CFG桩复合地基研究现状及展望难点.docx

CFG桩复合地基研究现状及展望苗子臻，邱浩然（北方工业大学土木工程学院，北京，100144）摘要：CFG桩复合地基作为一种有效的地基处理手段，其能够较好地发挥桩土共同作用，目前已被广泛应用。本文分析了CFG桩复合地基承载力计算、沉降计算等方面，总结了CFG桩复合地基的研究现状及研究成果，提出了CFG桩复合地基存在问题，阐述了发展趋势。本文对工程人员了解CFG桩复合地基有帮助作用。关键词：CFG桩复合地基；影响因素；沉降计算；承载力计算中图分类号：TU473 文献标识码：AResearch Status and Development of CFG Pile Composite FoundationZiZhen Miao,HaoRan Qiu(North China University of Technology College of Civil Engineering, Beijing , 100144)Abstract：CFG pile composite foundation, as a kind of effective means of foundation treatment, can better play to the interaction of piles and soil. Currently, it has been widely used in foundation treatment engineering. The research status of CFG pile composite foundation and the research results has been summarized from the CFG pile composite foundation bearing capacity calculation, settlement calculation, etc. And the existed problems in the research of CFG pile composite foundation and the development trend of opinions areelaborated. To make our engineers have a further understanding of CFG pile composite foundation.Key words：CFG Pile Composite Foundation;Influencing Factor;Settlement Calculation;Bearing Capacity Calculation 引言CFG桩为在碎石桩桩体中掺加适量石屑、粉煤灰、水泥，并加水拌合形成的一种高粘结强度桩。它与桩间土和褥垫层一起构成CFG桩复合地基。CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，当地基受荷时，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作，由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大，将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载，从而使复合地基承载力提高，变形减小。且CFG桩桩体可以掺入工业废料粉煤灰，又无须配筋，其工程造价为一般桩基的1/31/2，具有良好的社会和经济效益。目前在高层建筑地基基础、路基工程等领域有广泛应用1。为使工程人员对CFG桩复合地基处理技术有进一步了解，本文综合国内外学者多年来研究成果，对CFG桩复合地基的研究现状及成果进行了分析总结。1研究现状1.1各因素影响研究影响CFG桩复合地基沉降及承载性能的因素较多，目前诸多研究主要围绕褥垫层、桩长、桩径、桩体强度、桩间距等展开。1.1.1桩长、桩径、桩间距桩长、桩径、桩间距为组成CFG 桩复合地基的重要组成部分。桩长的影响主要表现为桩土荷载分担比的不同，桩越短，桩间土分担的荷载就越大，桩间土的压缩量越大，总体沉降变形越大2；反之，桩越长，桩间土分担的荷载越小，桩间土的压缩量越小，沉降变形越小，但桩长增长到一定程度，沉降减少量趋于稳定，桩长对沉降的影响存在临界值3-4。陈涛、胡长明、崔刚等通过现场原位试验及有限元数值模拟分析发现：随着桩径的增加，复合地基承载力增加，沉降变形减小，但综合考虑经济成本，桩径宜取300600mm；随着桩间距的增大，地基承载力降低，沉降变形增大，通常设计中桩间距宜取35倍桩径5。1.1.2桩体强度陈涛、丁铭绩通过数值模拟对CFG桩复合地基沉降及其影响参数进行了研究，研究发现桩体强度较小时，地基沉降较大，随着桩体强度增加，沉降减小，但减小速率逐渐降低，单纯依靠提高桩体强度来减小沉降不切实际。闫明礼等通过现场静载试验对CFG桩复合地基承载性能进行了研究6，研究发现，桩体强度的提高有助于地基承载力的提高，但当桩体强度大于某一数值时，提高桩体强度等级对复合地基承载力没有影响，所以进行复合地基设计时，不必将桩体强度等级取过高，一般取桩顶应力的3倍即可。目前用于高层建筑地基加固的CFG桩，桩身强度等级一般在C15一C30之间，一般城市基础设施构筑物地基加固桩体强度等级多为C5、C10。1.1.3褥垫层褥垫层作为CFG 桩复合地基的核心组成部分，其不仅保证桩、土能够共同承担荷载，还能调整桩、土间荷载的分配，减少基础底面应力集中。大量的试验研究证明褥垫层厚度、刚度的变化对CFG桩复合地基沉降及承载性能影响十分显著。褥垫层厚度过小，桩土应力较大，桩间土的承载能力无法充分发挥，要达到设计要求承载力，势必要增加桩的长度或数量，造成经济浪费，不利于优化设计；随着其厚度的增加，桩土应力比逐渐下降，趋向于1，此时，桩承担的荷载太少，仅体现出置换作用，桩的设置也就失去了意义，一般褥垫层厚度宜取100300mm。褥垫层模量增大，使得地表变形受到约束，从而桩分担的荷载较大，而桩间土分担的荷载较小，桩土应力比变大，沉降随之减小，所以褥垫层模量的降低可有效缓解褥垫层底面应力集中，但当褥垫层模量达到某一值时，这种调节作用逐渐减弱5、7。2CFG桩复合地基沉降计算方法研究现状目前，复合地基变形计算广泛采用的是建筑地基处理技术规范中的半理论、半经验方法，计算时，复合土层分层与天然地基相同，各复合土层压缩模量为该层天然地基压缩模量的倍，加固区及下卧层土体应力分布采用均质线性变形体理论，地基最终沉降量如式（1）所示：S=Si=1np0Esi(ziai-zi-1ai-1) Esi=Esi =fspkfak （1）式中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；fak为基础底面下天然地基承载力特征值（kPa）；s为沉降计算经验系数，各类土层取值见表1；其他参数同现行建筑地基基础设计规范第5.3.5条规定。表1 沉降计算经验系数sEs(MPa)4.07.015.020.035.0s1.00.70.40.250.2注：Es为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，如公式（2）所示： Es=i=1nAi+j=1mAji=1nAiEspi+j=1mAjEsj （2）式中：Ai、Aj分别为加固土层第i、j层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。此外，随着对CFG桩复合地基沉降计算研究的进展，大量沉降监测数据显示，桩复合地基的实际沉降值远小于规范计算所得沉降值。因此，不少学者提出了一些改进计算方法。张钦喜在现行规范计算方法基础上，考虑桩侧摩阻力及桩端土的性质，提出了一种实用简化计算方法8；潘旭亮依据34个楼座CFG桩复合地基实测沉降数据进行反演分析9，对规范所采用复合区压缩模量进行了修正，然后结合规范理论计算方法，提出一种新的CFG 桩复合地基沉降计算方法，使经验公式更贴合工程实际；赵幸将桩体视为半刚性材料，在前人的理论及试验研究基础上，考虑桩、土、褥垫层的相互协同作用，推导出新的地基沉降计算公式2；陈晋中将太原地区9个CFG桩复合地基工程实测沉降数据与规范计算值进行对比，反算出太原地区不同条件下的沉降经验系数4，有着重要的工程实用价值。 3CFG桩复合地基承载力研究现状 一般情况CFG桩复合地基承载力可按规范公式进行估算，对大型工程或者特别重要的工程需进行试桩，通过载荷试验确定其地基承载力。 同样，随着对CFG桩复合地基研究的进展，大量工程实际表明：规范中取值偏于保守不够经济，为此不少学者提出了一些改进方法。范伟霞等依据不同施工工艺实测资料对建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）中CFG桩复合地基承载力公式进行反算，得出了不同施工工艺下的参考值11。佟建兴12等人认为在初步设计阶段可按照建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）中公式进行地基承载力估算，但要合理的选择RA、fsk、取值，其次建议对于P-S曲线为平缓光滑的缓变型曲线，可通过Pmax/2及相对变形值两个控制条件，来确定复合地基承载力特征值。 陈昌仁等人在建筑地基处理技术规范规范承载力计算公式的基础上，考虑边载对复合地基承载力的影响，引入桩间土强度提高系数和边载修正系数，对经验公式进行了修正，使计算结果更加合理，修正公式如式（3）所示13:fspk=mRkAp+(1-m)fsk （3） 式中：为桩间土强度提高系数；为边载修正系数，建议取=1.01.2；其他参数同现行建筑地基处理技术规范第7.1.5条规定。该公式与静载荷试验数据结果相比仍存在一定差异，主要原因如下：试验桩数远小于计算桩的数量；土层厚度分布不均导致的单一取值无法完全适用于地基中所有桩；不能完全反映开挖放坡引起的边载分布不均现象。4发展方向目前理论研究仍不能满足工程实践的需要，地基承载力、沉降变形计算仍存在不足，计算值与实测值差距较大；CFG桩复合地基在岩溶等复杂地质条件下受力特性仍不明确；CFG桩复合地基在地震荷载和动力荷载作用下复合地基、上部结构、筏板基础三者共同作用工作机理仍不清晰；CFG桩与其他桩型相组合的多桩型复合地基的静力特性、动力特性认识不足。因此，对于CFG桩复合地基研究还可以从以下几方面展开：（1）进一步加强CFG桩复合地基作用机理研究，力争提出更切实有效计算方法；（2）加强地震、冲击等动力荷载下CFG桩复合地基受力性能研究；（3）加强复杂地质条件下CFG桩复合地基受力性能研究；（4）加强CFG桩与其他桩组合复合地基受力特性研究，提出切合实际计算公式。5结束语 综上所述，通过大量室内模型试验、现场静载荷试验、有限元数值模拟及大量工程实践，对CFG桩复合地基在砂土、粉土、粘性土中作用机制、受力特性等有了进一步了解，但研究仍存在着一些不足之处，期待能与同行共同推进深入研究。参考文献1贾剑青,王宏图,李晶,等. CFG桩复合地基承载力分析J. 重庆大学学报,2011,34（09）:117-1202赵幸,赵德富,赵其华,等. CFG桩复合地基沉降量计算及沉降影响因素探析J. 工业建筑,2013,43（S1）:476-4793陈涛,张聪. CFG桩复合地基各因素对沉降影响的数值模拟研究J. 工业建筑,2009,39（S1）:692-6954陈晋中,白晓红,葛忻声,等. CFG桩复合地基沉降分析J. 太原理工大学学报,2010,41（04）:395-3975丁铭绩. 高速铁路CFG桩桩板复合地基工后沉降数值模拟J. 中国铁道科学,2008,29（03）:1-66闫明礼. CFG桩复合地基技术及工程实践M. 中国水利水电出版社.20017韩云山,白晓红,梁仁旺. 垫层对CFG桩复合地基承载力评价的影响研究J. 岩石力学与工程学报,2004,23（20）:3498-35038张钦喜,潘旭亮,陈鹏,等. CFG桩复合地基沉降计算方法J. 北京工业大学学报,2012,38（6）:835-8399潘旭亮,张钦喜,杜修力,等. 基于实测数据CFG桩复合地基沉降计算方法改进J. 建筑结构,2011,41（S2）:366-36910 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ/79201