的解析析解，但其适用用性及合理性有有待于进一步的的探讨。所以，，本章在现场试试验的基础上对对理论公式进行行进一步的讨论论。工程概况拟建xx市丛台台区佰旺家苑小小区6#楼位于于xx市北仓路路于中华大街交交叉路口的西北北角。该建筑地地上33层，地地下2层，建筑筑等级为一级，，结构形式为剪剪力墙结构，地地基基础设计等等级为甲级。基基础拟采用桩筏筏，埋深约7.45m（从自自然地面算起））。地基拟采用用CFG桩复合