cfg桩复合地基的机理与设计计算

/CFG桩复合地基的机理和设计计算CFG桩复合地基的机理和设计计算摘要：阐述了CFG桩复合地基的加固机理，明确了CFG桩的计算方法和设计参数。关键词：CFG桩；地基处理；复合地基中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：ThemechanismanddesignofCFGPileCompoundFoundation*LiuYuanqingAbstract：ThisarticlerecommendsthemechanismoftheCFGPileCompoundFoundation,andalsothedesignparameterstogetherwiththecalculationmethod.Keywords:CFGPile;Foundationtreatment;Compositefoundation一、前言CFG（CementFly-ashGravel）桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，是一种由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的具有可变粘结强度的桩。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，以及增加混合料的和易性并有低标号水泥作用的粉煤灰，同时还加入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[1]。通过调整水泥掺量及配比，其强度等级可在C5-C30之间变更，是介于刚性桩和柔性桩之间的一种桩型。二、CFG桩复合地基的作用机理CFG桩和桩间土、褥垫层一起形成了复合地基，而CFG桩复合地基通过褥垫层和基础连接，褥垫层将上部基础传来的基底压力通过适当的变形以肯定的比例安排给桩及桩间土，使二者共同受力。同时土体受到桩的挤密而提高承载力，而桩又由于四周土的侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同担当上部基础传来的荷载[2]。CFG桩一般不用计算配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价，同时，由于粉煤灰不断发生水化反应，使桩身混凝土的后期强度增大，这对CFG桩承受上部荷载有了牢靠保证。桩在复合地基中还起到了排水、预震等作用。作者简介：*刘元庆（1980--），男，山东济南，本科学历，岩土工程和工程勘察（E-mail：）除了桩体自身强度之外，在基础和桩和桩间土之间设置褥垫层是复合地基的一个核心技术[3]。此褥垫层不是基础施工时素混凝土垫层，而是由肯定厚度的散体粒状材料所组成的散体垫层，对复合地基受力影响很大。若不设置褥垫层，则桩和桩间土传递竖向荷载和桩基础类似，即当桩端落在坚硬土层上，基础承受荷载后桩顶沉降变形很小，绝大部分荷载由桩来担当而桩间土的承载实力很难发挥，便不能成为复合地基。基础下设置褥垫层，桩间土承载力的发挥就不单纯依靠于桩的沉降，荷载能通过褥垫层作用到桩间土上，使桩土共同担当荷载，减小了基础底面应力集中。同时，褥垫层也可调整桩和桩间土之间竖向荷载及水平荷载的分担比例。当增加褥垫层的厚度时，基础和褥垫层整体向下的位移量和桩间土压缩量便会加大，从而提高了桩间土的荷载分担比例。若减小褥垫层的厚度时，则会提高桩的竖向荷载分担比例。桩和土的荷载分担可用桩土应力比n表示，其中：n=式中，为桩顶应力（kN/m2），为桩间土应力（kN/m2）。水平荷载在桩和土之间的分担比例(ps/Vs)同样可以通过变更褥垫层的厚度调整。三、CFG桩复合地基的设计计算3.1承载力计算复合地基承载力不是单桩承载力和自然地基承载力的简洁叠加，须要考虑诸多因素，比如：桩对桩间土的约束作用使土的变形削减；施工时对桩间土所产生的扰动和挤密程度，使得桩间土承载力不同程度地降低或提高；复合地基中桩的Q-S曲线呈加工硬化型，高于自由单桩的承载力等因素。综合工程实践，对于CFG桩复合地基承载力有如下一些阅历计算公式：吴春林复合地基承载力计算公式[4]；高润国复合地基承载力计算公式[5]；牛志荣等改进承载力估算公式[6]。2002年发布的《建筑地基处理技术规范》也做出了相应要求：CFG桩复合地基承载力标准值可通过现场复合地基载荷试验确定，也可按公式计算。初步设计时可按：式中，fspk为复合地基承载力特征值；m为桩土面积置换率；Ra为单桩承载力特征值(kPa)；Ap为桩的截面面积；β为桩间土承载力折减系数，宜取0.75～0.95；fsk为处理后桩间土承载力特征值(kPa)[7]。当采纳单桩载荷试验时，Ra应将单桩竖向极限承载力除以平安系数2；当无试验资料时，可按：式中，up为桩的周长（m）；n为桩长范围内所划分的土层数；qsi、qp为桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值（kPa）；li为第i层土的厚度（m）。3.2沉降计算CFG桩复合地基的沉降变形由三部分组成：一是桩长范围内土的压缩变形，二是下卧层的变形，三是褥垫层的压缩变形[8]。在实际计算中，通常会忽视褥垫层的压缩变形，目前国内外对复合地基沉降变形计算主要有如下方法：改进Geddes法、应力修正法(ES法)、数值计算方法和规范法[1]。依据相关规范的要求，计算地基变形时，地基内的应力分布可采纳各向同性均质线性变形体理论。最终变形量可按下式计算[9]：式中，s为地基最终变形量（mm）；s’为按分层总和计算法得出的地基变形量；为沉降计算阅历系数，依据地区沉降观测资料及阅历确定，无地区阅历时可采纳文献[9]表5.3.5的数值；n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；p0为对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力（kPa）；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量（MPa）应取土的自重压力至土的自重压力和附加压力之和的压力段计算；Zi，Zi-1为基础底面至第i层和第i-1层土底面的距离（m）；，为基础底面计算点至第i层和第i-1层土底面范围内平均附加应力系数，可按文献[9]附录K采纳。3.3设计参数的确定3.3.1桩长L依据工程地质条件，初步确定CFG桩的桩长。桩端最好落在较好的土层上，以较好地发挥CFG桩的端承力作用，以进入较好土层1.0m左右为宜。设计时依据《工程地质勘察报告》分析各土层，确定桩端持力土层和桩长并计算单桩承载力。3.3.2桩径d一般设计桩径d=350mm~600mm，可用振动沉管的打桩机或其他成桩设备制桩。通过优化设计程序按d由350mm~600mm循环取值可计算出最优化桩距。3.3.3桩距S桩间距S通常的依据面积置换率m确定的，可取桩间距s=(3-5)d，但设计所要求的复合地基承载力和所采纳的施工机具及土性、变形同样影响着桩距的取值。若设计要求的承载力较大时，在考虑到施工时相邻桩之间影响的基础上桩距取小值，故桩距的大小应综合考虑。3.3.4褥垫层厚度褥垫层的厚度会对荷载的垂直分布产生影响，通常褥垫层越薄桩担当的荷载越高，反之亦然。褥垫层的厚度一般取150mm-300mm为宜，当桩间距和桩径过大时，需结合对土层性质的考虑可将褥垫层厚度适当加大。褥垫层的材料可采纳中砂、碎石、粗砂、级配砂石(最大粒径不大于20mm)。四、结语CFG桩是一种高粘结强度桩的复合地基，在承载过程中能有效地利用原土地基的承载力，而且它的施工工艺是一种半挤密性成桩法，能有效将原有土的承载力提高10%~20%。但是，目前CFG桩复合地基在我国理论和实践发展较不均衡，理论显著落后于工程实践，因此加强复合地基的理论探讨具有重要的现实意义。参考文献：[1]秦继英.CFG桩复合地基理论及工程应用探讨[D].郑州：郑州高校，2006.[2]邓跃光，黄荣.CFG桩复合地基的原理和设计[J].地质灾难和环境爱护，2002,13（3）：69-72.[3]刘晓英.CFG桩复合地基处理技术探讨[J].煤炭技术，2008,27（1）：153-154.[4]吴春林,阎明礼等.CFG桩复合地基承载力简易计算方法[J].岩土工程学报.1993,15(2).[5]牛志荣,李宏等.复合地基处理及其工程实例[M].中国建材工业出版社,2000,10.[6]