（岩土工程专业论文）cfg桩复合地基承载力可靠度研究.pdf

西华大学硕士学位论文 c f g 桩复合地基承载力可靠度研究 岩土工程专业 研究生苏刊指导教师王泽云( 教授) 摘要 可靠度的研究早在2 0 世纪3 0 年代开始，当时的主要是围绕飞机进行研究。 可靠度在结构设计中的应用大概从4 0 年代开始，在岩土工程中的应用则是更晚 些。这是由于岩土工程中存在大量的不确定性和不确知因素，这样使岩土工程 用可靠度理论研究中是一个比较困难的问题。对c f g 桩复合地基更是如此。 c f g 桩复合地基技术以其用材经济、施工快捷、加固效果良好等优点，在 工程上得到了广泛的应用。经过十多年的研究和推广应用，在我国的基本建设 中起到了非常重要的作用，就目前掌握的资料，c f g 桩复合地基可加固从多层 建筑到3 0 层以下的高层建筑，而且加固后效果稳定良好。工程实践促进设计理 论的发展，目前c f g 桩复合地基设计理论已比较成熟，国家相关规范正逐渐完 善，随着工程实践和研究的深入，这种设计理论正朝着区域化的方向发展。但 目前对其承载力的可靠度研究仍还处于起步阶段，承载力可靠度问题研究开展 的很少。 本论文在参阅大量的可靠度研究基础上，进行c f g 桩复合地基承载力可靠 度的研究，本论文内容主要包括以下几个部分： 由于影响复合地基承载力的因素众多，各因素又互相作用，所以很难建立准确 的承载力计算公式。现在设计中广泛使用的公式及其他理论公式仍是借助于试 验基础上的半经验半理论公式。经验系数的取值对承载力的计算结果产生很大 影响。在实际工程中设计往往偏于保守。与静载荷试验数据比较，复合地基承 载力设计值与检测值误差一般较大。因此，如何合理确定复合地基承载力己成 为c f g 桩复合地基设计的重要问题。本项研究作者将根据工程实例，探讨c f g 西华大学硕士学位论文 桩复合地基在建筑工程地基处理中的应用，并对c f o 桩复合地基承载力可靠度 研究，以便设计人员在使用c f g 桩复合地基既经济又安全。 关键词：复合地基可靠度地基处理验算点法 l i 西华大学硕士学位论文 s t u d yo n t h er e l i a b i l i t yo f c o m p o s i t ef o u n d a t i o n s b e a r i n gc a p a c i t yw i t hc f gp i l e m a j o rs u b j e c t ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：s uk a na d v i s o r ：p r o f w a n gz e - y u n a b s t r a c t t h es t u d yo f r e l i a b i l i t yb e g a ni n1 9 3 0 sw h e ni tf o c u s e di na i r p l a n em a i n l y t h e u s eo fr e l i a b i l i t yi ns t r u c t u r ed e s i g n i n gb e g a ni n1 9 4 0 sa n dt h eu s ei ng e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gl a t e rb e c a u s et h e r ea r el o t so fu n c e r t a i n t ya n da n - k n o w nf a c t o r s i ti s m o r ed i f f i c u l ti ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gt ou s et h et h e o r yo fr e l i a b i l i t y , s oi s c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t l lc f gp i l e 。 c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hc f gp i l ei su s e di ne n g i n e e r i n ga b r o a d a si t se c o n o m y , q u i c kc o n s t r u c t i o na n dr e i n f o r c e m e n t 。b yr e s e a r c h i n ga n du s i n gy e a r l y , i ti sv e r y i m p o r t a n ti nb a s i cc o n s t r u c t i o n a sw ek n o w , i tc a nr e i n f o r c em u l t i b u i l d i n ge v e n l l i g hl e v e lb u i l d i n gu n d e r 3 0f l o o r s a n dt h ee f f e c to fr e i n f o r c e m e n ti sg o o d t h e p r a c t i c eo fe n g i n e e r i n gi m p r o v e dt h et h e o r yo fd e s i g n a tp r e s e n t i t st h e o r yi s a l r e a d ym o r em a t u r e d t h ec r i t e r i o no fn a t i o ni sp e r f e c t e dg r a d u a l l y a c c o m p a n i e d w i t ht h ep r a c t i c ea n dr e s e a r c h , t h et h e o r yi sh e a dt or e g i o n a l i z a t i o n h o w e v e rt h e s t u d yo f r e l i a b i l i t yo f b e a r i n gc a p a c i t yi ss t i l ln e w e r b a s i n g o nr e f e r r i n gl o t so fs t u d yo f r e l i a b i l i t y , t h i sp a p e rs t u d yt h er e l i a b i l i t yo f b e a r i n gc a p a c i t yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hc f gp i l e t h ec o n t e n to ft h i sp a p e r m a i n l yc o n t a i n s ： a st h e r ea r el o t so ff a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h eb e a r i n gc a p a c i t yo fc o m p o s i t e f o u n d a t i o n , t h ee q u a t i o nt h a ti su s e df o rc a l c u l a t i n gb e a r i n gc a p a c i t yi sc o n s t r u c t e d i 西华大学硕士学位论文 d i 伍c u l t l y t h ef o r m u l aw h i c hi su s e dm o s t l yn o w i su n d e rt e s t t h er e s u l td e p e n d s o nt h ee m p i r i c a lc o e f f i c i e n t sc h o i c e ：t h ed e s i g ni nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gi s u s u a l l yi n c l i n e dt os a f e c o m p a r e dw i t ht h ed a t af r o ms t a t i cl o a dt e s t ，t h ee l t o i _ s b e t w e e nd e s i g nv a l u ea n dd e t e c t i o nv m u ea r em o s t l yl a r g e r s oh o wt od e t e r m i n a t e r e a s o n a b l yb e a r i n gc a p a c i t yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nb e c o m e si m p o r t a n ti nd e s i g n o ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hc f gp i l e ，a c c o r d i n gt op r a c t i c a lc a s e s ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ea p p l i a n c ei ng r o u n dt r e a t m e n to fa r c h i t e c n 肛e n g i n e e r i n ga n ds t u d y t h er e l i a b i l i t y t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oa p p l yt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t h c f g p i l ee c o n o m i c a l l ya n ds a f e l yf o rd e s i g n e r k e yw o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n , r e l i a b i l i t y , g r o u n dt r e a t m e n t , c h e c k c o m p u t a t i o n - d o tm e t h o d 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学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。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的。论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名： 导师签名： 。7 年多月刁日 口 7 每旯 b 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1c f g 桩复合地基的研究现状 复合地基技术在1 9 世纪3 0 年代起源于欧洲，当时为了处理松散的砂土 地基，出现了砂桩加固法，但在长时间内由于没有适用的设计计算方法，缺 少先进的施工工艺和施工设备而影响了它的发展。第二次世界大战以后，原 苏联在这方面的研究取得了较大成就，使它得到了较广泛的应用。砂桩在5 0 年代引入我国，在工业与民用建筑、交通、水利等工程建设中都得到应用。 尤其是在近2 0 年来，采用砂桩加密松散砂土地基、软粘土地基，或防止砂土 振动液化方面均取得了一些成就，解决了许多实际工程问题。刚性桩复合地 基的设计思想由中国建筑科学研究院黄熙龄院士首先提出，中国建筑科学研 究院地基基础研究所于1 9 9 2 年开发成功的c f g 桩复合地基即最早的刚性桩复 合地基。为了提高复合地基承载力、减小沉降，将碎石桩中掺入水泥、粉煤 灰和石屑，于是形成了粘结强度较高的e f g ( c e m e n tf l y a s hg r a v e l ) 桩，它 具有刚性桩的性状。在荷载作用下，桩身的压缩变形极小，荷载通过桩周摩 阻力和桩端阻力向深层传递，因此承载力的提高幅度很大。为了保证桩土能 共同作用，在桩顶铺设一定的厚度的砂石褥垫层，以利于桩顶向上刺入，由 桩体、桩伺土和褥垫层一起构成c f g 桩复合地基。 c f g 桩复合地基试验研究是建设都“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 桩复合地基成套技术，于1 9 9 4 年被建 设部列为全国重点推广项目，并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，现已列 入国家行业标准j g j 7 9 - 2 0 0 2 建筑地基处理技术规范，该规范于2 0 0 3 年1 月1 日在全国范围实施。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。c f g 桩的施工工艺有由振动沉管打桩过渡到长螺旋钻管内泵 压c f g 桩施工工艺。据不完全统计，该技术己在全国2 3 个省市广泛推广，在 西华大学硕士学位论文 1 0 0 0 多个工程实际中应用。和普通桩基相比，由于c f g 桩桩体材料可以掺用 工业废料粉煤灰，不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，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。由于c f g 桩复合地基具有施 工速度快i 工期短，工程造价低廉的特点，目前已成为应用较为普遍的地基处 理技术。在c f g 桩复合地基技术广泛推广使用的同时，c f g 桩复合地基的理论 研究也在不断的推进。阎明礼等探讨了c f g 桩复合地基在水平荷载作用下的承 载性状”1 。董必昌、郑俊杰分析了c f g 桩复合地基的变形模式，推导出一种考 虑桩一土一垫层相互作用的沉降计算方法以及桩土应力比公式。吴春林讨论 了c f g 桩复合地基承载力的简易计算方法“1 。孙燕等对c f g 桩复合地基性状进 行了分析0 1 。李彦利对c f g 桩复合地基的承载特征进行了分析。1 。马骥、张东 刚等探讨了c f g 桩在高层建筑地基处理中的深度修正问题”1 。王戈、张剑峰探 讨了c f g 桩复合地基工程设计的问题阱。张晶、李斌对e f g 桩复合地基在软土 地区的承载力性状做了试验与分析。1 。解毅、张生喜对c f g 桩复合地基的工程 实践进行了探讨“，此后，随着c f g 桩复合地基的应用和刚性桩复合地基设计 理论的发展，又开发出二灰混凝土桩复合地基、粉煤灰混凝土桩复合地基等其 它刚性桩复合地基。工程实践的多元化促进设计理论的多元化。1 9 9 7 年发表 了砂石桩与低强度混凝土桩组合型复合地基在软土地基中的应用( 一) “， 党显敬发表了c f g 桩与沉管碎石桩组合型复合地基的承载力计算“”，开始 了复合地基由一元形式向多元形式的发展。郑俊杰，张建平运用c f g 桩与石灰 桩联合处理不均匀地基“”。郑俊杰提出了多元复合地基的设计思想，并根据面 积加权的原理提出了多元复合地基的承载力计算方法“”。贾燎、王林等探讨了 多元复合地基在软土地基处理中按沉降控制的设计方法“。郭红梅、马培贤 提出了灰色理论在预测复合地基最终沉降变形中的应用“。张小敏、郑俊杰探 讨e f g 桩复合地基承载力可靠度分析 i z o 王风池等人提出了复合地基沉降的模 型预测h ”。王慧萍探讨了刚性桩复合地基沉降计算方法m 1 。齐宏伟等人分析了 c f g 桩复合地基承载力计算方法啪1 。王瑞芳等人分析了c f g 桩复合地基沉降数 值分析。”。汪小平等人分析了c f g 桩复合地基沉降计算方法2 1 。潘星探讨了 c f g 桩复合地基承载力计算方法。冯震分析了c f g 桩复合地基沉降。 近年来，c f g 桩复合地基的设计理论及沉降理论也有了较大的发展，然而 对c f g 桩复合地基可靠度的研究却开展的很少。事实上，复合地基的不确定性 2 西华大学硕士学位论文 因素比天然地基和桩基更多，而积累的资料相对较少，这就不可避免地在设计 中出现保守的倾向。但我国地域广阔，软弱地基类别多，分布广，自改革开放 以来土木工程建设规模大，发展快j 我国又是发展中的国家，建设资金短缺， 如何在保证工程质量前提下节省工程投资显然十分重要。复合地基处理技术能 够较好的利用增强体和天然地基两者共同承担建筑物荷载的潜能，因此具有比 较经济的特点。用可靠度理论研究c f g 桩复合地基承载力具有重要的工程意 义。 1 2 课题的提出 水泥粉煤灰碎石桩简称c f g 桩，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混 合料加水形成高粘结强度的桩，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。即这种处理方法通过在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤灰 和少量水泥，加水拌和制成的- 二种具有一定粘结强度的桩，也是近年来新开发 的一种地基处理技术。通过调整水泥掺量及配比，可使桩体强度等级在c 5 c 2 5 之间变化。主要有以下几方面优点：第一，旋工工艺与普通振动沉管灌注桩一 样，工艺简单，与振冲碎石桩相比，无场地污染，振动影响也较小；第二，所 用材料仅需少量水泥，便于就地取材，基础工程不会与上部结构争“三材”，这 也是比水泥搅拌桩优越之处；第三，受力特性与水泥搅拌桩类似。 水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) 法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固 结的素填土等地基。对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。 水泥粉煤灰碎石桩应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。+ c f 6 桩复合地基技术以其用材经济、施工快捷、加固效果良好等优点，在 工程上得到了广泛的应用。经过十多年的研究和推广应用，在我国的基本建设 中起到了非常重要的作用，就目前掌握的资料，c f g 桩复合地基可加固从多层 建筑到3 0 层以下的高层建筑，而且加固后效果稳定良好。工程实践促进设计理 论的发展，目前c f g 桩复合地基设计理论己比较成熟，国家相关规范正逐步完 善，随着工程实践和研究的深入，这种设计理论正朝着区域化的方向发展。由 于影响复合地基承载力的因素众多。各因素又互相作用，很难建立准确的承载 3 西华大学硕士学位论文 力计算公式。现在设计中广泛使用的公式及其他理论公式仍是借助于试验基础 上的半经验半理论公式，经验系数的取值对承载力的计算结果产生很大影响。 在实际工程中设计往往偏于保守：与静载荷试验数据比较，复合地基承载力设 计值与检测值误差一般较大。因此，如何合理确定复合地基承载力己成为c f g 桩复合地基设计的重要问题。本项研究作者将根据工程实例，探讨c f g 桩复合 地基在建筑工程地基处理中的应用，并对c f g 桩复合地基承载力可靠度研究， 以便设计人员在使用c f g 桩复合地基既经济又安全。 随着地基处理技术的不断提高和发展，c f g 桩复合地基的应用越来越广。 c f g 桩桩体材料是由碎石、粉煤灰、石屑、水泥和水按一定的配合比搅拌而成， 其桩体刚度介于碎石桩和混凝土灌注桩之间。c f g 桩的桩体与桩间土、褥垫层 和承台板一起形成c f g 桩复合地基。近年来，c f g 桩复合地基的设计理论及沉 降理论也有了较大的发展，然而对复合地基可靠度的研究却开展的很少。事实 上，复合地基的不确定性因素比天然地基和桩基更多，而积累的资料相对较少， 这就不可避免地在设计中出现保守的倾向。 对c f g 桩复合地基，可以按原有方法进行设计，然后用可靠度理论确定其 可靠度，即对经加固处理后的地基进行可靠度分析，计算得出可靠度指标，这 将是对设计结果和工程实际作出的发展与补充，为以后可靠度理论在c f g 桩复 合地基中的进一步应用提供有力的数据，为c f g 桩复合地基承载力的可靠度分 析奠定基础。 在分析c f g 桩复合地基自身的承载特性和概率特性的基础上，以可靠度理 论为基础，用验算点法( j c s s 法) 对四川地区c f g 桩复合地基承载力可靠度进 行分析，研究影响c f g 复合地基承载力可靠度的因素，以指导实践。而且我国 地域广阔，软弱地基类别多，分布广，自改革开放以来土木工程建设规模大， 发展快。我国又是发展中的国家，建设资金短缺，如何在保证工程质量前提下 节省工程投资显然十分重要。复合地基处理技术能够较好的利用增强体和天然 地基两者共同承担建筑物荷载的潜能，因此具有比较经济的特点。用可靠度理 论研究c f g 桩复合地基承载力具有重要的工程意义。 4 西华大学硕士学位论文 1 3 本论文研究的内容 ( 1 ) 分析了复合地基桩体和桩间土的承载特性和概率特性。 ( 2 ) 研究c f g 桩复合地基承载力的亩靠性分析方法，并通过工程实例的 计算说明该方法的正确性。 ( 3 ) 分析不同因素对c f g 桩复合地基可靠度指标的影响。 西华大学硕士学位论文 2 水泥粉煤灰碎石桩复合地基概述 2 1 水泥粉煤灰碎石桩复合地基定义及分类 水泥粉煤灰碎石桩简称c f g 桩，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混 合料加水形成高粘结强度的桩，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。即这种处理方法石通过在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤 灰和少量水泥，加水拌和制成的一种具有一定粘结强度的桩，也是近年来新开 发的一种地基处理技术。通过调整水泥掺量及配比，可使桩体强度等级在c 5 c 2 5 之间变化。它主要有以下几个优点：第一，施工工艺与普通振动沉管灌注 桩一样，工艺简单，与振冲碎石桩相比，无场地污染，振动影响也较小；第二， 所用材料仅需少量水泥，便于就地取材，基础工程不会与上部结构争“三材”， 这也是比水泥搅拌桩优越之处；第三，受力特性与水泥搅拌桩类似。 水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) 法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固 结的素填土等地基。对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。 水泥粉煤灰碎石桩应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。水泥粉煤灰 碎石桩按成孔工艺具体可分为非排土成孔桩和排土成孔桩。其中，非排土成孔 桩又分为沉管非排土桩和夯扩非排土桩；排土成孔桩分为人工洛阳铲排土桩、 机械洛阳铲排土桩和长螺旋钻孔排土桩。按成桩工艺水泥粉煤灰碎石桩可分为 水泥粉煤灰碎石桩、长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩、振动沉管灌注成 桩。 水泥粉煤灰碎石桩的施工，应根据现场条件选用下列施工工艺： ( 1 ) 水泥粉煤灰碎石桩，适用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等 密实以上的砂土： ( 2 ) 长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，适用于粘性土、粉土、砂土，以 及对噪声或泥浆污染要求严格的场地； ( 3 ) 振动沉管灌注成桩，适用于粉土、粘性土及素填土地基。 长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩施工和振动沉管灌注成桩施工除应 执行国家现行有关规定外，尚应符合下列要求： 6 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验，施工时按配合比配制混合 料。长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工的坍落度宣为1 6 0 2 0 0 m m ，振动沉 管灌注成桩施工的坍落度宜为3 0 5 0 m m ，振动沉管灌注成桩后桩顶浮浆厚度不 宜超过2 0 0 m m ； ( 2 ) 长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工在钻至设计深度后，应准确掌握提 拔钻杆时间，混合料泵送量应与拔管速度相配合，遇到饱和砂土或饱和粉土层， 不得停泵待料：沉管灌注成桩施工拔管速度应按匀速控制，拔管速度应控制在 1 - 2 1 5 m m i n 左右，如遇淤泥或淤泥质土，拔管速度应适当放慢； ( 3 ) 施工桩顶标高宜高出设计桩顶标高不少于0 5 m ； ( 4 ) 成桩过程中，抽样做混合料试块，每台机械一天应做一组( 3 块) 试块( 边长 为1 5 0 m m 的立方体) ，标准养护，测定其立方体抗压强度。 2 2 水泥粉煤灰碎石桩的作用机理 c f g 桩加固软弱地基，桩和桩间土一起通过褥垫层形成c f g 桩复合地基。 如图2 1 所示。此处的褥垫层不是基础施工时通常做的1 0 c m 厚的素混凝土垫层， 而是由粒状材料组成的散体垫层。由于c f g 桩系高粘结强度桩，褥垫层是桩和 桩间土形成复合地基的必要条件，亦即褥垫层是c f g 桩复合地基不可缺少的 部分1 2 4 。 基础 土屡 褥捧 f i g 2 1 c o n v e n t i o n a ld f a g r a mo f c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 图2 1c f 6 桩复合地基示意图 西华大学硕士学位论文 4 0 3 0 丑 茬2 0 l o 0 垫屡厚度4 总七m f i g 2 2 口，t r j a n dr e l a t i o nc u i v e o f m a t t r e s s t h i c k n e s s 图2 2 t y 。t t ，与褥垫厚度关系曲线 其加固软弱地基主要有三种作用：( 1 ) 桩体作用；( 2 ) 挤密作用；( 3 ) 褥垫层 作用。 ( 1 ) 桩体作用 水泥粉煤灰碎石桩是具有一定粘结强度的混合料，其材料本身的强度与软 土地层不同，在荷载作用下，水泥粉煤灰碎石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，随地层的变化逐渐集中到桩体上，出现了应 力集中现象。大部分荷载将由桩体承受，桩间土应力相应减少，于是复合地基 承载力较原来地基承载力有所提高，沉降量减少，随着桩体刚度增加，桩体作 用发挥更加明显，复合地基的c f 6 桩起到了桩体作用。 ( 2 ) 挤密与置换作用 当c f g 桩用于挤密效果好的土时，由于c f g 桩采用振动沉管法施工，其振 动和挤压作用使桩间土得到挤密，复合地基承载力的提高既有挤密又有置换； 当c f g 桩用于不可挤密的土时，其承载力的提高只是置换作用。 ( 3 ) 褥垫层作用 由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫，复合地基中起到了很关 键的作用。它在复合地基中有如下几种作用： 保证桩、土共同承担荷载。 褥垫层的设置为c f g 桩复合地基在受荷后提供了桩上、下刺入的条件，即 8 西华大学硕士学位论文 使桩端落在好土层上，至少可以提供上刺入条件，以保证桩间土始终参与工作。 减少基础底面的应力集中。 在基础底面处桩顶应力一。与桩间土应力口，之比随褥垫层厚度的变化如图 2 2 所示。当褥垫层厚度大于1 0 c m 时，桩对基础产生的应力集中已显著降低。 当褥垫层的厚度为3 0 c m 时，o r 。口，只有1 2 3 。 褥垫厚度可以调整桩土荷载分担比。 荷载_ 二定时，褥垫越厚，土承担的荷载越多。荷载水平越高，桩承担的荷 载占总荷载的百分比越大。 褥垫层厚度可以调整桩、土水平荷载分担比。 图2 3 表示基础承受水平荷载时，不同褥垫厚度、桩顶水平位移u 。和水平 荷载q 的关系曲线，褥垫厚度越大，桩顶水平位移越小，即桩顶受的水平荷载 越小 e 肄 趟 葺_ * 墨 崩 f i g 2 3 r e l a t i o ng u r v oo f d i f f e r e n tt h i c k n e s sq 图2 3 不同垫层厚度时口u p 曲线 1 ) 垫层厚2 c r a2 ) 垫层厚1 0 c m 3 ) 垫层厚2 0 c m4 ) 垫层厚3 0 c m 2 3 水泥粉煤灰碎石桩的设计思路 在设计水泥粉煤灰碎石桩复合地基时，应该具备以下设计资料：拟建工程场 地的主要受力层范围内各层土的物理力学性质指标，建筑物( 包括构筑物) 的总 9 西华大学硕士学位论文 平面图、基础平面图，对地基承载力特征值和变形的技术要求。 当水泥粉煤灰碎石桩桩体强度用得较高时，具有刚性桩的性状，有的设计 人员常将之与桩基相联系，并经常问及水泥粉煤灰碎石桩不放钢筋、在水平荷 载作用下如何工作等一些问题；为此，讨论一下水泥粉煤灰碎石桩复合地基与 桩基的区别显然是必要的【2 4 】。 桩基是大家熟悉的一种基础型式，桩在桩基中即可承受垂直荷载，也可承 受水平荷载。众所周知，桩是一种细长杆件，它传递水平荷载的能力远小于垂 直荷载的能力，设计时采用桩基让桩承受垂直荷载是扬其长，承受水平荷载是 用其短。 水泥粉煤灰碎石桩复合地基通过褥垫层把桩和承台( 基础) 断开，改变了 过分依赖于桩承担垂直荷载和水平荷载的传统思想。 如独立基础，当基础承受水平荷载p 时，有三部分力与p 平衡。其一为基 础底面摩阻力只；其二为基础两侧面的摩阻力f ，其三为与水平荷载p 方向相 反的土的抗力见 只和基底与褥垫层之间的摩擦系数以建筑物重量w 有关，w 数值越大， 只越大。基底摩阻尼传递到和桩间土上，桩顶剪应力为f 。、桩问土剪应力为巧。 由于水泥粉煤灰碎石桩复合地基置换率一般不大于1 0 ，则有不低于9 0 的基 底面积的桩间土，承担了绝大部分的水平荷载，而桩承担的水平荷载则占很小 一部分。前已所述，桩土剪应力比随褥垫层厚度的增大而减少。设计时可通过 改变褥垫层厚度调整桩土水平荷载分担比。 按这一设计思路，复合地基水平承载力比按传统桩基设计有相当大的增值。 至于垂直荷载的传递，如何在桩基中发挥桩间土的承载能力，是许多学者 都在探索的课题。大桩距布桩的“疏桩理论”，就是为调动桩间土的承载能力而 形成的新的设计思路。桩基中只提供了桩可能向下刺入变形的条件。当承台承 受垂直荷载时，对摩擦桩，桩端向下刺入，承台发生沉降变形越大，桩间土的 作用越明显；桩距越大，桩间土发挥的作用也越大。对端承桩，承台沉降变形 一般很小，桩间土承载能力很难发挥。需要指出的是，即使是摩擦桩，桩间土 承载能力的发挥占总承载能力的百分比也很小，且较难定量预估。 水泥粉煤灰碎石桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土 层还是坚硬层，均可保证桩间土始终参与工作。因此垂直承载力设计首先是将 l o 西华大学硕士学位论文 土的承载能力充分利用，不足的部分由水泥粉煤灰碎石桩来承担。由于水泥粉 煤灰碎石桩复合地基置换率不高，基础下桩间土承受的荷载是一个不小的数值。 总的荷载扣除桩间土承担的荷载，才是水泥粉煤灰碎石桩应承担的荷载。显然， 与传统的桩基设计思路相比，桩的数量可以大大减少，在加上水泥粉煤灰碎石 桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤作为掺加料或低标号素混凝土桩，大大降低 了工程造价。 根据建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 1 ) ，将地基基础设计等级分 为一级、二级、和三级，对地基基础设计等级一级、二级、和三级建筑物，均 应按地基变形进行设计，建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - - - 2 0 0 2 ) ，对于水泥 粉煤灰碎石桩复合地基也明确提出必须进行变形验算，可见变形是水泥粉煤灰 碎石桩复合地基设计的控制因素。变形特征可分为建筑物的沉降量、沉降差和 倾斜等，设计人员应根据规范要求，综合考虑建筑物的重要性、结构型式和周 围环境等因素，提出合理的变形控制量。变形要求过于严格会增加基础处理费 用，而变形要求过度放宽则有可能对建筑物或周围建筑物产生不良影响。 2 4c f g 桩复合地基设计 2 4 1 设计需要具备的资料 在设计水泥粉煤灰碎石桩复合地基时，应该具备以下设计资料： 工程地质勘察报告。建筑物( 包括构筑物) 的总平面图；基础平面图和 剖面图；0 0 0 0 对应的标高；电梯井、集水坑底面标高；基础外轮廓线；墙、 柱、梁的位置；如果有裙房，应表明主楼和裙房的相应关系以及的基础型式和 几何尺寸。建筑物基础底面的荷载：相应于荷载效应标准组合时基础底面处 的平均压力和基础底面边缘处的最大压力( 用于地基承载力的验算) ；相应于荷 载效应准永久组合时基础底面处的平均压力( 用于地基变形的验算) 。满足设 计要求的复合地基承载力的特征值和变形值“”。 西华大学硕士学位论文 2 4 2 设计计算 ( 1 ) 桩径c f g 桩常采用振动沉管法施工，其桩径根据桩管大小而定，桩径宜取 3 5 0 6 0 0 m m ，一般工程多为4 0 0 r a m 左右。 ( 2 ) 单桩竖向承载力特征值心的取值，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 a = l i p g “ + q p 如 ( 2 1 ) 百 式中- u p 一桩的周长( m ) 5 爿。_ 桩断面面积； 胛一桩长范围内所划分的土层数： 口酊一桩周第i 层土的侧阻力( k p a ) ，可按文献嘲有关规定确定； 留，一桩端端阻力特征值( k p a ) ，可按文献。1 有关规定确定； 一第i 层土的厚度( m ) 。 面积置换率脚的确定 聊：学 ( 2 2 ) 半一矶 式中m 一面积置换率； ，0 一复合地基承载力特征值( k p a ) ； r 。一单桩竖向承载力特征值( k n ) ； 一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 o 7 5 0 9 5 ，天然地基承载力较高时取大值； f , k 一处理后桩间土承载力特征值( k p 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。 确定桩间距s 、焉、如 等边三角形布桩：s = 以1 0 5 ；正方形布桩：s = d , 1 1 3 ；矩形布桩： 岛= 伍1 1 3 y 。其中j 、黾、屯分别为桩间距、纵向间距和横向间距。其中 1 2 西华大学硕士学位论文 ：、7 尘，式中d 一桩身平均直径( 五) ：根桩分担的处理地基面积的等效圆 yr r l 直径。 桩位平面布置图 c f 6 桩可只布在基础范围内，且对于独立基础、筏板基础、箱型基础，基 础边缘到桩的中心距一般为桩径或基础边缘到桩边缘的最小距离不小于1 5 0 r a m ， 对于条形基础不小于7 5 r a m 在实际布桩时受基础尺寸大小及性状等的影响，布 桩数量会有一定的增减。 c f g 桩的桩长 c f g 桩复合地基的桩端应落在较好的土层上，这是c f g 桩复合地基设计的 一个重要的原则。设计时应根据地勘报告，分析各土层，确定桩端持力层和桩 长。 c f g 桩桩身强度 由r o 和桩断面面积_ ，可计算桩顶应力为盯= 尼4 ，根据桩体强度和承 载力的关系，桩体强度一般取3 倍桩顶应力即可。建筑地基基础处理技术规范 规定桩体试块抗压强度平均值应满足厶3 也彳。，式中_ ，j 一桩体混合料试 块( 边长1 5 0 m m 立方体标准养护2 8 d 立方体抗压强度平均值( k p a ) 。 褥垫层的设计 褥垫层厚度一般取1 5 0 3 0 0 m m 为宜，当桩径大或桩距大时褥垫层厚度宜取 高值。褥垫层材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石等，最大粒径不宜大于3 0 r a m 。 c f 6 桩的沉降计算 地基处理后的变形计算应按文献有关规定执行。复合土层的分层与天然地 基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的f 倍，f 值可按 下式确定：善= 厶厶，式中厶t 一基础底面下天然地基承载力特征值( k p a ) a 变形计算经验系数虬根据当地沉降观测资料及经验确定，也可采用表2 1 数值。 表2 1变形计算经验系数虬 丘 2 5 4 o7 o1 5 0 2 0 o ( m p a ) 帆 1 11 0 o 7o 40 2 西华大学硕士学位论文 注：己为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，应按下式计算： 巨。上三 ( 2 3 ) 寺 式中4 一第j 层土附加应力系数沿土层厚度的积分值； 岛一基础底面下第j 层土的压缩模量值( l l p a ) ，桩长范围内的复合土 层按复合土层的压缩模量取值。 地基变形计算深度应大于复合土层的厚度，并符合建筑地基基础设计规 范( g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 中地基变形计算深度的有关规定。 2 5c f g 桩的施工工艺 水泥粉煤灰碎石桩的施工，应根据现场条件选用下列施工工艺： 长螺旋钻孔灌注成桩，适用于地下水位以上的粘性土，粉土、素填土、中等 密实以上的砂土； 长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，适用于粘性土、粉土、砂土，以及 对噪声或泥浆污染要求严格的场地； 振动沉管灌注成桩，适用于粉土、粘性土及素填土地基。目前在四川地区多 采用的是半人工半机械式的取土成孔夯实成桩施工工艺。其施工工艺过程为： 施工准备一测量放线钻孔就位一取土成孔至设计深度一投入人头石( 漂石) 一 夯实孔底。灌注混凝土成桩一机械挖土一截桩检底一铺设褥垫层一自检一检测 一竣工验收p 】。 2 6 水泥粉煤灰碎石桩复合地基的沉降计算 目前，复合地基在荷载作用下应力场和位移场的实测资料还不多。就测试 手段而言，。测定复合地基位移场要比测定应力场容易些。有的学者试图以测定 的位移场为基础，在通过测定桩间土应力、桩顶应力和桩的轴力沿桩长的变化， 1 4 西华大学硕士学位论文 利用土的本构关系研究成果，用有限元计算应力场，将其计算结果与测定的有 限的桩间土应力和桩顶应力进行比较，对计算结果不断进行修正，以其得到符 合实际的复合地基应力场，为建立合理的复合地基沉降计算模式提供依据。沉 降计算的理论和实践正处在不断发展中，相比之下，复合地基沉降计算远不如 承载力计算研究的更深入更成熟，尽管按变形控制进行复合地基设计更合理， 但由于沉降计算理论尚不成熟，在实际工程中用的还比较少“”。 目前比较统一的一个认识是把总沉降量分为加固区的沉降q 和下卧层的屯 沉降，分别计算再求和即：在各类复合地基沉降实用计算方法中，通常把沉降 量分为二部分，h 为复合地基加固区厚度，：为荷载作用下地基压缩层厚度。加 固区土体压缩量为s 。，加固区下卧层土体压缩量为s 2 ，则复合地基总沉降s 表 达式为： s=占1+s2( 2 4 ) 2 6 1 分尾总和法 计算最可以把加固区的桩间土作为计算对象，也可把桩作为计算对象。当 以桩作为计算对象时，要求桩顶和桩端不产生上、下刺入变形，即桩的压缩变 形和加固区土的压缩变形相等。c f g 桩总的沉降量小，l b 越大，桩数越小，下 卧层压缩量占总沉降量的百分比越少，起控制作用的是加固区的品。对单、双 排布桩的条形基础和桩数较少的独立基础，用荷载丸( 岛= p - 归) ，p 为基 底压力，d 为基底处原有的自重压力，d 为基础的埋置深度) 桩间土产生的附 加应力作为荷载计算加固区的压缩变形s 。，用荷载岛在下卧层产生的附加 应力计算下卧层压缩量j ，计算值与实测值不会产生大的误差，置换率越低， 桩数越少，两者的差异就越小。当荷载见不超过复合地基承载力时，可按下式 计算复合地基的沉降 ：嘲忙虬瞎等如+ 茎等叫 亿5 ， 式中圮一加固区土的分层数， 限一下卧层土的分层数； 西华大学硕士学位论文 屯桩间土应力a 二在加固区第f 层土产生的平均附加应力( k p a ) ： 凸荷载见在下卧层第，层土产生的平均应力( k p a ) ； e ，在加固区第f 层土的压缩模量( k p a ) ，即复合土层的压缩模量， 复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该天然地基压缩模 量的f 倍，f 值可按下式计算： ， f = 孚( 2 6 ) jt ，。一基础底面下天然地基承载力特征值( k p a ) ，工程中应由现场试 验测定的，埘和天然地基承载力确定f 值，若无试验资料时，初步设计可由地 勘报告提供的地基承载力特征值f o k ，以及计算得到的满足设计要求的复合地 基承载力特征值，班按f = 吾进行计算f ； 占。一下卧层第，层土的压缩模量( k p a ) ： 1 l ， ，一分别为加固区和下卧层第f 层和第，层土的分层厚度( m ) ； ，。沉降计算经验系数，根据当地沉降资料及经验确定，也可采用表 2 2 数值。 表2 2 变形计算经验系数虬 己( m p a ) 2 54 o7 0 1 5 o2 0 o i虬 1 11 0 o 7o 40 2 注：豆为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，应按下式计算： 暑= 链 ( 2 7 ) 厶e _ 式中4 一第j 层土附加应力系数沿土层厚度的积分值； 忍，一基础底面下第i 层土的压缩模量值( m p a ) ，桩长范围内的复合土层 按复合土层的压缩模量取值。 1 6 西华大学硕士学位论文 2 6 2 复合模量法 假定加固区的复合土体为与天然地基分层相同的若干层均质地基，不同的 是压缩模量都应扩大 s ) 和失效区( 且 s ) 。当功能函数中的 基本函数r 、s 满足极限状态方程时，就称结构达到极限状态，即点( s 、r ) 位 于极限状态直线上。由于此时结构处于临界状态，所以设计中取极限状态作为 结构的失效标准。 当r 、s 相互独立，且均服从正态分布时，则由数学知识可知，z = r 一3 西华大学硕士学位论文 也服从正态分布，均值、标准差为： “2 = l r l l s 。d 2 = 0 j 丽 z 的概率密度函数为： ( 3 4 ) 坤，= 去唧h 警) 2 一 z 如 ( 3 5 ) 其分布函数为 凡p ，= 赤- l 唧h 警) 2 面 ( 3 6 ) 经变换j = ( f 一雎) 吒，可将分布函数化成标准正态分布函数 删= 击。一r 唧 一等卜= 吐警 ， 于是结构的失效概率p ，为 弓= p z o 结构处于可靠状态，z = o 结构达到极限状态，z o 结构处于可靠状态z ：g ( x ) = o 结构达到极限状态， z ：g ( x ) 0 结构处于失效状态。z ：g ( x ) 是结构可靠性分析的重要依据，而失 效概率p ，即功能函数g ( x ) 在z 0 的概率。但是功能函数中有很多个基本随机 变