（固体力学专业论文）CFG桩复合地基工作性状研究及其工程应用.pdf

摘要 复合地基的理论与应用是目前土木工程中比较活跃的研究领域。近十多年 来，复合地基技术得到了较大的发展。由于复合地基中设置的增强体不同，因此， 各类复合地基的承载机理也不完全相同。c f g 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。c f g 桩复合地基因其具有桩土共同承担荷载，用材 经济，工艺简单，加固效果良好等优点，在我国迅速推广，并取得了良好的社会 效益和经济效益。但复合地基理论远远落后于工程实践的发展，本文结合工程实 际对c f g 桩复合地基工作性状进行了研究，主要工作如下： 首先，回顾了c f g 桩复合地基的发展及其研究现状，并对c f g 桩的荷载传 递机理、加固机理进行了分析，并对褥垫层的作用机理做了详细的分析。 其次，鉴于c f g 桩很强的粘结作用，在计算承载力的时候把他作为柔性桩 来考虑。先提出柔性桩侧摩擦力分布的思路，然后推出合理计算承载力的方法， 同时结合工程实践经验，提出c f g 桩复合地基承载力的计算公式。分析了c f g 桩复合地基沉降计算的现状并比较了各种沉降计算方法及其适用性。 再次，用f l a c 3 d 有限差分程序建立单桩复合地基数值分析模型，分别研 究了桩间土模量、桩端土模量、垫层厚度、桩长、置换率及桩体弹性模量对c f g 桩复合地基沉降、桩端沉降、垫层压缩量及桩土应力比的影响，并以武广客运专 线路基段工程为例，通过现场静荷载试验结果及f l a c 3 d 的数值模拟分析，根 据分析结果，得出c f g 桩复合地基的理论公式计算沉降和数值模拟分析结果相 符。表明本文提出的理论及经验公式，是符合工程实际情况的。 关键词：复合地基，c f g 桩，承载力，沉降，f l a c 3 d a b s t r a c t t h et h e o r i e sa n dt h ea p p l i c a t i o n so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r eq u i t ea c t i v ei nt h e p a s td e c a d e t h et e c h n o l o g yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a v eb e e no b t a i n e db i g g e r d e v e l o p m e n t b e c a u s et h ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e d i nc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r e d i f f e r e n t ，t h el o a db e a r i n gm e c h a n i s mo f e a c hk i n do fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sn o ta l l t h es a i l e c f gp i l ei st h ea b b r e v i a t i o no fc e m e n tf l y - a s hg r a v e lp i l e ，ak i n do fh i g h b o n ds t r e n g t hp i l em a d eo fc e m e n t ，f l ya s h , r e d u c e ds t o n e ，r o c kc h i p sa n ds a n d ， m i x e dw i t hw a t e r i tc a nb eu s e dt of o r mc o m p o s i t ef o u n d a t i o nt o g e t h e rw i t h i n t e r - p i l es o i la n dc u s h i o nc o u r s e w i t ht h em e r i t ss u c ha se c o n o m y , s i m p l et e c h n i c s a n dg o o dr e i n f o r c i n ge f f e c t ，c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no b t a i n st h er a p i d p r o m o t i o ni no u rc o u n t r y , a n dh a sg a i n e dt h eg o o ds o c i a la n de c o n o m i ce f f i c i e n c y b u tt h et h e o r e t i c a ls t u d yw a sf a rb e h i n dt h ep r a c t i c e t h em a i nt a s ko ft h i s d i s s e r t a t i o nh a sb e e ng a i n e da r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ed e v e l o p i n ga n dr e s e a r c h i n gs i t u a t i o no fc f gp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o ni sr e v i e w e di nt h i sp a p e r , a n da n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fl o a d t r a n s f e r r i n ga n dr e i n f o r c eo fc f gp i l e ，a n da l s oa n a l y z i n gt h ea c t i o nm e c h a n i s mo f t h ec u s h i o nd e t a i l e d l y n e x t , w h e r e a st h es t o n gf e l tm e c h a n i s m ，w er e g a r d e da sf l e x i b l ep i l e ，t h e u l t i m a t ec a p a c i t yo fc f gp i l ei sc a l c u l a t e d w ec o n s i d e r e do fl a t e r a lf r i c t i o n r e s i s i t a n c ed i s t r i b u t i n g ，t h e nar e a s o n a b l em e t h o do fc a l c u l a t i n gu l t i m a t ec a p a c i t y h a sb e e no b t a i n e d l i n k i n gt h ep r a c t i c e ，w ec a l ld r i v et ot h ef o r m u l ao fc f gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to fs e t t l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d so f c f g c o m p o s i t ei ss u m m a r i z e da n dc o m p a r e di nt h ep a p e r n e x t ，s i n g l ep i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nn u m e r i c a la n a l y s i sm o d e li se s t a b l i s h e d b yu t i l i z i n gg e n e r a lf l a c 3 dm i t ed i f f e r e n t i a lp r o g r a m ，t h es o i la r o u n dp i l e sm o d u l e ， s o i lu n d e rt h e p i l em o d u l e ，c u s h i o nt h i c k n e s s ，c u s h i o nm o d u l e ，p i l el e n g t h , r e p l a c e m e n tr a t i oa n dp i l eb o d ye l a s t i c m o d u l oa r ei n f l u e n t i a lt os e t t l e m e n t ，s o i l u n d e rt h ep i l es e t t l e m e n t , c o m p r e s s i o no fc u s h i o na n dp i l e - s o i ls t r e s sr a t i oo ft h e c f gf o u n d a t i o n ，t h e s ei n f l u e n c e sh a v eb e e ns e p a r a t e l yc a r r i e do nt h er e s e a r c h t a k e t h en e wp a s s e n g e rr a i l w a yf r o mw u h a nt og u a n g z h o ua sae x a m p l e t h r o u g ht h e m e d i u mo fs c e n es t a t i cl o a dt e s to u t c o m e ，a n dc o m p a r i n gd i f f e r e n tk i n d so f c a l c u l a t i o np r o c e d u r e ，w et h o u g h tt h ed o n g b i c h a n gm e t h o d sh y p o t h e s e si sr e a s o n a l a n dt h ec o m p u t a t i o n a la c c u r a c yi sh i g h ，s oi tp o s s e s s e dp r e f e r a b l ea p p l i c a b i l i t y i i c o m b i n i n g f l a c 3 dt o p r o c e e d n u m e r i c a l a n a l y s i s ，w e c a l la r r i v et h a tt h e s e d i m e n t a t i o nm a t c h i n gb yt h ec f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n st h e o r e t i c a le q u a t i o n i sa c c o r d i n gw i t ht h ea n a l y s i so u t c o m eb yn u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o n i ts h o wt h a t t h et h e o r ya n de m p i r i c a lf o r m u l aa d v a n c e db yt h et e x tc o n f o r mw i t ht h ee n g i n e e r i n g p r a c t i c e 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 ，c e m e n tf l y a s hg r a v e lp i l e ，u l t i m a t e c a p a c i t y , s e t t l e m e n t ，f l a c 3 d 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：、爱堡主塾日期：盟年上月出 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名趋阻导师签名：衅白期：上班卫月互一日 硕士学位论文第一章绪 论 强度较高的桩( 如粉喷桩) 已较强地表现出桩的性状。柔性桩复合地基的承载力 由桩体和桩间土共同承担。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰土桩、石灰桩、 水泥土桩等。 刚性桩复合地基的桩体通常以水泥为主的胶结材料，有时由混凝土、或由 混凝土和其他掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩土共同作用，通常在桩顶 设置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合 地基具有更高的承载力和压缩模量，而且复合地基承载力也具有较大的调整幅 度。 复合地基工程实践发展很快，但复合地基设计和计算理论尚不成熟，已有 的一些简化模型和计算方法差异较大，很难统一。可见，复合地基理论远远落 后于工程实践的发展，因此应加强复合地基设计计算理论和方法的研究。复合 地基计算理论方面，既包括复合地基承载力和沉降计算的一般理论，又指各种 形式的复合地基承载力和沉降计算理论和方法。要发展各种形式的复合地基承 载力和沉降计算理论，需要加强对各种形式的复合地基荷载传递机理的研究， 进一步理解基础刚度、桩土相对刚度、复合地基置换率、复合地基加固区深度、 荷载水平等对复合地基应力场和位移场的影响，提高各类复合地基应力场和位 移场的计算精度。基于以上原因，对c f g 桩复合地基的工作性状做进一步的研 究，不仅有现实的实际意义，同时在理论上也很有价值。 1 2c f g 桩复合地基产生与发展 1 2 1c f g 桩复合地基概述 c f g 桩 全称水泥粉煤灰碎石桩( c e m e n e tf l y - a s hg r a v e lp i l e ) ，是由 碎石、石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和，用各种成桩机械在地基中制 成的强度为c 5 c 3 0 的桩。 c f g 桩复合地基口1 是由c f g 桩、桩间土和褥垫层一起构成的刚性桩复合地基。 c f g 桩复合地基试验研究是建设部“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，1 9 9 2 年通过部级鉴定，1 9 9 4 年被建设部列为全 国重点推广项目，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建 筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - - 2 0 0 2 ) 口1 。 为进一步推广这项技术，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 月通过国家验收。该技术已在 全国2 3 个省、市广泛应用，已经成为多层至3 0 层以下高层建筑地基处理的主 2 硕十学位论文 第一章绪 论 要技术之一。据不完全统计，该技术己在1 0 0 0 多个工程中应用。和桩基相比， 由于水泥粉煤灰碎石桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、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显 著。 1 2 2 研究现状 尽管c f g 桩复合地基近年来在我国大量推广应用，并取得了良好的社会效 益和经济效益。但c f g 桩复合地基理论尚不成熟，较实践远远落后。 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c f g ( c e m e n tf l y a s hg r a v e l ) 桩。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、桩间土和褥垫层 一起构成c f g 桩复合地基。阎明礼对c f g 桩的作用机理、设计方法进行了全而 的阐述聆3 。阎明礼、吴春林等对c f g 桩复合地基进行了系统的研究1 。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口1 。吴春林讨论了c f g 桩 复合地基承载力的简易计算方法阴1 。 董必昌阳1 等从c f g 桩复合地基沉降变形模式出发，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，并讨论了参数取值问题。 张小敏n 伽等利用可靠度理论对从国内收集到的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，计算不同载荷组合下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。 褥垫层计算是刚性桩复合地基设计的重要内容，阎明礼1 研究了c f g 桩复 合地基中褥垫层技术。马骥、张东刚n 2 3 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。何结兵n 3 1 等根据太沙基基本理论，详细地讨论了c f g 桩复合 地基褥垫层作用机理，并推导出c f g 桩复合地基最佳桩间距、合理褥垫层厚度、 桩土应力比、实际置换率的解析表达式。杨丽君n 钔等探讨了褥垫层在c f g 桩复 合地基中的主要作用，并进一步分析了垫层厚度和垫层材料对复合地基作用机 理的影响。 在对c f g 桩复合地基试验研究的开展方面，阎明礼n 钉等根据室内模型及现 场原位试验，对c f g 桩复合地基褥垫层的作用，垂直荷载作用下桩、土荷载的 分担，复合地基变形性状进行了探讨。阐述了c f g 桩复合地基设计思想，并给 出了相应的设计计算方法。化建新n 6 1 等利用载荷试验研究了c f g 桩桩顶的中粗 硕士学位论文第一章绪论 砂、砾砂、碎石褥垫层的桩土应力比，对褥垫层性质及厚度进行了讨论。并建 议c f g 桩的桩顶褥垫层采用l o 2 0 c m 厚的碎石层为宜。张尚东n 刀等结合实际地 基处理工程，通过现场试验，对c f g 桩复合地基的加固机理和在荷载作用下桩、 土的受力特性进行了研究分析，在此基础上提出了c f g 桩复合地基承载力计算 公式，经工程实测验证，计算值与实测值比较接近。韩云山u 副等进行了两组 载荷板下不同厚度和材料垫层条件下的c f g 桩复合地基垂直静载荷试验，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 桩复合地基的承载力性状有很大 影响，两者之间有个匹配问题。提出在c f g 桩静载荷试时，可以采用厚度为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o 7 5 1 0 。 随着土工计算机技术的发展，采用数值方法分析复合地基的作用机理的研 究工作也不少。谢定义采用有限元一无界元三维非线性分析程序对桩式复合地基 进行了分析，可用于各类桩式复合地基。杨涛建议采用复合本构有限元计算复 合地基沉降。张忠坤采用有限元法对柔性单桩竖向加载、大面积荷载作用下复 合地基及路堤荷载作用下复合地基进行了分析，探讨了临界桩长问题，得出了 临界桩长不仅与桩土模量比有关，而且也与荷载分布有关的结论。李宁n 钔采用 数值试验模型，对不同种类的复合地基进行了全面系统的数值仿真，探讨了单 桩复合地基相互作用的机理、荷载传递的性状及附加应力的分布规律。邢仲星 采用平面三维三角形单元和邓肯一张模型对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基 进行了有限元分析。温晓贵对复合地基进行了三维线性的数值分析。 y a m a m o t o ( 1 9 9 7 ) 和j u n g ( 1 9 9 8 ) 也采用有限元对复合地基进行了数值分析。 此外，随着基于数据的机器学习技术的发展，人工智能在工程领域的到了 越来越广泛的应用，在复合地基研究领域也有着日益增多的应用。 刘勇健啪1 等提出了基于人工神经网络( a n n ) 的水泥加固土力学性能指标计 算的新方法，并在此基础上预估水泥土搅拌桩体和复合地基的承载力。利用实 测资料直接建模，避免了传统方法计算过程中各种人为因素的干扰，所建立的 模型预测精度高、简便易行，因而具有广泛的工程实用价值。 郝小员口妇等对人工神经网络及b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 网络模型作了简要介 绍，并对水泥喷粉桩复合地基承载力及其影响因素的非线性关系进行了分析。 提出利用地域己有水泥喷粉桩复合地基承载力及影响因素的资料建立人工神经 网络模型进行承载力的设计计算。通过实例验证，该模型可达到较理想的效果， 可以实现水泥喷粉桩复合地基承载力的合理设计计算，为今后该类复合地基承 4 硕士学位论文第一章绪 论 载力的设计提供了可借鉴的方法。 朱定华瞳2 3 等将复合地基静载荷试验确定承载力问题作为一个灰色系统，根 据灰色系统理论的g m ( 1 ，1 ) 及新陈代谢g m ( 1 ，1 ) 预测模型，提出了一种利用实测 的前几级静载荷一沉降曲线预测其未来变化的方法，为信息化静载荷试验提供 了一个计算工具，该方法的准确性是令人满意的。 正在修建的武广客运专线，许多路段采用c f g 桩的复合地基，c f g 桩的工 作性状如何直接影响路基的质量，今后行车的安全和人的舒适度，因此在应用 过程中，更有必要对c f g 桩复合地基工作性状进行研究。 1 3 本文的研究方向和主要工作 通过对c f g 桩复合地基进行理论分析、数值模拟、和现场试验对路基荷载 作用下c f g 桩复合地基的性状进行了系统的研究；本文利用显式有限差分程序 f l a c 3 d 对单桩复合地基进行了三维弹塑性分析。计算分析了桩间土模量、桩端 土模量、桩长、置换率等参数的变化对复合地基桩土应力比的影响，得出c f g 桩复合地基应力场和位移场的变化规律。 主要开展的工作如下： 1 ) 对荷载传递机理、加固机理进行了分析，并对褥垫层的加固机理进行 了详细的分析。 2 ) 分析了c f g 桩复合地基承载力机理，建立单桩桩侧摩阻力分布计算的 理论计算方法，为c f g 桩单桩承载力的理论计算提供了一种新思路。 3 ) 分析c f g 桩复合地基沉降计算的现状，比较各种沉降计算方法，提出 各自的适用性。并进一步提出工程实际中应用比较合适的计算方法。 4 ) 通过工程实例和数值分析，加深对c f g 桩复合地基的认识，更好的理 解其工作性状，使其对复合地基理论研究和工程设计有一定的参考价值。 硕士学位论文第二章c f g 桩复合地基理论基础 第二章c f g 桩复合地基理论基础 2 1 荷载传递机理 c f g 桩复合地基既不属于传统的刚性桩复合地基，也不属于柔性桩复合地 基，它间于刚性桩复合地基和柔性桩复合地基之间，鉴于其有很强的粘结作用， 因此我们把它作为柔性桩来考虑。柔性桩和刚性桩桩体为粘结材料，在荷载作 用下依靠桩周摩擦力和桩端阻力把作用在桩体上的荷载传递给地基土体。但由 于桩体刚度不同，柔性桩和刚性桩的荷载传递也有很大不同。研究表明桩体刚 度的大小对粘结材料桩的荷载传递规律有较大的影响。柔性桩复合地基存在有 效( 临界) 桩长，这是柔性桩的桩身强度决定的，当柔性桩桩长超过其临界桩长 后，桩体的承载力增加很小，几乎不增加，其桩体侧摩擦力随着深度的增大而 减少，变化比较大。随着桩的刚度增大，桩侧摩擦力沿深度变化梯度减少，这 是桩体强度影响承载力的主要原因。 对于c f g 桩来说，其承载力主要来自全桩长的侧摩擦力及桩端承载力，桩 越长则承载力越高。加荷时，由于桩、土变形模量悬殊较大，导致土的沉降量 要大于桩的沉降量，使得桩身出现等沉面。等沉面以上的桩间土将相对桩体向 下移动，从而对桩产生负摩阻力，而在等沉面以下，桩体相对于桩间土向下移 动，故桩间土对桩体产生正摩阻力。带有垫层的低强度混凝土桩复合地基中桩 侧负摩阻力的大小随荷载加大而变小，同时中性点位置逐渐上移，相当一部分 上部土层的摩阻力随着荷载的加大由负摩阻力逐渐变为正摩阻力，使桩下部的 摩阻力得到充分发挥。同时，也使桩周土体的承载力得到了增强。通过垫层土 的补偿作用，充分发挥复合土体的强度乜引。 2 2o f 6 桩复合地基的加固机理 2 2 1 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 h l ：0 3 m h ：0 ) 、硅酸钙水化物( x c a o y s i o 。n h ：0 ) 及钙铝黄长石水化物( 2 c a o y a l ：0 。s i o ：6h 。0 ) 等不溶于水的稳定的结晶化 合物。这些物质以纤维状结晶，并不断生长延伸充填到碎石屑的孔隙中，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缠绕粘 结在一起，使桩体的抗剪强度和变形模量均大大提高乜劓。 理论分析表明：柔性桩的临界桩土或者说桩侧摩阻力发挥的有效桩长与桩 6 硕士学位论文 第二章c f g 桩复合地基理论基础 土的相对刚度有关，桩体相对于地基土的模量越大，相同桩径下的i 临界桩土或 能发挥桩侧摩阻力的有效桩长也越长，将桩体承受荷载沿桩身传递到地基土层 j 深度也越深，复合地基中较高应力的分布范围也较刚度较低桩体的复合地基 的更大并更均匀，同时由于桩身强度较低粘结度较高，端承效应也更为显著， 彦i 以c f g 桩的承载能力也较相应的低粘结强度桩或散体材料桩高，桩体的置换 作用更明显，复合地基承载力提高幅值更大。 大量工程实测证明业7 1 ： c f g 桩的桩土应力比n 大都介于2 0 - - 一5 0 ，远远高 于水泥掺量在5 , - - 3 0 之间的水泥搅拌桩的桩土应力比3 1 2 ，石灰桩的桩土应 力比2 5 - - 5 0 和碎石桩的桩土应力比1 2 7 4 4 4 。这显示出c f g 桩的桩体效 应大大优于石灰桩、水泥搅拌桩等柔性桩和碎石桩等散体材料。 2 2 2 排水和加筋作用 c f g 桩在加固区域内是否能够形成自然土层的排水通道，以及其在土层中 的垂直加筋作用大小，主要取决于桩体的材料性质。c f g 桩桩体材料的渗透性 与混合料中粉煤灰和水泥的用量有关，也与粉煤灰的性质有关。经室内试验测 试表明c f g 桩桩体的渗透系数一般在1 0 q - 1 0 1 m s 范围内，而置桩范围内自然 土层的渗透系数一般在1 0 q - - 1 0 。4 m s 之间，远较桩体渗透系数为小。因此，桩 体相对土体而言，实际上构成了固结排水通道，置桩加速了桩周土体的固结过 程，桩体的排水作用明显。例如，c f g 桩在饱和粉土和砂土中施工时，由于成 桩的振动作用，会使土体内产生超孔隙水压力，刚刚施工完的c f g 桩是一个良 好的排水通道，孔隙水将沿着桩体向上排出，直到c f g 桩体结硬为止。桩体强 度与桩间土强度相差较大，在自然土层中的柱状体实际上构成了土层的竖向加 筋，从而大大提高了复合地基承载力。 2 2 3 挤密作用 由于c f g 桩属于高粘结强度桩，其复合地基的挤密作用在一般软弱土层中 表现并不明显，远不如散体桩和柔性桩。但在挤密效果良好的土层中成桩，桩 间土的挤密效果也很好。因为基础荷载通过褥垫层作用于桩间土，使桩间土竖 向附加应力a ：增加，当o ：增加时，桩间土水平附加应力o 。也随之增加，从而达 到挤密效果。 吒2 戋吒 ( 2 - 1 ) 式中桩间土泊松比 o ，的增加对桩的承载力有两方面的影响： 7 硕士学位论文第二章c f g 桩复合地基理论基础 1 ) o ，是桩间土对桩侧的正压力，正压力的提高，使桩的侧摩阻力加大， 从而提高了桩的竖向承载力： 2 ) 在针对桩体材料的室内三轴试验中，o ，的作用相当于围压o ，加大围 压，可以提高桩体的抗压强度，增强c f g 桩桩顶部位抵抗受压破坏的能力。 在粉土、砂土和塑性指数较低的粘土地基中，当采用振动挤密等工法施：1 2 c f g 时，施工对土体的振动和挤压使得土体得到挤密，提高了桩间土的强度和桩侧摩 阻力，桩体的承载力得到加强，进而提高了复合地基的承载力，也可达到消除土 体液化的可能性。 2 3 褥垫层作用机理 2 3 1 褥垫层的作用 褥垫层技术是c f g 桩复合地基的一个核心技术，复合地基的许多特性都与褥 垫层有关。这里所说的褥垫层不是基础施工经常做的1 0 a m 厚的素混凝土垫层， 而是由级配砂石、粗砂、碎石等粒状材料组成的散体垫层。 2 3 1 1 保证桩、土共同承担荷载 对于c f g 桩复合地基，基础通过一定厚度的褥垫层与桩间土相联系，若基础 下不设置褥垫层，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 基础相似。在给定荷载作用下，桩承受较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一 定的沉降变形，荷载逐渐向土体转移。在给定荷载下，桩、土受力的时程曲线的 特点是：土承担的荷载随时间的增加逐渐增加；桩承担的荷载随时间的增加而逐 渐减少。 如果桩端落在坚硬土层或者岩石上，基础承受荷载后，桩顶沉降很小，绝大 部分荷载由桩承担，桩间土承载力很难发挥。 而如果在基础下设置一定厚度的褥垫层，情况则会大有改观：即使桩端落在 硬土层或岩石上，也能保证一部分荷载通过褥垫作用在桩间土上，借助褥垫的调 整作用，使给定荷载作用下桩、土受力时程曲线均为常值。 2 3 1 2 调整桩、土荷载分担比 复合地基桩、土荷载分担，可用桩、土应力比刀表示： 1 7 = 仃仃。 ( 2 - 2 ) 式中巳桩顶应力( k p a ) ；吒桩间土应力( k p a ) 。 也可以用桩、土荷载分担比6 ，、6 。表示。 t = p p p 6 s = p s p ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 硕士学位论文 第二章c f g 桩复合地基理论基础 式中p p _ 桩承担的荷载( k n ) ； p 。桩间土承担的荷载( k n ) ； p 总荷载( k n ) 。 当褥垫层厚度= o 时，桩、土应力比很大，如图2 1 ( a ) 所示。在软土 中，桩、土应力比1 1 可以超过1 0 0 ，桩分担的荷载相当大。 在a 很大时，如图2 1 ( b ) 所示。桩、土应力比接近于1 此时桩的荷载 分担比很小，并有6 。m 。 o p o p 土上五星土土上土 ( a ) 桩 ( b ) 图2 - 1 桩、土应力比随褥垫层的变化示意图 2 3 1 3 减小基础底面的应力集中 当褥垫层厚度艄= o 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。 当硝大到一定的程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。 桩顶对应的基础底面测得的反力，与桩间土对应的基础底面测得的反力 之比用1 3 表示( 1 3 = o r p o 。) ，1 3 值随褥垫层厚度a h 的变化如图2 - 2 所示。当褥 垫层厚度大于1 0 c m 时，桩对基础底面产生的应力集中已显著降低，当肼为 3 0 c m 时，1 3 已经很小。 9 硕士学位论文第二章c f g 桩复合地基理论基础 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 也 2 0 1 5 1 0 5 0 05l o1 52 02 53 03 5 h c m 图2 - 2d 值与褥垫层厚度关系曲线 2 3 1 4 调整桩、土水平荷载分担 c f g 桩主要传递垂直荷载，当基础承受水平荷载时，桩、土是如何参与工 作的，特别是c f g 桩不配筋，桩在水平荷载作用下会不会断裂，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。 当褥垫层厚度= 0 时，基础受垂直荷载p 和水平荷载q ( 见图2 3 ) 。桩在 垂直荷载p 作用下荷载分担比6 。很大，而土的荷载分担比6 。很小。 并有 q ( q ) ( b ) q 图2 - 3 桩、土剪应力示意图( ( a ) a - 为o ；( b ) 很大) 在无埋深条件下，荷载o 传到装上的水平力q ，传到土上的水平力为q 。， q = q 。+ q 。 1 0 ( 2 - 5 ) 硕士学位论文 第二章c f g 桩复合地基理论基础 q 。= up 。 ( 2 6 ) 式中 j p 。桩间土分担的荷载 u 基础和土之间的摩擦系数，| l 多在0 2 5 , - - , 0 4 5 之间变化。 由于a h = 0 时，p 。较小，则q 。也很小，此时水平荷载主要由桩来分担，q p 很大( 见图2 - 3 a ) 。 当褥垫层厚度增大到一定数值时，作用在桩顶和桩间土上的切应力- 【 和t 。相差不大，桩项受到的剪力色= n l r p ( m 为置换率：a 为基础面积；c 。为 桩顶切应力) 占水平荷载的比例大体与面积置换率m 相当( 见图2 - 3 ( b ) ) 且p 此时 桩受到的水平荷载很小，水平荷载主要由桩间土承担。 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，褥垫层厚度不小于l o c m ，桩体不会发 生水平折断，桩在复合地基中不会失去工作能力。所以垫层的最佳厚度应为1 0 0 r m 3 0 0 衄。 2 3 2 褥垫层的厚度对复合地基的影响 根据建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 要求桩顶和基础之间应设置褥 垫层，褥垫层厚度宜取1 5 0 - - 一，3 0 0 m m ，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、级配沙石或碎石等，最大粒径不宜大于3 0 衄。 由前面的讨论可知，褥垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中， 需考虑桩对基础的冲切，这势必导致基础加厚，如果基础承受水平荷载作用， 可能造成复合地基中桩发生断裂。 由于褥垫层厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要求的 承载力，必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。唯一带来的好处是 建筑物的沉降量小。 褥垫层厚度大，桩对基础产生的应力集中很小，可不考虑桩对基础的冲切 作用，基础受到水平荷载的作用不会发生桩的折断，且能够充分发挥桩间土的 承载能力。 若褥垫层厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近1 。此时桩承担的荷 载太少，实际上复合地基中桩的设置己失去意义。这样设计的复合地基承载力， 不会比天然地基有较大的提高，而且建筑物的变形也大。 综上所示，考虑到技术上可靠，经济上合理，褥垫层厚度取1 0 - - 一3 0 c m 为 宜。 为了检验褥垫层的作用，并确定合理的符合工程实际的褥垫层厚度，我们 在新建铁路武广客运专线乌龙泉至花都d k l 9 3 9 + 6 5 0 。d k l 9 3 9 + 7 5 0 6 段c f g 桩 硕士学位论文 第二章c f g 桩复合地基理论基础 复合地基试验中，对不同的点设置不同厚度的级配碎石褥垫层，在工程结束2 8 天后，对c f g 桩复合地基进行了不同褥垫层厚度的对比性静荷载试验，施加相 同级别荷载，绘出q s 曲线进行对比。 复合地基荷载试验q 1 曲线分别如下所示： q ( k n ) 0 0 5 ，、 昌1 i 1 5 2 o 0 1 o 名2 0 目 i 3 0 4 0 5 0 01 0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 0 6 0 0 j ， 1 k 。“、 7 一 7 1 。 ， l 一1 r 一 图2 - 5 未设置褥垫层q s 曲线 q ( k n ) 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 1 - 、 。、 、 7 人 图2 - 6 褥垫层厚度3 0 0 t m q - s 曲线 1 2 的 线曲t 枷 衄 微姗 层垫 褥 叫 姗 图 m 硕士学位论文第二章c f g 桩复合地基理论基础 o o 1 o 名2 0 日 m3 0 4 o 5 o q ( 1 ( n ) 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 。k 、 。 、 、 图2 7 褥垫层为1 0 0 衄q s 曲线 通过设置不同褥垫层厚度进行对比荷载试验，得出如下结论： 1 ) 不设置褥垫层时，桩体对荷载板有明显的应力集中。当施加荷载后，大 部分或全部由桩体承担，沉降量明显大于设置褥垫层，而且容易损坏桩头，当 沉降量达到一定程度时( 约5 m m ) ，沉降速率变缓，说明桩间土开始分担部分荷 载，现场试验后明显可以看出桩头有损坏的痕迹，而设置褥垫层试验q - - s 曲线 没有明显的拐点，其时程曲线近似为一常值。 2 ) 设置的褥垫层厚度不同，复合地基承载特性也不同，选择适宜的褥垫层 厚度能够更好发挥复合地基的承载力。 3 ) 根据实际工程经验，考虑到技术上可靠，经济上合理，褥垫层厚度取 1 0 0 咖3 0 0 咖为宜，褥垫层材料模量在2 0 m p a , - 一i o o m p a 之间为优，宜用中砂、 粗砂、级配沙石或碎石等，粒径不宜大于3 0 m m 。 2 4 本章小结 本章对c f g 桩的荷载传递机理、加固机理进行了分析，加固机理包括对桩 体的置换作用、排水和加筋作用、挤密作用分别进行了详细的介绍，并对褥垫 层的加固机理做了详细的分析。褥垫层技术是c f g 桩复合地基不可或缺的重要 技术。褥垫层的厚度对c f g 桩复合地基承载力发挥有较大影响，垫层不宜过薄， 也不宜过厚。要充分发挥桩间土的承载力，可增大垫层厚度，若要充分发挥桩 的承载力，可铺设一层较薄的垫层。 垫层材料不同，即褥垫层的刚度不同，褥垫层的作用也不完全相同，垫层 粒径大小( 即刚度大小) 具有调整桩土应力比的作用。若要充分发挥桩的承载力， 可铺设碎石垫层，若要充分发挥桩间土的承载力，可铺设中粗砂垫层。 硕士学位论文第三章c f g 桩单桩承载力的理论计算 3 1 引言 第三章c f g 桩单桩承载力的理论计算 c f g 桩单桩承载力的确定是复合地基设计及施工中一个非常重要的参数。 工程实践表明，复合地基的承载能力不仅与桩土本身的性质有关，而且与桩、 土分担荷载的比例有关。现场试验表明，对于c f g 桩复合地基，桩土应力的分 配存在以下规律：即随着荷载的增加，桩土应力比逐渐增加，当荷载达到比例 极限荷载时，桩土应力比应达到最大值，荷载继续增加时，桩土应力比逐渐减 小，当桩土开始屈服时，桩土应力比基本趋于稳定，并随时间增加，桩土应力 比不再增加。桩土应力比的大小还与桩土的相对刚度、桩间距、桩端土的持力 层以及桩顶承台的刚度有关。 从复合地基的破坏形式来看，可以分为以下几种情况：一种是在桩长超过 临界桩长的情况下，在荷载达到复合地基极限荷载时，桩体达到极限承载力而 产生桩体横向劈裂或压碎破坏；第二种是在桩长小于临界桩长的情况下，下卧 层承载力不足引起的下卧层土体剪切破坏或在下卧层坚硬情况下的桩体整体剪 切或压碎破坏；第三种在桩间距过大情况下，桩对土失去了约束作用，桩和桩 之间己几乎没有相互影响( 当桩间距大于6 d 时) ，这时复合地基的破坏主要是 因为桩间土承载力不足引起的土体破坏。在大部分情况下，复合地基的破坏属 于前两种情况，且荷载一沉降曲线呈“软化特征。而在前两种情况下，桩间 土极限承载力的大小不是决定复合地基极限承载力的主要因素，只有在桩体破 坏的情况下，才有可能导致桩间土体破坏，这一方面是因为桩土之间的相互制 约，相互影响作用，另一方面是因为复合地基加固区的压缩导致了桩间土产生 固结，从而使桩间土的承载力有了较大幅度的提高，尤其是在桩顶以下较浅深 度范围内。此外，由于桩对桩间土的约束作用，即使桩间土的压力超过了其极 限承载力，只要不影响路堤结构的安全性，即不产生滑动，也是安全的，换句 话说，对于c f g 桩复合地基其承载力是由桩体承载力控制的，在桩体产生破坏 前，桩间土一般不会产生破坏，且经c f g 桩加固后复合地基在路堤荷载的作用 和约束下，桩间土承载力由于沉降和约束作用已远大于原地基承载力。由此可 知，合理的复合地基极限承载力计算，应从c f g 桩的破坏形式出发，考虑桩侧 摩阻力的分布形式和桩间土的荷载分担作用( 即桩土应力比n ) ，当桩间距较小 时还应考虑群桩效应系数r l 的影响，建立承载力计算公式。 本章首先提出一种计算c f g 桩侧摩擦力分布的新思路，并推导建立相应的 1 4 硕士学位论文 第三章c f g 桩单桩承载力的理论计算 计算公式，然后提出合理确定c f g 桩承载力的方法。 3 2c f g 桩桩侧摩擦力计算的理论推导 由于柔性桩桩复合地基承载力的影响因素较多，因此理论计算较难。王启 铜在位移协调等假设条件下，推导出柔性桩单桩承载力的计算公式。但通过本 文现场试验研究及文献皆表明，在极限荷载作用下，桩及桩周土位移并不是协 调发展的，影响其大小和变化的主要因素有：桩土的性质、桩一土相对位移量、 桩一土接触性质、侧向有效压力的大小等。