CFG复合地基的优化设计方法探讨.doc

CFG复合地基的优化设计方法探讨XXX(XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX)摘 要：目前，常用的CFG复合地基设计方法是通过复合地基承载力初选参数，根据变形调整参数。基于此，本文介绍了CFG复合地基的特性，论述了承载能力计算和变形计算方法，提出了CFG复合地基设计优化的方法，结合工程实例分析了其可行性，为以后对CFG复合地基设计提供了借鉴。关键词：CFG桩；复合地基；承载能力计算；变形计算；优化设计1. CFG在复合地基设计中的特点近年来,随着我国经济建设的飞速发展,多高层建筑大量涌现。由于多高层建筑重心高、荷载大的特点，要求地基的强度与变形均很高。人们发现，当地基土达到一定强度时，可采用CFG桩复合地基，比传统的桩基础具有明显的优势，能够取得较为满意的效果。CFG复合地基由天然地基、CFG桩、和设置在基础与桩土表面之间的一层散体材料褥垫层组成。其具有适用性广、承载力提高幅度大、施工简便、工期短、造价低、保护环境等优点。基于以上CFG复合地基的优点，CFG复合地基在多高层广泛使用，目前用于指导新型CFG复合地基的理论依据和设计方法比较少，国内对CFG复合地基的优化设计做了一定的研究。苏克俭，张季超等通过加固复合地基设计，运用室内外沉降基本一致，变形量的计算采用分层总和法的理念，提出了沉降设计理论；刘涛运用最优化理论，建立了最优化模型，提出基于桩长和置换率影响的变形计算公式；孙林娜考虑桩长和置换率两个优化参数，以变形量为约束条件，以桩量最省作为目标函数，结合工程实例，对CFG复合地基进行优化设计。当今在CFG复合地基设计方面存在的问题：设计人员经验少，致使桩端持力层不合理以及置换率、桩间距、褥垫层设计不合理，导致复合地基承载力和地基变形达不符合设计规范。一旦设计出现问题，后果就不堪设想，因此对CFG复合地基设计方法的研究具有实际意义和科学指导意义。2. CFG复合地基计算2.1 CFG复合地基承载力计算CFG桩复合地基承载力的计算不是简单的天然地基承载力和单桩承载力叠加，需要对以下的因素：（1）考虑施工对桩间土的扰动和挤密是否会使得桩间土承载力降低或提高；（2）考虑桩对桩间土存在的约束作用；（3）考虑CFG复合地基中桩的荷载-地基沉降曲线出现硬化型，比单桩的承载力高；（4）考虑变形影响桩和桩间土的承载力，变形小时桩与桩间土的承载力小；（5）CFG复合地基桩间土承载力的大小与褥垫层的厚度有关。龚晓南综合考虑了复合地基中实际发挥的承载力与桩体、桩间土的承载力的不同，以及在复合地基中土先破坏的假定提出了复合地基的承载力公式： （1）应力比公式是目前我国采用最多的方法：当桩体首先破坏时，当土体首先破坏时，。PC f复合地基实际承载力；K1复合地基中桩承载力的修正值；K2复合地基中桩间土实际承载力修正系数；Pp f 单桩极限承载力；Ps f天然地基承载力；1复合地基破坏时桩体极限强度发挥度；2复合地基破坏时桩间土极限强度发挥度.通常，单桩在散体式复合地基中的破坏有刺入破坏、整体剪切破坏与鼓胀破坏。其中鼓胀破坏是单桩最常见的破坏形式。因此，对其研究多从径向入手。对于单桩承载力计算有三种：1）由Hughes和Withers运用极限平衡理论分析，得出以下单桩的极限承载力公式： （2）2）wong运用挡土墙上被动土压力的方法提出的计算单桩承载力的公式： 3）3）被动土压法。 （4）公式（1）（4）中，土重度；z土深度；Cu土的抗剪强度；KPS 桩周土的被动土压力系数；桩体材料内摩擦角；桩间土上竖向荷载；K p桩体材料被动土压力系数。2.2 复合地基变形计算对于复合地基变形计算，可将其变形分成三部分：加固区的变形s1,压缩层下卧层的变形s2以及褥叠层的变形s3。在荷载作用下，地基总的沉降为这三部分之后：即：S=S1+S2+S3,但是，在实际的工程当中，褥叠层的变形较小，且在施工时已近基本完成。对加固区的变形根据实际情况采用复合模量法、应力修正法以及桩身压缩量法。其公式为：复合模量法： （5）应力修正法： （6）桩身压缩法： （7）公式（5）（7）中：m复合地基置换率；n桩土修正系数；Sp桩身压缩量；为桩体压缩模量；为第i层复合土层厚度；为第i层复合土上的附加应力增量。对于以上的三种方法，复合模量法较方便，适合与散体材料和柔性桩复合地基。下卧土层压缩量计算方法分为压力扩散法和等效实体法，其具体公式为： 压力扩散法： （8） 等效实体法： （9）3. 优化设计方法优化设计的步骤为：第一步，设计问题；第二步，提出性能要求；第三步，确定设计向量；第四步，确定目标函数；第五步，确定约束条件；第六步，选择初始状态，并进行优化分析。依此步骤迭代可输出结果。3.1 变量的设计为了不影响优化设计的效果，可以将离散的变量视为连续变量对待，在根据优化结果作为预定参数进行再优化，因此在选择变量的时候，应该对目标函数影响很大的采参数视为变量，使得设计的时候，选择出最好的设计参数，使得设计性能达到最好。3.2 约束条件地基承载力和变形都要满足建筑使用功能，且符合规范。对于设计约束条件，地基承载力不能低于f和变形控制在s内，从约束的角度来看，一个设计方案必须满足很多条件，可以将这些条件用一个数学表达式来表示。从约束条件特点的角度来看，界限约束是用设计参数来表达，此函数是显函数，而性态约束的结构反应是根据设计变量得出来的，一般是复杂的非线性函数。3.3 目标函数在工程建设项目当中，大多情况下，业主都希望总的投资越少，在很多的设计方案当中，越好应该有一个判断尺，这个判断尺就是设计的目标。其实际意义可以是造价、承载力和材料，这个约定的性能函数指标是关于设计向量的函数，被称作目标函数。其最优方案就是材料用量最少的方案。4. 工程实例4.1 工程概况某高层地上24层，地下1层，剪力墙结构，筏片基础，基础面积为3036m，基础埋身为7m。传递荷载F=4.1105kN，M=2.1105kNm。采用CFG复合地基，桩的直径为0.4米，桩长为19m，等边三角形布置桩，间距为1.8m，桩土承载力折减系数为0.8。土层第一层为填土，层底卖深为2米，土层厚度为2米，重度为18kN/m3；第二层土为粘土，层底卖深为7米，土层厚度为5米，重度为19.2 kN/m3；第三层土为粉质粘土，层底卖深为18米，土层厚度为11米，重度为19.8kN/m3，压缩模量为6.4MPa，侧阻力为48kPa，承载力特征值为140 kPa；第四层土为粉土，层底卖深为23米，土层厚度为5米，重度为20.5kN/m3，压缩模量为12 MPa，侧阻力为54 kPa，端阻力为1000 kPa，承载力特征值为180 kPa。4.2 结果分析运用MATLAB软件对其进行优化设计分析得出以下结果。（1）按照传统的设计得出的桩径d=0.4米，桩长L=19米，复合地基的面积置换率为0.0448，褥垫层的厚度为200mm，布置桩的数量为389，CFG桩混合料用了933m3。经过优化后的几种结果比较，可选用其中一组桩径d=0.47米，桩长L=15.3米，复合地基的面积置换率为0.0398，桩间距为1.7米，褥垫层的厚度为200mm，布置桩的数量为437，CFG桩混合料用了830m3，节省11.3%的材料。5. 结论（1）本文介绍了CFG复合地基的特性，论述了承载能力计算和变形计算方法，提出了CFG复合地基设计优化的方法，结合工程实例分析了其可行性，为以后对CFG复合地基设计提供了借鉴。（2）复合地基优化后的设计与原设计在相同地基变形的情况下，优化设计可以节省材料，取得一定的经济效益。优化设计方法选取的设计参数仅仅是桩长和置换率，桩径和褥挚层厚度等对复合地基影响影响没有考虑，因此对CFG复合地基进行多参数优化设计研究非常必要。参考文献：1 张世尧，陈涛，顾祥林以沉降控制的掺粉煤灰水泥粉喷桩优化设计方法J地基基础，2003，23（05）