cfg桩毕业设计.doc

中国地质大学（北京）学士学位论文 0 目 录 1 绪 论.1 1.1 前 言 .1 1.1.1 地基承载力及稳定性问题.1 1.1.2 沉降、水平位移及不均匀沉降问题.1 1.1.3 渗透问题.1 1.2 地基处理原理和分类.1 1.2.1 置换及拌入法.1 1.2.2 振密、挤密法.2 1.2.3 加筋法.2 1.2.4 排水固结法.3 1.2.5 灌浆法.3 1.2.6 托换技术.3 1.2.7 其 他.3 1.3 地基处理技术的发展.3 1.4 本文所做工作.5 2 地基处理方案选择.6 2.1 工程概况.6 2.2 工程地质及水文地质条件.6 2.2.1 工程地质条件.6 2.2.2 水文地质条件.6 2.3 地基处理方案选择.7 2.4.1 桩体作用.7 2.4.2 置换和挤密置换作用.7 2.4.3 褥垫层作用.7 3 cfg 桩复合地基设计和计算 .8 3.1 桩径设计.8 3.2 桩长设计.8 3.3 单桩竖向承载力特征值取值.8 a r 3.4 混凝土试块强度要求.9 3.5 确定置换率.10 3.6 桩距设计.10 3.7 褥垫层设计.10 3.7.1 褥垫层在 cfg 桩复合地基中的作用.10 3.7.2 褥垫层厚度与材料的选取.13 3.8 确定复合土层的压缩模量.13 3.9 最终变形量计算.13 3.10 主要设计参数.14 中国地质大学（北京）学士学位论文 1 4 施工方案设计.15 4.1 施工方案选择.15 4.1.1 工艺对比.15 4.1.2 特点对比.16 4.1.3 工程造价分析对比.17 4.2 施工流程.17 4.3 施工中常见的质量问题和控制措施.18 4.3.1 堵管.18 4.3.2 窜孔.20 4.3.3 桩身上部空芯或夹砂.20 4.3.4 憋钻.20 4.3.5 钻机定位不准.21 5 质量检验.22 5.1 过程检验.22 5.2 桩间土检验.22 5.3 桩身完整性检验.22 5.4 单桩和复合地基承载力检验.22 5.5 检验标准.22 6 结论.23 致 谢.24 参考文献.25 中国地质大学（北京）学士学位论文 0 1 绪 论 1.1 前 言 随着我国国民经济的高速发展，基础建设的蓬勃兴起，北京作为祖国的首都正发生着 巨大变化，基础建设日趋完善，同时也带来了新问题，即建设用地日益紧张，许多工程不 得不建造在场地条件不良的地段上。并且随着目前工程建设中大型、中型、高层及超高层 建筑和有特殊要求的建筑物的日益增多，也对地基提出了新的更高的要求。除了各种软弱 和不良地基上建造建(构)筑物时需要考虑地基处理外，当旧居改造、加层，工厂设备更新 等造成荷载增大，对原来地基提出更高要求，原地基不能满足新的要求时，或者在开挖深 基坑，建造地下铁道等工程中涉及土体稳定、变形或渗透问题时，也需要进行地基处理。 建筑物对地基处理的要求主要包括三个方面： 1 1.1.1 地基承载力及稳定性问题 地基承载力或稳定性问题是指在建（构）筑物载荷（包括静、动荷载的各种组合）作 用下能否保持稳定，若地基承载力不能满足要求，在建（构）筑物载荷作用下地基将会产 生局部或整体剪切破坏，影响建（构）筑物的安全与正常使用，严重的会引起建（构）筑 物的破坏。天然地基承载力不能满足要求时，需要进行地基处理，形成人工地基，以满足 建（构）筑物对地基承载力的要求。 1.1.2 沉降、水平位移及不均匀沉降问题 在建（构）筑物的荷载（包括静、动荷载的各种组合）作用下，地基沉降，或水平位 移，或不均匀沉降可能超过相应的允许值。若地基变形超过允许值，将会影响建（构）筑 物的安全与正常使用，严重的会引起建（构）筑物破坏。天然地基变形不能满足要求，则 需要进行地基处理，形成人工地基，以满足建（构）筑物对地基变形的要求。 1.1.3 渗透问题 渗透问题主要分两类：一类是堤坝蓄水构筑物地基渗流量超过其允许值时，其后果是 造成较大水量流失，甚至蓄水失败。另一类是地基中水力比降低超过其允许值时，地基土 会因为潜蚀和管涌产生破坏而导致建（构）筑物破坏造成工程事故。天然地基渗透问题主 要与土的渗透性有关，若天然地基不能满足要求，则需要对地基进行改良，减小土的渗透 性，或在地基中设置止水帷幕，阻截渗流。 1.2 地基处理原理和分类 地基处理方法，可以按地基处理原理、地基处理的目的、处理地基的性质、地基处理 的时效，及动机等不同角度进行分类。下面根据地基处理原理分类作简要介绍，具体应用 于北京工业职业技术学院综合教学楼的处理方法，详见以后的各章节。 1.2.1 置换及拌入法 以砂 、碎 石等材料置换软弱地基中部分软弱土体，形成复合地基或在软弱地基中部 分土体内加入水泥、水泥砂浆以及石灰等物，形成加固体，与未加固部分形成复合地基， 达到提高地基承载力，减少压缩量的目的。置换及拌入法包括下述几种方法。 1. 垫层法、开挖置换法 垫层法一般系指不开挖而做成的垫层，而开挖置换法系指先开挖然后回填并夯实。 2. 振冲置换法(或称碎石桩法) 利用振冲器边振边冲，在软弱粘性土地基中成孔，再在孔内分批填入碎石或卵石等材 中国地质大学（北京）学士学位论文 1 料制成一根根桩体。桩体和原来的粘性土构成所谓复合地基以提高地基承载力，并减小压 缩性碎石桩的承载力和沉降量在很大程度上取决于周围软土对碎石桩的约束作用。如周围 的土过于软弱，对碎石桩的约束作用就差。 3. 深层搅拌法 深层搅拌法加固软土地基是利用水泥作固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深 部就地将软土和水泥浆或水泥粉强制拌合，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和足够强 度的水泥加固土，从而提高地基强度。这些加固体与天然地基形成复合地基，共同承担建 筑物的荷载。 4. 石灰桩法 在软弱地基中用机械或人工成孔，填入作为固化剂的生石灰并加以搅拌或压实形成体， 利用生石灰的吸水、膨胀，放热作用和土与石灰的离子交换反应、凝硬反应等作用，改善 桩体周围土体的物理力学性质，石灰桩和周围被改良的土体一起组成复合地基，达到地基 加固的目的2。 5. 褥垫法 在压缩性较低的地基上(如岩基、孤石)上加褥垫，使它与压缩性较高的地基相适应， 调整可能产生的不均匀沉降，避免由于该处应力集中而使结构破坏。 1.2.2 振密、挤密法 振密、挤密法的原理是采用一定的手段，通过振动，挤压使地基土体孔隙比减小，强 度提高，达到地基处理的目的。根据采用的手段可分为下述几种方法。 1. 表层压实法 采用人工或机械夯实、碾压或振动非饱和粘性土使土密实。密实范围较浅，适用于杂 填土、疏松无粘性土、强夯法、湿陷性黄土等地基的浅层处理。 2. 强夯法 强夯法是将一个重锤从高处自由下落，夯击地基，从而使地基土的强度得到提高，压 缩性得到降低的方法。适用于碎石土、砂土、低饱度的粉土与粘土，湿陷性黄土、杂镇土 和素填土等地基。 3. 振冲挤密法 一方面靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排列孔隙减小，另一方 面依靠振冲器的水平振动力，加回填料使砂层挤密，从而达到提高地承载力、减小沉降， 提高抗液化能力。适用于粘粒含量小于10%的疏松砂性土地基。 4. 土桩和灰土桩 采用沉管法，爆扩法和冲击法在地基中设置土桩或灰土桩，在成桩过程中挤密桩间土， 由挤密的桩间土和密实的土桩或灰土桩形成复合地基。适用于地下水以上的湿陷黄土、杂 填土、素填土等地基。 5. 爆破挤密法 在地基中爆破产生挤压力和振动力使地基土地密实以提高土体的抗剪强度，提高承载 力和减小沉降。适用饱和净砂、非饱和但经灌水饱和的砂、粉土、湿陷性黄土地基。 1.2.3 加筋法 通过在土层中埋设强度较大的土工聚合物，拉筋，受力杆件等达到提高地基承载力， 减小沉降，或维持建筑物稳定的地基处理方法称为加筋法。加筋法一般有下述几种: 1. 土工聚合物 利用土工聚合物的高强度、韧性等力学性能，扩散土中应力，增大土体的刚度模量或 抗拉强度，改善土体或构成加筋土以及各种复合土工结构。土工聚合物除了上述加固强化 作用外，还可以用作反滤、排水和隔水材料。 2. 锚固技术 锚固技术是将一种新型受拉杆作的一端固定在边坡或地基的岩层或土层中，另一端与 结构物(如挡土结构物)联结，利用锚固力以承受由于土压力、水压力所施加于结构物的推 中国地质大学（北京）学士学位论文 2 力，从而维持结构物的稳定。 3. 加筋土 把抗拉能力很强的拉筋埋置在土层中，通过土颗粒和拉筋之间的摩擦力形成一个整体， 称为加筋土。拉筋一般使用具有耐拉力，摩擦系数大而耐腐蚀性的板状、网状、丝状，带 状的相材料，主要是镀锌钢片、铝合金以及合成树脂等材料。 4. 树根桩法 树根桩法系一种小型钻孔灌注桩，直径75-250mm，用钻机钻孔，同时清除孔内的土， 达到预定深度后，插入钢筋笼灌注水泥浆或砂浆(或混凝土)成桩或钻孔后先故人钢筋笼， 投入骨料，再通过埋管由底向上压注水泥浆或砂浆。 1.2.4 排水固结法 排水固结法的原理是软粘土地基在荷载作用下，土中孔隙水慢慢排出，孔隙比减小， 地基发生固结变形。同时随着超静水压力逐渐消散，土的有效应力增大，地基土的强度逐 步增长。 排水固结法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压期 间基本完成或大部分完成，并使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时可 增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力和稳定性。 排水固结法是由排水系统和加压系统两部分组合而成的。排水系统可在然地基中设置 竖向排水井(如普通砂并、袋装砂井、塑料排水板等)，以及利用天然地基土层本身的透水 性。加压系统有堆载法、真空法、降低地下水位法、电渗法及联合法。 1.2.5 灌浆法 灌浆法的实质是用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆液注入各种介质的裂 缝或孔隙，以改善地基的物理力学性质。灌浆法可用于气压防渗、堵漏、加固和纠偏。它 主要适用于砂及砂砾石地基，以及湿陷性黄土地基等。灌浆法在水利、建筑、道桥以及地 下建筑等工程的各个领域中都得到广泛应用。 灌浆材料常分为粒状浆材和化学浆材两个系统。粒状浆材主要包括纯水泥浆，粘土水 泥砂浆、水泥砂浆、以及石灰砂浆等。化学浆材的品种很多，包括环氧树脂类，甲基丙烯 酸酷类，聚氦酷类、丙烯酞胺类，木质素类和硅酸盐类等。 在地基处理中，常用的灌浆方法有渗入性灌浆法、劈裂灌浆法、压密灌浆法、电动化 学灌浆法等。 1.2.6 托换技术 托换技术(或称基础托换)是指对原有建筑物地基和基础需要进行处理，加固或改建， 在原有建筑物基础下需要修建地下工程以及邻近建造新工程而影响到原有建筑物的安全等 问题的技术总称。 托换技术分为两个阶段进行: (1)采取适当方式，支托住原有建筑物的全部和部分荷载。 (2)根据工程需要对原有建筑物的地基和基础进行加固、改建或在原有建筑物下进行其地下 工程施工。 1.2.7 其 他 除了上述各种地基处理方法外还有其它一些地基处理方法。如:锚杆静压桩、基础加压 纠偏法、基础减压和加强上部结构刚度法、套筒法、浸水与加压矫正法、排(掏)土纠倾法、 预浸水法、灰土桩、膨胀土地基帷幕等。 1.3 地基处理技术的发展 中国地质大学（北京）学士学位论文 3 地基处理是古老而又年轻的领域。在我国改革开放促进了基本建设持续高速发展。为 了适应工程建设的要求，地基处理技术在我国得到飞速发展，地基处理技术最新发展反映 在地基处理机械、材料、地基处理设计计算理论、施工工艺、现场监测技术，以及地基处 理方法的不断发展和多种地基处理方法综合应用等各个方面。 为了满足日益发展的地基处理工程的需要，近几年来地基处理机械发展很快。例如， 深层搅拌机型号增加，除前几年生产的单轴深层搅拌机和固定双轴搅拌机，浆液喷射和粉 体喷射深层搅拌机外，近年来研制成功可变距双轴深层搅拌机和可同时适用浆液喷射和粉 体喷射的深层搅拌机，搅拌深度和成桩直径也在扩大，海上深层搅拌机也己投入使用，我 国深层搅拌机拥有量近年来大幅度增加。高压喷射注浆机械发展很快，出现不少新的高压 喷射设备，如井口传动由液压代替机械，改进了气、水，浆液的轴送装置，提高了喷射压 力，增加了对地层的冲切搅拌能力。水平旋喷机械的成功应用，使高压喷射注浆法进一步 扩大了应用范围。应用于排水固结法的塑料排水带插带机的出现大大提高工作效率。振冲 器的生产也已走向系列化、标准化。为了克服振冲过程中排放泥浆污染现场，干法振动成 孔器研制成功，使干法振动碎石桩技术得到应用。地基处理机械的发展使地基处理能力得 到较大的高。 地基处理材料的发展也促进了地基处理水平的提高。新材料的应用，不仅使一些原有 的地基处理方法效能提高，而且产生了一些新的地基处理方法。土工合成材料在地基处理 领域得到愈来愈多的应用，土工合成加筋材料的发展促进了加筋土法的发展；轻质土工合 成材料eps作为填土材料形成eps超轻质料填土法；塑料排水带的应用提高了排水固结法施 工质量和工效，且便于施工管理。灌浆材料如超细水泥、粉煤灰水泥浆材、硅粉水泥浆材 等水泥系浆材和化学浆材在品种、质量上发展都很快。化学浆材的研究重视降低浆材毒性 和对环境的污染。灌浆材料的发展有效地扩大了灌浆法的使用范围，满足了工程需要。在 地基处理材料应用方面还值得一提的是近年来重视将地基处理同工业废料的利用结合起来。 粉煤灰垫层、粉煤灰石灰二灰桩复合地基、钢渣桩复合地基、渣土桩复合地基、二灰混凝 土桩复合地基等应用取得了较好的社会经济效益。各项地基处理方法的施工工艺近年来也 得到不断改进和提高，不仅有效地保证和提高了施工质量，提高了工效，而且扩大了应用 范围。真空预压法施工工艺的改进使这项技术应用得到推广，高压喷射注浆法施工工艺的 改进使之可用于第四纪覆盖层的防渗。石灰桩施工艺改进使石灰桩法走向成熟，边填碎石 (块石或其他填充料)边强夯的施工工艺扩大了强夯法的应用范围。夯压成型灌注桩操作方 便，可消除一般灌注桩易出现缩颈、裂缝、混凝土欠密实、回淤等弊端；单载承载力可达 1100kn，工程造价比一般混凝土灌注桩降低30%-40%。钻孔压浆灌注桩桩体致密，局部能膨 胀扩径，单桩承载力高，沉降量小，比普通灌注桩抗压、抗拨、抗水平荷载能力提高1倍以 上；不用护壁，可避免水下灌注混凝土；可有效防止断桩、缩颈、桩间虚土等情况发生， 质量可靠；能在流砂、淤泥、砂卵石、顺利成桩；施工无噪声，比普通打预制桩工期短 1/2-1/4,费用降低10%-15%。可以说，每一项地基处理方法的施工工艺都在不断提高。 近年来，各地因地制宜发展了许多新的地基处理方法。例如:将强夯法用以处理较软弱 土层，边填边夯，形成强夯碎石桩复合地基以提高地基承载力、减少沉降。采用沉管法在 软土地基中设置由碎石、粉煤灰、水泥或由砂石、水泥搅拌形成的低强度混凝土桩，与桩 间土形成复合地基。疏桩基础或称钢筋混凝土桩复合地基也可较好地发挥桩间土的效用， 减少用桩数量，取得较好的经济效益。还有土工织物地基、树根桩地基等等。新的地基处 理方法的不断发展提高了地基处理的整体水平和能力。 地基处理技术的发展还表现在多种地基处理方法综合应用水平的提高。例如:真空预压 法和堆载预压法的综合应用可克服真空预压法预压荷载小于80kpa的缺点，扩大了它的应用 范围。真空预压法与高压喷射注浆法结合可使真空预压应用于水平渗透性较大的土层。高 中国地质大学（北京）学士学位论文 4 压喷射注浆法与灌浆法相结合可提高灌浆法的纠偏加固效果。锚杆静压法与掏土法结合、 锚杆静压法与顶升法结合使纠偏加固技术提高到一个新的水平，重视多种地基处理方法的 综合应用可取得较好的社会经济效益。 1.4 本文所做工作 地基处理领域是土木工程中非常活跃的领域，也是非常有挑战性的领域。复杂的工程 地质情况、建（构）筑物规模的越来越大等都对地基提出了日益严格的要求。本文根据北 京工业职业技术学院综合教学楼工程的工程概况、工程地质条件、水文地质条件等因素对 该工程的地基处理方案进行分析和选择。根据上述各种条件选择了适合工程的 cfg 桩复合 地基处理方法，对选择的 cfg 桩复合地基处理方案进行设计和计算，如平面布置、桩径、 桩距、桩长确定、桩体强度、褥垫层、承载力计算、变形计算等。本文还针对北京工业职 业技术学院综合教学楼的工程特点对选择好的地基处理方法的具体施工方案进行分析和选 择，对选择的施工方法的具体施工工艺和施工流程进行详细的说明。本文对于该工程的地 基处理过程中采用的二次引孔新施工工艺也进行了介绍。对于地基处理工程的质量检测进 行分析说明，同时对该工程中出现的问题进行论述。最后将给出结论和建议。 中国地质大学（北京）学士学位论文 5 2 地基处理方案选择 2.1 工程概况 北京工业职业技术学院教学综合楼工程，位于石景山区南宫北京工业职业技术学院院 广场北侧。由北京环洋世纪国际建筑顾问有限公司设计，北京吉地四方建设工程顾问有限 公司监理，中国建筑第一工程局第二建筑公司承建。建筑结构安全等级二级，耐火等级地 下二级、地上一级。建筑面积 28491.17m2，由地下 2 层车库及地上 12 层教学综合用房组 成，梁板式筏基，结构形式为框架剪力墙结构。设计标高0.00 相当于绝对标高 113.2m，建筑总高度 49.3m（含屋顶机房） ，基底标高-9.6m。 底板持力层为粉质粘土层，层承载力标准值为 180kpa。根据设计要求，基础持力 层承载力不满足设计要求，要求进行地基处理，地基处理后承载力特征值应大于 300 kpa， 最终沉降量小于 50mm，整体倾斜均0.003。沉降后浇带施工完毕后，主楼与 g 轴上柱的 沉降差0.002l。 场地平面布置详见附图 1。 2.2 工程地质及水文地质条件 2.2.1 工程地质条件 根据北京工业职业技术学院综合教学楼岩土工程勘察报告 ，该地层大体分为人工堆 积层、新近沉积层和第四纪沉积层。场地地层按自上而下的顺序描述如下： 人工堆积层： 层粘质粉土填土：杂色，稍松中密，稍湿，以粉质粘土、粘质粉土为主，含有少 量砖渣、灰渣。本层厚度 0.50 m。 新近沉积层： 层粘质粉土、粉质粘土：褐黄色，中高压缩性，湿饱和。本层厚度 1.80 m。 层碎石角砾：杂色，低压缩性，湿。本层厚度 3.0 m。 层粉质粘土、粘质粉土：褐黄色，中低压缩性，饱和。 层碎石角砾：杂色，中压缩性，湿。d 一般 4060mm，d 大为 300mm，中粗砂及 粉土充填，含量 25%30%，级配好，呈棱角、次棱角状。 层粉质粘土：褐黄色，可塑硬塑，饱和，含氧化铁。本层厚度 2.4 m5.1m。 层碎石：杂色，密实，湿，d 一般 3060mm，d 最大为 200mm，中粗砂及粉土充 填，含量 25%30%，级配好，呈棱角、次棱角状。 表 1-1 各土层性质表 土层编号土层厚度(m)压缩模量(mpa)天然容重 (kn/m3) 1 8.315.0020.00 2 2.509.9019.85 3 2.0011.6519.90 4 7.3010.2819.40 5 4.93100.0020.00 中国地质大学（北京）学士学位论文 6 2.2.2 水文地质条件 根据现场勘查，建设场地埋深 30 米内未见地下水。 2.3 地基处理方案选择 根据拟建建筑物特点，设计要求地基处理后复合地基承载力特征值大于 300kpa。地层 多为黏性土和粉土。在综合考虑基础类型、承载力要求、工程地质条件、水文地质条件、 施工条件、施工环境和经济效益等条件的情况下。决定采用水泥粉煤灰碎石桩（cfg）复 合地基对北京工业职业技术综合教学楼的地基进行处理。 水泥粉煤灰碎石桩从土性而言，适用于处理黏性土、粉土、砂土和正常固结的素填土 等地基。就基础形式而言，适用于条基、独立基础、箱基和阀基。 2.4 cfg 桩加固原理 水泥粉煤灰碎石桩加固软弱地基的原理如下3： 2.4.1 桩体作用 cfg 桩具有一定粘结强度的混合料，像刚性桩一样。在载荷作用下 cfg 桩的压缩性 大大低于其桩周土，因此，可用全桩长发挥侧阻，桩端落在较好的土层上时具有明显的端 承作用，起到了桩体承载的作用。 2.4.2 置换和挤密置换作用 当采用振动沉管工法，其振动和挤密作用使桩间土得到挤密，地基土得到置换，复合 地基承载力的提高既有挤密又有置换；当采用长螺旋及循环钻进工法时，其承载力的提高 只有置换作用。 2.4.3 褥垫层作用 详见第三章第七部分。 中国地质大学（北京）学士学位论文 7 3 cfg 桩复合地基设计和计算 楼座的0.00 绝对标高为 113.20m。底板底标高为-9.60m，持力层为粉质粘土层， 层承载力标准值为 180kpa；根据设计要求，基础持力层承载力不满足设计要求，要求进 行地基处理，地基处理后承载力特征值应大于 300kpa，最终沉降量小于 50mm，整体倾斜 均0.003。沉降后浇带施工完毕后，主楼与 g 轴上柱的沉降差0.002l。 表 3-1 基础设计参数 基础类型荷载类型基础地面埋深(m)基础长度(m)基础宽度(m) 矩形基础竖直均布荷载 9.70 83.0028.00 表 3-2 地基处理设计参数 0.00 标高（m）底板标高（m） 桩间土承载力 标准值（kpa） 复合地基承载力 标准值（kpa） 113.20-9.60180300 表 3-3 地层主要参数 土层编号土层厚度（m）压缩模量（mpa）天然容重(kn/m3) 18.315.0020.00 22.509.9019.85 32.0011.6519.90 47.3010.2819.40 54.93100.0020.00 3.1 桩径设计 桩径宜取 350-600mm，桩径过小，施工量不容易控制；径过大，需加大褥垫 厚度才能保证桩土共同承担上部结构传来的荷载。振动沉管工艺一般选用管径 377mm 成 孔，机械或人工洛阳铲选用铲径 350mm 成孔。本工程因采用长螺旋法成孔，为方便施工 桩径取 410mm，经后期计算可以满足复合地基的承载力要求。 3.2 桩长设计 水泥粉煤灰碎石桩的桩长应根据复合地基的承载力、稳定和变形验算确定。应选择承 载力相对较高的土层作为桩端持力层，这样可以较好的发挥桩端阻力，也可避免场地岩性 变化大可能造成建筑物沉降的不均匀。本工程选择第粉质粘土层为桩端持力层，桩长确 定为 8.0m，其中保护桩长为 0.30m，有效桩长 7.7m，另外增加冬季施工保护桩长 0.2m。实际桩长为 8.2m。经复合地基承载力、稳定和变形验算满足要求。 3.3 单桩竖向承载力特征值取值 a r 当无单桩载荷试验资料时，可按下式估算： 中国地质大学（北京）学士学位论文 8 （3- 1 n apsi ipp i ruq lq a 1） 式中为桩的周长（m） ； p u 桩长范围内所划分的土层数；n 为第 层土的厚度（m） ； i li 桩周第 层土的侧阻力特征值（kpa） ，可按现行国家标准建筑地基基础 si qi 设计规范(gb50007-2002)有关规定确定； 桩的端阻力特征值（kpa） ，可按现行国家标准建筑地基基础设计规范 p q (gb50007-2002)有关规定确定。 本工程 cfg 桩复合地基的桩径选取为 410.00mm，有效桩长为 7.70m。桩的周长 。按建筑地基基础设计规范 （gb50007-2002）有关0.411.2874 p umm 规定和的取值可按当地经验值选取，代入数值经计算的值为 326kn，取 320kn 进 si q p q a r 行计算。得出单桩竖向承载力特征值=320kn。 a r 3.4 混凝土试块强度要求 (3-2) 3 a cu p r f a 式中桩体混合料试块（边长 150mm 立方体）标准养护 28d 立方体抗压强度平 cu f 均 值（kpa） ； 单桩竖向承载力特征值； a r 桩的截面积（） 。 p a 2 m 本工程中=320kn，。得出下式： a r 22 0.2050.132 p am =7.27mpa3 a cu p r f a 2 320 3 0.132 kn m 表 3-4 混凝土强度设计值（单位 mpa）4 混 凝 土 强 度 等级 强度种类符 号 c15c20c25c30c35c40c45c50 中国地质大学（北京）学士学位论文 9 轴心抗压 c f 7.29.611.914.316.719.121.223.1 轴心抗拉 t f 0.911.101.271.431.571.711.801.89 根据表 3-4 所示 c20 混凝土的抗压强度为 9.6mpa，大于 7.72mpa。所以桩身混凝土选 用 c20 即可满足强度要求。 3.5 确定置换率 (3-3) ska r spk fmmf p a )1 ( 式中复合地基承载力特征值（kpa） ； spk f 桩土面积置换率；m ra 单桩竖向承载力特征值； 桩的截面积（） p a 2 m 桩间土承载力折减系数，宜取 0.75-0.95,对变形要求高的建筑物可取低值。 处理后桩间土承载力特征值（kpa） ，宜按当地经验取值。 sk f 本工程中按设计要求基底附加应力为 130kpa,复合地基承载力特征值。kpafsk300 单桩竖向承载力特征值=320kn。桩的截面积。桩间土承载力折 a r 22 0.2050.13 p am 减系数取 0.9。处理后桩间土承载力特征值。kpafsk180 将上述 4 个数据代入公式 4-3，求解出：桩土面积置换率 m=0.0673。 3.6 桩距设计 桩距应根据设计要求的复合地基承载力、建筑物的沉降量、土性、施工工艺确定。设 计的桩距首先要满足承载力和变形量的要求。从施工角度考虑应尽量选用较大的桩距，以 防止新打桩对已打桩的不良影响。拟采用正方形布桩，一般为 3-5 倍桩径。当面积置换率 已知时，桩间距计算公式为： m d s 1 13 . 1 (3-4) 式中 scfg 桩复合地基桩间距离； dcfg 桩直径； m面积置换率。 已知面积置换率 m=0.0673，桩直径 d=0.41m，代入公式 4-4 得：m1.3986s 所以桩距离m 取 1.4m。1.3986s 中国地质大学（北京）学士学位论文 10 3.7 褥垫层设计 3.7.1 褥垫层在 cfg 桩复合地基中的作用 1. 保证桩和桩间土共同承担上部荷载 复合地基设计的一个基本思路是桩和桩间土共同承担荷载,这也是复合地基与桩基的一 个根本区别。对cfg桩复合地基来说,基础是通过厚度为h的褥垫层与桩和桩间土联系的 （如图3-1所示）。如果基础和桩之间不设褥垫层,即h=0时。在垂直荷载作用下,桩和桩间 土的工作原理和桩基类似,在荷载作用下,桩承受较多的荷载,随时间的增加,桩产生沉降,荷 载向土体转移；土承担的荷载随时间逐渐增加,桩承担的荷载随时间增加而逐渐变小。这样 就存在一个桩所承担的荷载逐渐向桩间土转移的过程。 ( a) h = 0 ( b) h很大 图3-1 桩、土应力比随褥垫层厚度的变化示意图 当在基础和桩之间设置一定厚度的褥垫层时,复合地基承受荷载,桩和桩间土都要发生 沉降变形,由于桩的模量比土的变形模量大得多,因此桩的变形比土的变形要小,因为在基础 下面有一定厚度的褥垫层的存在,可以向上刺入,在此变化过程中,垫层材料不断的调整补充 到桩间土上,以保证基础始终将一部分荷载传到桩间土上,也就能保证在任何荷载作用下桩 和桩间土始终共同参与承受荷载。 2. 调整桩和桩间土的荷载分担比 （1）调整桩和桩间土的垂直荷载分担比 复合地基桩、土的垂直荷载的分担比可以用桩、土应力比n表示 (3-5) p s n 式中 cfg桩桩顶应力(kpa)； p 桩间土应力(kpa)。 s 也可以用桩、桩间土荷载分担比p 、s 来表示： (3-6) p p p p (3-7) s s p p 式中p 总的垂直荷载(kn)； 中国地质大学（北京）学士学位论文 11 pp 桩承担的荷载(kn)； ps 桩间土承担的荷载(kn)。 用a表示基础底面积,用ap 表示桩的总横截面积,as表示基底下桩间土总横截面积,当 面积置换率m =ap/a确定后,桩、土荷载分担比和桩、土应力比可互换,其表达式如下: 当测定桩、土荷载分担比p、s 以后,可以求得桩顶应力: （3- ppp p pp ama 8） 桩间土应力为: （3- ()(1) ssss sp ppp aaaam 9） 则桩土应力比n: （3- (1) pp ss m n m 10） 式(3-10)为用桩、土荷载分担比表示的桩土应力比分担比表达式,也可以用桩土应力比 n来表示桩土荷载分担比p 、s 。 （3- 1(1) p nm am n 11） （3- (1) 1(1) s m m n 12） cfg桩复合地基中桩土应力比n多数在1040之间,在软土中有时可达到100左右,桩承 担的荷载占总荷载的百分比一般在40%75%。 cfg桩复合地基桩土应力比具有很大的可调性,当桩的其他参数(桩径、桩距等)不变时,减 小桩长可以减小单桩承载力，桩土应力比亦降低；同样,增加桩长可使桩土应力比提高。当 其他参数(桩长、桩径、桩距等)相同时,增加褥垫层厚度可以使桩土应力比减小,减小褥垫 层厚度可以使桩土应力比增大,褥垫层厚度越大,桩土所承担的荷载越趋均匀,桩土应力比越 接近1。当褥垫层厚度h=0时,如图3-1,桩土应力比很大,由于桩的变形远小于桩间土的变形,桩 间土很难发挥承载力,桩分担的荷载相当大,需要桩的强度要高,桩的长度要长,费用也相应 的提高。当褥垫层厚度h很大时,如图3-1所示,此时桩土应力比接近于1,此时桩的荷载分担 很小。 表3-5给出了不同荷载水平,不同褥垫层厚度,桩荷载分担比p 的变化情况。可以看出 桩的荷载分担比和褥垫层厚度密切相关。 表3-5 桩荷载分担比 p 载荷 p（kpa） pp/p（%） 垫层厚度 cm 2 10 30 备注 20652714 60723226 100753938 桩长 2.25m 桩径 16cm 载荷板 1.05mx1.65m 中国地质大学（北京）学士学位论文 12 （2）调整桩和桩间土水平荷载分担 当无褥垫层时,水平荷载主要由桩来承担。当褥垫层厚度增大到一定数值的时候,作用 在桩和桩间土上的剪应力相差不大,桩顶所受剪力占水平荷载的比例大体与面积置换率m 相 当。大量的工程实践和室内外的试验结果表明,只要褥垫层厚度不小于10cm ,桩体就不会发 生水平折断,桩在复合地基中就不会失去工作能力。 3. 基础地面应力集中 当褥垫层厚度h=0时,cfg桩对基础地面的应力集中与钢筋混凝土桩对承台或桩上基础 应力集中现象类似,需要考虑桩对基础集中的冲切破坏。当h0并且大到一定的数值的时候,基 底压力分布形式与作用于天然地基的压力分布类似。 4. 地基变形 褥垫层厚度的调节可以影响桩土荷载的分担,根据这一原理,在cfg复合地基的应用中, 可以通过调整褥垫层的厚度来消除地基的不均匀性,使地基达到协调变形5。 3.7.2 褥垫层厚度与材料的选取 桩顶和基础间之的褥垫层厚度宜取150300mm，当桩径大或桩距大时褥垫层厚度易 取高值。褥垫层材料多为中砂、粗砂或碎石等硬质材料，碎石粒径宜取8-20mm。不宜采 用卵石，由于卵石咬合力差，施工时扰动较大、褥垫层厚度不容易保证均匀。 本工程采用机碎石作为褥垫层材料，粒径为 8-20mmm。褥垫层厚度为 200mm。cfg 桩施 工完毕后，将桩头清至桩顶标高，虚铺 223mm 厚的碎石褥垫层，压实至厚 200mm，夯填 度不大于 0.9。 3.8 确定复合土层的压缩模量 地基处理后的变形计算应按现行的国家标准建筑地基基础设计规范 （gb50007- 2002）的有关规定执行。 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 倍， 值可按下式确定： （3- ak spk f f 13） 式中复合地基承载力特征值（kpa） ； spk f 基础底面下天然地基承载力特征值（kpa） 。 ak f 3.9 最终变形量计算 地基变形计算深度应大于复合土层的厚度，并符合现行国家标准建筑地基基础设计 规范(50007-2002)中地基变形计算深度的有关规定。 其最终变形量可按下式计算 （3- )( 11 1 0 iiii n i ss azaz si e p ss 14） 中国地质大学（北京）学士学位论文 13 式中 s地基最终变形量（mm） ； 按分层总和法计算出的地基变形量(mm)； s 沉降经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，无地区经验时可采用 s 建筑地基基础设计规范(gb50007-2002)表 5.3.5 的数值； 地基变形计算深度范围内所划分的土层数；n 对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力(mpa)。 0 p 基础底面下第 层土的压缩摸量（mpa） ； si ei 、基础底面至第 层土、第 -1 层土底面的距离（m） ； i z 1i z ii 、基础底面计算点至第层土、第 -1 层土底面范围内平均附加应 i 1i ii 力系数。 表 3-6 沉降计算结果表 目标计 算点坐 标 （m） 计算 深度 （m） 褥垫层 沉降量 （mm） 复合地 层的沉 降量 （mm） 下卧层 的沉降 量 （mm） 侧限变 形模量 的加权 平均值 （mm） 沉降计 算经验 系数 （mm） 修正前 的最终 沉降量 （mm） 修正后 的最终 沉降量 （mm） 41.50， 14.00 21.290.9020.4811.1816.280.3496.1231.66 按建筑地基基础设计规范 （gb50007-2002）表 5.3.4 建筑物的地基变形允许值的要 求本工程最终沉奖量小于 40mm，符合要求。 中国地质大学（北京）学士学位论文 14 图3-1 沉降计算示意图 3.10 主要设计参数 本工程主要设计参数如表3-7所示。 表 3-7 cfg 桩复合地基主要设计参数 楼 号 桩顶 标高 （m ） 桩径 (mm) 桩 长 (m) 桩距 (m) 桩 数 单桩竖向承 载力特征值 （kn） 复合地基 承载力特 征值 （kpa） 最终沉 降 （mm ） 角点 沉降 mm 整体 倾斜 综 合 楼 - 9.96 4108.01.4 107 4 32030031.668.19 0.00 05 4 施工方案设计 施工是一个工程的最后环节，直接影响着工程的质量，对工程有着至关重要的作用。 本章将通过本工程从施工方案的选取、施工流程、工程质量控制三个大的方面对 cfg 桩施 工进行说明。 4.1 施工方案选择 根据表 3-7 所示 cfg 桩的工程参数及场地工程地质条件、水文地质条件、场地环境条 件、施工进度等因素进行施工方案的选择。 cfg 桩复合地基施工工艺很多，如振动沉管 cfg 桩、夯扩