（岩土工程专业论文）cfg桩复合地基承载性状的研究.pdf

c f g 桩复合地基承载性状的研究 摘要 近十几年来，复合地基在我国的应用发展迅速，各种复合地基处理方法纷 纷出现，c f g 桩复合地基因其具有适用范围广，承载力提高幅度大、可调性强， 工后沉降小，施工质量容易保证、经济效益好等工程特点，在工程中被广泛应 用。 本文回顾了c f g 桩复合地基的研究和发展现状，简要介绍了复合地基的形 成条件和c f g 桩复合地基的工程特性。并从理论推导和数值模拟两方面对c f g 桩复合地基承载性状进行了研究和探讨。主要工作如下： 1 分析了c f g 桩复合地基的加固机理 2 分析了桩体复合地基承载力面积比和应力比计算公式之间的关系。 3 讨论了利用建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - - 2 0 0 2 ) 中的公式计算c f g 桩复合地基承载力特征值一般小于载荷试验值的原因，并结合实例加以说明。 4 对目前常用的几种c f g 桩复合地基沉降计算方法进行了介绍，并就这 些计算方法中存在的问题进行了分析说明。 5 借助a d l n a 有限元分析软件，对影响c f g 桩复合地基承载性状的诸多 因素，如荷载水平，褥垫层材料、厚度，桩端土，桩长和桩身模蘑等进行系统 的数值分析研究。 关键词；c f g 桩，复合地基，有限元分析，承载力，沉降，桩土应力比 s t u d yo nt h eb e h a v i o r so fc f gc o m p o s i t ef o u n d a t i o n a b s t r a c t i nt h er e c e n ts e v e r a ld o z e n sy e a r s ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o nu s i n ga n dd e v e l o p i n g r a p i d l yi no u rc o u n t r y ，m a n yk i n d so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o np r o c e s s i n gm e t h o d s a p p e a r si na b u n d a n c e b e c a u s et h ec f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a st h ep r o j e c t c h a r a c t e r i s t i c so ft h ea p p l i c a b l es c o p ei sb r o a d ，t h ee n h a n c i n gs c o p eo fb e a r i n g c a p a c i t yt ob eb i ga n dt h ea d j u s t m e n ti ss t r o n g ，s u b s i d e n c es l i g h t l ya f t e rp r o j e c t ， t h eq u a l i t yo fc o n s t r u c t i o nc a nb eg u a r a n t e e de a s i l y ，t h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yi s g o o dp r o j e c ta n ds oo n i ti su s e di np r o j e c t sw i d e l y t h i sd i s s e r t a t i o nh a ss u m m a r i z e dt h ea p p l i c a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho f c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n a n dt h r o u g ht h et h e o r yd i s c u s s i n ga n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nt or e s e a r c ht h ec f gp i l e c o m p o s i t e f o u n d a t i o n sl o a db e a r i n g c h a r a c t e r t h em a i nw o r ka sf o l o w ss h o w s ； 1 a n a l y z i n gt h er e i n f o r c e st h em e c h a n i s mo fc f gp i l e 2 a n a l y z e dt h ep i l eb o d yc o m p o u n dg r o u n ds u p p o r t i n gc a p a c i t y a r e a t o c o m p a r ew i t ht h es t r e s sf o r m u l ab e t w e e nt h er e l a t i o n s 3 d i s c u s s e dc o n s t r u c t e dg r o u n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ys t a n d a r d ) ( j g j 7 9 - 2 。0 0 2 ) i nt h es t a n d a r dt oc a l c u l a t et h ec f gp i l ec o m p o u n dg r o u n ds u p p o r t i n g c a p a c i t yc h a r a c t e r i s t i cv a l u et o b es m a l l e rt h a nt h el o a de x p e r i m e n td e f i n i t e c o m p o u n dg r o u n ds u p p o r t i n gc a p a c i t yc h a r a c t e r i s t i cv a l u er e a s o n ，a n dt h eu n i o n e x a m p l ep e r f o r m e dt os h o w 4 d i s c u s s i n gt h es e r v i c e a b i l i t ya n dg o o da n db a dp o i n t so ft h ec f gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ss e v e r a lt y p ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fs u b s i d e n c e ，a n a l y z i n g t h ed e v i a t i o nr e a s o n si nt h ec a l c u l a t i o no fs u b s i d e n c ea n dd i s c u s s i n gt h es e v e r a i p r o b l e m si nt h ec a l c u l a t i o no fs u b s i d e n c e ，w h i c hs h o u l dp a ya t t e n t i o n 5 u s i n ga d i n a f i n i t ee l e m e n tt oa n a l y s i st h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h ec f gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n sc h a r a c t e r i s t i c so fb e a r i n gc a p a c i t ya n ds u b s i d e n c e ，a s l o a d i n gl e v e l ，t h ed i f f e r e n tt h i c k n e s sa n dm a t e r i a lo fm a t t r e s sb r e a k e rs t r i p ，p i l e l e n g t h ，p i l e sm o d u l e k e y w o r d s ：c f gp i l e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s b e a r i n gc a p a c i t y ， s u b s i d e n c e ， t h er a t i oo fs t r e s sb e t 3 , v e e np i l ea n ds o i l 插图清单 图i - 1 复合地基型式示意图。1 图i - 2 复合地基形成条件示意图2 图2 - i 复合地基排水加速固结示意图1 0 图2 - 2 圆弧分析法1 3 图2 - 3 自由单桩和复合地基中的单桩受力对比1 4 圈2 - 4 复合地基中桩的摩阻力示意图1 5 图2 - 5 复合地基中单桩和自由单桩p s 曲线。1 6 图2 - 6 复合地基桩问土和天然地基的p s 曲线1 6 图2 - 7c f g 桩复合地基变形模式1 7 图2 - 8 各层复合模量示意图1 7 图2 - 9 单桩荷载分解为三种形式荷载组合2 0 图3 - 1 平面四结点等参单元2 3 图3 - 2m o r 忙c o u l o m b 条件2 5 图3 - 3m 优h _ c o u l o m b 在万面上的屈服曲线2 5 图3 - 4m o d 卜c o u l o m b 空间模型2 6 图3 - 5m o r h - - c o u l o m b 屈服准则2 6 图3 - 6m o r l 卜c o u l o m b 流动法则定义区域2 6 图3 - 7g o o d m a n 单元。2 7 图3 8 接触面变形示意图2 9 图3 - 9 坐标转换3 0 图4 1c f g 单桩复合地基计算模型3 2 图4 2 桩土接触定义示意图3 2 图4 3 模型网格划分3 2 图4 _ 4 桩身应力一荷载水平关系3 3 图4 - 5p s 曲线3 4 图4 - 6 桩土沉降曲线3 4 图4 _ 7 桩身应力一垫层模量关系3 5 图4 - 8 垫层模量对沉降影响曲线3 6 图4 - 9 桩土应力比一垫层模量关系3 6 图4 1 02 0 0 k p a 时桩身应力一垫层厚度关系3 7 图4 - 11 垫层厚度对沉降影响曲线3 7 图4 一1 2 桩土应力比一垫层厚度关系3 8 图4 一1 3 相同荷载桩土应力比随垫层厚度变化曲线3 8 图4 - 1 41 5 0 k p a 桩身应力一桩端土模量关系。3 9 图4 1 53 0 0 七阮桩身应力一桩端土模量关系一3 9 图4 1 6 桩端土模量对沉降影响曲线4 0 图4 - 1 7 桩土应力比一桩端土模量关系。4 0 图4 1 82 0 0 克阮桩身应力一桩间土模量关系。4 1 图4 - 1 9 桩间土模量对沉降影响曲线4 1 图4 - 2 0 桩土应力比一桩间土模量关系4 l 图 2 1 桩身应力一桩长关系4 2 图4 - 2 2 桩长对沉降影响曲线4 2 图4 - 2 3 桩土应力比一桩长关系4 3 图4 2 4 桩身应力e 关系4 3 图4 2 5 桩土应力比一砟关系 图4 2 6 不同耳下的p s 曲线 表格清单 表2 - 1 变形计算经验系数矿1 8 表2 - 2a z 值表。1 9 表4 i 材料物理力学参数3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金蟹王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：钎蘑舅签字同期：w 矽年口6 月，7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍工些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金蟹王些盔堂可以将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、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：钫需勇 签字开期：矽刀年口莎月，7 日 新二名：粕，j 加f 签字日期：回年月夕日 鬻毕业后讯解螂瓤啪甫限勿毛洲蒯舻t ，工作单位： 电话：l ，i 。扩 通讯地址：邮编： 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师杨成斌教授表示最诚挚的敬意和深切的 感激之情! 三年来，无论在学业上还是生活上，都始终得到了我的导师杨成斌教授的 悉心指导和热忱关怀，使我受益匪浅。在资料收集、论文选题和撰写过程中， 导师都给了很多深入指导，给予了许多宝贵的意见和建议。导师渊博的学识、 严谨的治学作风、诲人不倦的精神、理论联系实际的指导思想、一丝不苟的工 作态度、平易近人的为人，都使我深受启迪，也为我在今后的学习、工作和生 舌中树立了榜样! 同时感谢徐金台高工对我在课题工作中的悉心指导和在工程实践中的谆谆 教诲，从论文的资料搜集到工程实践都得到他的热忱指导和帮助。 在读研期间的实践和学习中，还得到了吴春萍教授帮助和关心，在此也表 示感谢! 感谢合肥工业大学土木建筑工程学院的老师们对我的培养和教导! 感谢合肥工业大学岩土工程勘察院及建筑设计院的工程师们在我实习期 同，给我工程实践上的帮助和指导! 感谢我的同窗好友们和师兄师弟们，感谢他们这些年来给我的关心和支持! 最后，还要衷心地感谢我的父母和姐姐，他们的勤劳朴实的高贵品质值得 我终生敬仰，他们的牵挂和鼓励是催我奋进的永远动力l 第一章绪论 1 1 复合地基的概念与分类 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，这种经人工方法加固的地基叫做复合地基【2 】。增强体是由强 度和模量相对原土高的材料组成，按照习惯将纵向增强体称为桩。例如，由碎 石组成的纵向增强体叫碎石桩i 由水泥和土搅拌形成的纵向增强体称为水泥土 桩等等。需要特别指出的是，不论是碎石桩、水泥土桩，还是强度和模量都很 高的水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) ，低强度混凝土桩，都应视为天然土体中的增 强体，它和原土一起形成复合土体，均属复合地基范畴【”。 复合地基的涵义随着它的应用实践有一个发展的过程。初期，复合地基主 要是指碎石桩复合地基，人们将注意力主要集中在散体材料桩复合地基的应用 和研究上。随着深层搅拌法的推广应用，人们开始重视水泥土桩复合地基的研 究，复合地基的概念也发生了变化，由散体材料桩复合地基逐步扩展到胶结材 料桩复合地基。随着减沉桩和桩筏基础的研究，以及土工合成材料在地基中的 广泛应用，人们将复合地基概念进一步拓宽，出现了刚性桩复合地基和水平向 增强体复合地基的概念【4 】。 目前我国的复合地基型式主要有以下几种j ： ( 1 ) 竖向增强体复合地基 基础 氅型些坐些些璺 l 。一j 1 j 桩体 i 。1 。一j = = ( 2 ) 长短桩复合地基 ( 3 ) 水平向增强体复合地基 ( 4 ) 斜向增强体复合地基 图1 - 1 复合地基型式示意图 复合地基分类方法有很多种，按照复合地基的工作机理可将复合地基分为 以下几类： 1 2 形成复合地基的条件 在荷载作用下，增强体和地基土体共同承担上部结构传来的荷载是复合地 基的本质。然而如何设置增强体以保证增强体与天然地基土体能够共同承担上 部结构荷载是有条件的，这也是在地基中设置增强体能否形成复合地基的条件。 在荷载作用下，增强体与天然地基土体通过变形协调共同承担荷载作用是形成 复合地基的基本条件【8 】。 不可压缩层 ( c ) 不可压缩层 e s 2 相对较好土层 图1 2 复合地基形成条件示意图 在图1 - 2 ( a ) 和( b ) 中。耳 e s ，毋 e s ，其中廓为桩体模量，b 。为 桩闯土模量，乓，为加固区下卧层土体模量或褥垫层模量。图1 - 2 ( a ) 中b ：为 加固区下卧层土体的模量，在图1 2 ( b ) 中e 。为褥垫层模量。容易理解，在 图1 2 ( a ) 和( b ) 中，在承台传递的荷载作用下，通过增强体和桩间土体变 形协调可以达到增强体和桩间土体共同承担荷载作用，形成复合地基。图1 - 2 ( c ) 中，砟 乓。，在承台荷载作用下，开始增强体和桩间土体中竖向应力大 小大致上按两者的模量比分配，但是随着土体产生蠕变，土中应力不断减小， 而增强体中应力逐渐增大，荷载向增强体上转移。若廓疋。，桩问土承担的 2 基 基 地 地 合 合 复繁 燃一 氛 贻挑 抛 桩复 氪瓣呲雌吨 厶口 _ d 口 复 复 桩 戡 剌 料 黼 厂l 基 喾 地 地 合 台 复 复 体 体 强 强 增 增 向 向 平 竖 水rl 基 荷载比例极小，特别是若遇到地下水位下降等因素，桩阉土体进一步压缩，桩 问土可能不再承担荷载。这样增强体与桩间土体难以形成复合地基共同承担上 部荷载。在实际的工程中，为了有效减小沉降，复合地基中增强体设置一般都 穿透最薄弱土层，落在相对好的土层上。如图1 - 2 ( d ) 所示。如何保证增强体 与桩问土体形成复合地基共同承担上部荷载，是设计工程师应该注意的。图1 2 ( d ) 中，e ， 最，e ，： 乓，设计工程师应重视b 、e 。和b ：三者之间的关 系。当然，对于散体材料增强体，在荷载作用下，桩体产生侧向鼓胀变形，桩 体和桩间土的变形可保证桩体和桩间土共同承担荷载，因此图1 - 2 中各种情况 均可形成复合地基。也就是说，采用散体材料桩在各种情况下均可以形成复合 地基而不需要考虑形成条件；采用粘结材料桩，特别是采用刚性桩形成复合地 基需要重视复合地基的形成条件，在实际工程中不能满足形成复合地基的条件， 而以复合地基进行设计是不安全的，在这种情况下高估了桩闻土的承载能力， 降低了复合地基的安全度，可能造成工程事故，应引起设计人员充分重视。 同时理论研究和试验研究表明如图1 2 ( b ) 中所示在基础和复合地基加固 区之间设置褥垫层可以保证各类增强体与桩间土形成复合地基共同承担上部荷 载。 1 3c f g 桩复合地基的提出与工程特性 1 3 1c f g 桩复合地基的提出 自从d a v i s 和p o u l o s 于1 9 7 2 年【j ”首次提出桩筏基础概念以来，包括c o o k ( 1 9 8 6 ) d 2 ， b u r l a n d ( 1 9 7 7 ) d 3 ，c h o w ( 1 9 8 7 ) 【”】， r a n d o l p h ( 1 9 9 4 ) ”，k i m ( 2 0 0 1 ) 【1 ”，t aa n ds m a l l ( 1 9 9 6 ) d t 等许多研究人员接着进行了大量的 研究，导致在很长时间内桩筏基础在高层建筑的基础形式选用中处于统治地位。 桩基础虽然有效，但是桩间土的承载力被白白浪费掉了，特别是当桩间土的承 载能力较好时，尤其显的可惜。因此复合地基便应运而生。复合地基可以较为 充分地利用桩间土的承载能力，因而它一出现就受到了重视和广泛应用。早期 的复合地基多为碎石桩复合地基和水泥土搅拌桩复合地基等，这些复合地基可 以在一定程度上提高天然地基的承载力，但随着现代建筑向高处发展，建筑结 构形式日益复杂，这些传统的地基处理方法已不能满足承载力和变形的要求。 究其原因，主要是桩体的刚度太小，不能有效地将桩身应力向深处传递；其次， 施工质量不稳定，离散性大。比如，碎石桩桩身在距离桩顶2 d 3 d 左右处为高 应力区，因周围土体的围箍作用有限，容易发生鼓胀破坏【6 1 ，即便增加桩长也 不能提高地基承载力。在此情况下，寻找一种承载力高且变形小的地基处理方 法是大势所趋。而c f g 桩复合地基就是这一趋势下的产物。 c f g 桩可以将荷载有效传递到较深土层，当桩端持力层土质较好时，还 可以发挥端阻作用，因此c f g 桩复合地基克服了散体桩和柔性桩复合地基的缺 点，既能提高地基的承载力又可使地基变形得到有效控制，同时其施工工艺也 较为成熟，旌工质量可以得到保证。 1 3 2c f g 桩复合地基的工程特性m 1 【刀 c f g 桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成高粘结强 度桩，并由桩、桩间土和褥垫层一起组成复合地基的地基处理方法。工程特性 具有以下几点： ( 1 ) 承载力提高幅度大、可调性强；c f g 桩桩长变化范围大，可调性强， 桩长可从几米到2 0 多米。这是由于c f g 桩桩身强度高。与碎石桩相比，桩项下 没有压胀区，可全桩长发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总荷载的百分比可在 4 0 一7 5 之问变化，复合地基承载力提高幅度大并且具有很大的可调性。当地 基承载力较高，荷载又不大时，可将桩长设计得短一些，当荷载大时，桩长可 设计得长一些。特别是由于天然地基承载力较低，而设计要求的承载力较高， 用碎石桩复合地基一般难以满足设计要求，这时可采用c f g 桩复合地基实现设 计要求。 ( 2 ) 刚性桩的性状明显：对柔性桩，特别是散体桩如碎石桩、砂石桩，它 们主要通过有限的桩长( 6 d l o d ) 传递竖向荷载，当桩长大于此长度时，桩传递 荷载的作用已显著减小；而c f g 桩桩体粘结强度高，桩体刚性大可全桩长发挥 侧阻力，桩落在好的土层时，具有明显的端承作用。 ( 3 ) 适用范围广：c f g 桩可用于填土、饱和及非饱和粘性土，既可用于挤 密效果好的土，又可用于挤密效果差的土；而碎石桩主要用于加固松散粉细砂、 粉土、可液化土及挤密效果好的填土。 当土是具有良好挤密效果的砂土、粉土时，振动可使土挤密，桩问土承载 力可有大幅度的提高，c f g 桩是很适用的。例如，山西某煤炭基地建筑工程， 地基持力层是粉质粘土，承载力标准值为7 0 k p a ，下卧层粉土承载力标准值仅为 6 0 k p a ，不能满足设计要求，采用c f g 桩进行地基加固处理后，复合地基承载力 标准值可达1 6 0 2 2 0 k p a ，而对于塑性指数较高的饱和软粘土，成桩时土的挤密 分量很小，桩间土承载力提高不多，承载力的提高取决于桩体的置换作用，但 由于桩间土承载力太低，土的荷载分担比相当小，因此，对于此类复合地基的 处理效果不是非常理想， ( 4 ) 工后沉降较小：c f g 桩的长度大大超过常规的水泥土桩，因此地基处 理的深度大，复合地基工后沉降较小，能很好满足工程要求。 ( 5 ) 施工质量容易保证、经济效益好：目前c f g 桩体的施工工艺比较成熟， 施工参数容易控制，施工质量能得到很好保证，同时施工速度也较快，能缩短 工期，较普通桩基础经济得多，工程造价仅为普通桩基础的1 2 1 3 。 1 4c f g 桩复合地基的研究现状和发展前景 1 4 1c f g 桩复合地基的研究现状 c f g 桩复合地基既不同于一般意义的桩基础，与普通的柔性桩复合地基也 有很大的不同。c f g 桩复合地基成套技术是由中国建筑科学研究院于2 0 世纪8 0 年代末开始开发的一项新地基加固技术，9 0 年代后开始在全国各地推广，被视 为国家级工法，并列入国家行业标准建筑地基处理技术规范。随着c f g 桩 复合地基在全国范围内推广应用，关于c f g 桩复合地基各方面的研究也在迅速 发展： ( i ) 王大通，袁立民等 9 】根据无侧限试验得到c f g 桩的应力应变关系曲线， 试件在破坏以前，其应力应变关系为直线，因此其本构关系可以用线性弹性模 型描述。 ( 2 ) 关于c f g 桩复合地基的设计，赵其华、李建光等【2 0 】提出了沉降量和 承载力双重控制的c f g 桩复合地基的设计思想，并且建立了c f g 桩复合地基半 无限约束最优化理论模型，利用m a t l a b i 具进行求解，经工程实例验证该模型 是可行的。 ( 3 ) 在复合地基垫层效用的研究方面，郑东明、邓安福等【2 5 】采用有限元数 值分析方法，对c f g 桩单桩带承台复合地基褥垫层的效用进行了研究分析，并 提出了一些见解。 ( 4 ) 张小敏【2 8 垮利用可靠度理论对国内收集到的c f g 桩复合地基承载力试 验数据进行了概率统计处理。借助无量纲计算模式，计算不同荷载组合下c f g 桩复合地基承载力的可靠度指标，并分析了各随机变量对可靠度指标的影响程 度。 ( 5 ) 贺武斌 3 0 】等针对半刚性复合地基中广泛使用的水泥土桩和c f g 桩在工 程实践中和研究中的一些问题，例如水泥土桩的变形模量、水泥土桩及c f g 桩 的桩间土应力发挥系数、水泥土桩及c f g 桩的复合地基静载荷试验方法等。 结合具体工程，对这些问题进行了试验研究及理论分析，提出了水泥土桩的变 形模量和c f g 桩的桩间土应力发挥系数口的建议取值以及解决褥垫层设置和垫 层压缩模量对工程实践影响的修正方法。 ( 6 ) 陈东佐【2 9 】等对c f g 桩复合地基的设计方法结合实际工程进行了简要的 阐述；采用有限元程序a n s y s 分析了c f g 桩复合地基的应力传递特性；并对 c f g 桩体的强度和弹性模量进行了测试，对c f g 桩体、c f g 桩复合地基进行了 静载荷试验，对桩间土进行了标准贯入试验。通过分析和试验得到变形比随面 积置换率变化及c f g 桩荷载传递的一些规律。 ( 7 ) 韩云山【3 1 】等进行了两组载荷板下不同厚度和材料垫层条件下的c f g 桩 复合地基静载荷试验，对桩土反力进行了测试。根据试验结果和复合地基桩土 共同作用的特性，研究了外荷载增加时不同厚度垫层条件下c f g 桩复合地基桩 土应力比、荷载分担比以及沉降的发展历程。认为垫层厚度和材料对c f g 桩复 合地基的承载性状有很大影响，两者之间有个匹配问题。提出c f g 桩静载荷试 验时，可采用厚度为5 0 1 5 0 m m 的石屑+ 中粗砂、碎石+ 中粗砂或碎石+ 石屑垫 层，桩间土的承载力发挥系数为0 7 5 1 0 。 ( 8 ) 关于c f g 桩复合地基承载性状方面，张晶、李斌等【ls 1 进行了大量的试 验研究，通过对工程上较软弱土层进行复合地基处理后的静荷载试验结果，分 析了c f g 桩复合地基的承载力性状，并对单桩、桩土复合、桩问土等不同的复 合地基试验结果进行了分析对比，得出c f g 桩的后期强度增长幅度较高，对整 体桩的性状是有利的结论。 ( 9 ) 潘纪顺【2 7 】等对c f g 桩复合地基承载性状进行了试验研究，试验表明： 当复合地基不设褥垫层，即桩及桩间土直接与基础接触的情况下；桩顶荷载 小于桩的允许承载力时，荷载主要由桩承担；当桩顶荷载超过其允许承载力时， 桩端土由弹性变形进入塑性变形阶段，沉降明显增大，桩间土开如承担荷载； 若荷载进一步增加，荷载增量很大部分由桩间土分担，直至达到极限承载力， 这时复合地基破坏。 ( 1 0 ) 在c f g 桩复合地基变形特性计算方面，目前主要有解析法和数值解法 两种。解析法大多应用以m i n d l i n 解为基础的g e d d e s 积分来计算复合地基中桩荷 载所产生的附加应力；桩问土荷载产生的附加应力按b o u s s i n e s q 解计算，复合 地基中任一点的附加应力为二者的叠加；按照半无限弹性体内集中力的m i n d l i n 公式，g e d d e s 研究得出了土中桩端阻力和桩侧阻力的表达式：这样，在得到了桩 间土荷载、桩端阻力、桩侧阻力的分布规律后，即可计算复合地基的应力场， 求得复合地基的变形。数值解法般采用有限元计算，在构造几何模型时通常 采用两种方法：其一是将单元划分为土体单元和增强体单元，二者采用不同的 计算参数，在土体单元和增强体单元之间可以考虑设置界面单元；其二是将加 固区土体和增强体考虑为复合土体单元，用复合材料参数作为复合土体单元的 计算参数。在这方面作了许多工作的主要有阎明礼、刑仲星、董必昌等人【1 9 儿”j 。 ( 1 1 ) 阎明礼、李春灵等f 2 1 】对有边载条件下，特别是在埋深较大条件下的复 合地基承载力变形特性与无边载条件下的复合地基性状有什么不同进行了对比 试验，根据试验结果认为：边载对复合地基承载力的提高具有明显的作用；有 无边载条件下复合地基荷载分担比也明显不同，与无边载条件相对比，有边载 条件下复合地基中桩的荷载分担比较低，而桩间土的荷载分担比较高，桩需要 在更高的总荷载水平下才能发挥其承载力。 ( 1 2 ) 在c f g 桩复合地基计算的数值模拟方面，邢仲星、陈晓平等口2 】对c f g 桩复合地基力学特性进行了研究及有限元分析，得出结论：c f g 桩复合地基的 变形主要是由桩间土及桩端土的压缩组成，而桩身范围内的压缩变形组成了搅 拌桩复合地基的主要变形：c f g 桩整个桩群的桩端应力相互影响，出现了应力 叠加现象，对于搅拌桩桩身的竖向应力主要集中在桩体上部，桩端土没有明显 的应力叠加发生。此外，文献【2 3 】【2 5 1 也从不同角度对c f g 桩复合地基进行了有 限元模拟分析。 ( 1 3 ) 吴春林、阎明礼等【2 6 】通过室内模型试验方法，对无筋c f g 桩承受水平 荷载的性状进行了试验分析，并对是否会产生断桩作了评价。室内试验表明在 垂直荷载作用条件下，由于褥垫层的作用，基础承受水平荷裁时，垫层厚度 a h 1 0 c m 时，c f g 桩桩体不会发生水平断裂破坏。 ( 1 4 ) 文献【2 卅认为抗震性能好的建筑物，应是地基基础上部结构在接触部 位变形协调一致，形成一个共同工作的整体，地震时建筑物就能抵御地震破坏 力。c f g 桩复合地基由于设置了褥垫层，给乐甫波的出现创造了有利条件，而 乐甫波的出现，对整个结构潜在着严重的危险；褥垫层的设置还使桩、桩间土 和基础变形不同步，出现负摩擦力导致桩的沉降加大，并会产生较大的不均匀 沉降，从而加重上部结构震害；密实的褥垫层在地震荷载作用下，会发生剪胀、 松散趋势，使垫层失去效用，成为引发严重震害的隐患部位；褥垫层的存在使 c f g 桩复合地基抗拔力不能发挥作用。 1 4 2c f g 桩复合地基的发展前景 c f g 桩复合地基作为一种新的地基处理技术，因其造价低，施工方便，复 合地基强度高，具有明显的社会经济效益，为工程设计人员提供了一个新的选 择。近年来，随着我国经济建设的飞速发展，高层建筑大量出现。由于高层建 筑荷载大、重心高，对地基强度与变形要求均很高。当天然地基不能满足要求 时，一般多采用桩基础或桩筏基础，但需耗费大量的钢筋、水泥，造价很高。 当地基土，具有一定强度时，可采用c f g 桩复合地基，c f g 桩利用工业废料粉 煤灰，并能充分发挥桩间土的承载力，施工速度快、工期短、质量容易控制， 比传统的桩基础具有明显的优势，可取得良好的经济效益和社会效益。因此， c f g 桩复合地基是一种可推广的基础处理方法之一，具有广阔的应用发展前景。 1 5 本文的主要内容 l 、本文首先简略介绍了复合地基概念与分类、形成条件，c f g 桩复合地 基工程特性、研究现状和发展前景。 2 、分析了c f g 桩复合地基的加固机理、桩体复合地基承载力面积比和应 力比计算公式之间的关系。 3 、讨论了利用建筑地基处理技术规范o g 1 7 9 - - 2 0 0 2 ) 中的公式计算c f g 复合地基承载力特征值一般小于载荷试验值的原因，并结合实例加以说明。 4 、对目前常用的几种c f g 桩复合地基沉降计算方法进行了介绍，并就这 些计算方法中存在的问题进行了分析说明。 5 、对有限元分析中土体、褥垫层、桩、承台采用的单元类型、本构模型和 桩土接触面单元进行了分析说明。 6 、利用a d i n a 有限元分析软件对各种影响c f g 桩复合地基承载性状的因 素，诸如荷载水平、褥垫层材料厚度、桩端土、桩长、桩身模量等进行了系统 的数值分析。 7 、对c f g 桩复合地基需要进一步研究的问题提出了一些建议。 第二章c f g 桩复合地基基本理论分析 2 1c f g 桩复合地基的加固机理 c f g 桩的主要骨料为碎石，石屑是为了填充碎石空隙，改善骨料级配的次 骨架材料，粉煤灰具有细骨料和低标号水泥的作用，可以提高桩体的后期强度 嘲。c f g 桩体强度变化范围较大。水泥掺量较少时，桩体强度较低，接近散体 材料桩的性状；水泥掺量较高时，桩体具有刚性桩的性状。c f g 桩与桩间土和 砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫层共同构成了c f g 桩复合地基，其加 固机理主要有以下四方面：振动挤密作用、桩体置换作用、褥垫层调整均匀化 作用、排水加速固结作用。 2 1 1 振动挤密作用 c f g 桩对松散填土、松散粉细砂、粉土，采用振动挤土成桩工艺，可使桩 间土孔隙比减小，密实度增加，提高桩问土的强度和模量。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，特别在砂土层中这一效果更加 显著，砂土在强烈的高频宽幅振动下，结构破坏，孔隙水压力增大，土体产生 液化之后孔隙水压力消散，砂粒重新排列，密度增大。在振冲孔内投放桩体混 合料的过程中，振冲器的水平振动力通过混合料介质传递，继而振密砂层，同 时混合料向孔壁挤压使砂层挤密，使土的抗液化能力得到提高。但是，对饱和 软粘土、硬的粘性土、密实砂土，振动成桩不仅不能使桩间土挤密、振实，反 而使土体结构强度丧失，孔隙比增大、密实度减小、承载力降低。 2 1 2 桩体的置换作用 c f g 桩中的水泥经水解和水化反应以及与粉煤灰的凝硬反应，生成了主要 成分为铝酸钙水化物( x c a o y a l 2 0 3 m h 2 0 ) 、硅酸钙水化物( x c a o y s i 0 2 n h 2 0 ) 以及钙铝黄长石水化物( z c a o a 12 0 3 s i 0 2 6 h 2 0 ) 等不溶于水的稳定结晶化 合物，这些物质以纤维状结晶，并不断生长延伸填充到碎石和石屑的空隙中， 相互交织形成空间网状结构，将原来由点一点接触和点一面接触的骨料紧紧粘 结在一起，大大的提高了桩体的抗剪强度和变形模量。所以在荷载作用下，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的附加应力，随地层的变 形逐渐集中到桩体上，出现了应力集中的现象，大部分荷载将由桩体承担，桩 间土应力相应减小，于是复合地基承载力较原有地基承载力有所提高，沉降量 亦有所减小，随着桩体刚度的增加，桩体作用发挥更加明显。这一点正是碎石 桩与c f g 桩的受力情况不同的根本点。因为碎石桩桩体，材料是松散碎石，自 身无粘结强度，依靠桩周围土约束才能承受上部荷载。而c f g 桩桩身的粘结强 度高，在荷载的作用下，不会出现压胀变形，桩承受的荷载通过桩周摩擦阻力 和桩端阻力传至深层地基中，其复合地基承载力提高幅度远比碎石桩大。 2 1 3 褥垫层调整均匀化作用 在竖向荷载作用下，c f g 桩复合地基由于褥垫层的作用，桩体逐渐向褥垫 层中刺入，桩顶上部垫层材料在受压缩的同时，向周围发生流动；垫层材料的 流动补偿使得桩间土与基础底面始终保持接触并使得桩间土的压缩量增大，从 而使桩间土的承载力得到充分发挥，桩土共同作用得到保证，垫层材料的流动 补偿，使桩间土的承载力得到充分发挥，桩体承担的荷载相对减少，从而使地 基的接触压力得到了均化和调整，地基中的竖向应力分布得到均化，地基的变 形状况得到明显改善。 2 1 4 排水加速固结作用 与一般碎石桩复合地基一样，采用沉管灌注施工c f g 桩，在施工和成桩后 的一段时期内，都会在不同程度上降低地层中地下水的含量。最终达到改善地 基土物理、力学性质的目的； 在饱和的粉土和砂土中施工时，由于沉管和拔管的振动会使土体产生超 孔隙水压力。在上层有相对隔水层时，刚施工完毕的c f g 桩因其本身材料的性 质决定了它将是一个良好的排水通道【5 1 ，如图2 1 所示，孔隙水将沿着桩体向 上排除，直到c f g 桩体硬结为止。这样的排水过程还包括c f g 桩体的坍落度 小，含水量很小的混凝土类材料水解吸水的过程，有资料证明，这一系列排水 作用对减少孔隙水压力引起的地面隆起( 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。 图2 - 1 复合地基排水加速固结示意图 2 2c f g 桩复合地基承载力计算 2 2 1 桩体复合地基承载力计算模式 桩体复合地基由桩间土和桩共同承担荷载。现有的桩体复合地基承载力计 算模式有两种思路： 思路一：是先将桩体和桩间土单独考虑，分别确定桩体极限承载力和桩间 土极限承载力，再根据一定的原则将这两部分叠加，即得到复合地基承载力； 该思路又分为两类计算方法：面积比公式和应力比公式。 1 面积比公式【8 1 桩体复合地基的极限承载力p 。可用下式表示： 名= 墨五m 易+ 局五：( 1 一掰) 弓 ( 2 1 ) 式中 易一单桩极限承载力，k p a ： 昂一天然地基极限承载力，k p a ； 五一反映复合地基中桩体实际极限承载力与单桩极限承载力不同的修 正系数，一般大于1 0 ： 蜀一反映复合地基中桩间土实际极限承载力与天然地基极限承载力不 同的修正系数；其值视具体工程情况确定。可能大于1 0 ，也可能 小于1 0 ； 名一复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，可称为桩体极限 强度发挥度。若桩体先达到极限强度，引起复合地基破坏，则 = 1 0 。若桩间土比桩体先达到极限强度，则丑 1 o ； 丑，一复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例，可称为桩间土 极限强度发挥度般情况下，复合地基中往往桩体先达到极限强 度，z ，通常在之问0 4 1 0 之间； m 一复合地基置换率。 2 应力比公式【8 】 易= k 2 岛【l + m ( n - 1 ) 】 ( 2 - 2 ) 弓= k l 易【l + m ( n - 1 ) n ( 2 - 3 ) 式中一桩土应力比 若桩问土先发生破坏，则采用式( 2 2 ) ；若桩体先发生破坏采用式( 2 3 ) ；若 桩体和桩间土同时破坏，两式均用，计算结果取小者，以偏于安全。 3 面积比公式与应力比公式之间关系分析 ( 1 ) 在复合地基理论中，桩土应力比是表现桩土共同作用性状的主要参 数。一般定义为：“承台下桩顶平均应力与桩间土表面平均应力之比”。 由于复合地基中桩与土能够共同承担荷载，在复合地基达到极限状态时， 综合考虑桩与土各自发挥的承载能力，其中两者在极限状态下承载能力发挥的 程度用桩土应力比这个参数来表现。因此在承载力设计中，应力比首先是一个 极限状态下的概念1 即： 以，= 翌( 2 - 4 ) j o 玎 其中，n f 为复合地基达临界状态时的桩土应力比，、略分别为临界 状态时复合地基中桩体与土体平均应力值；但在目前，由于试验设备加载能力 的限制，一般得到的应力比并不是极限状态下的应力比而是： n ：堡( 2 5 ) 但实际上，根据目前的研究成果应力比是随应力水平而变化的，许多学者 部认为极限状态与非极限状态下的应力比是不同的，即 生。垒 a s o 因此，在承载力的设计当中，应当注意采用极限状态下的应力比，而不是 一般使用状态下的桩土应力比。 ( 2 ) 在设计中。面积比公式和应力比公式实质上是一致的。 由上述分析桩土应力比以可进一步写成4 3 】： n ：垒：k a ? f( z 一6 ) 叠五岛 若桩体先破坏，则 再：翼， ；1 o ( 2 7 ) 如五岛 若土体先破坏，则 ，l ：墨垃，见：1 o ( 2 8 ) k ：岛 将上面两式分别代入面积比公式(