中心受压独立基础下CFG桩复合地基设计.doc

中心受压独立基础下CFG桩复合地基设计雷晓雨1，闫雪峰2，谢立安3，孙连成4（1天津大学建筑工程学院，天津 300072；2中国建筑技术集团有限公司，北京 100013 ；3中国远大集团公司，北京100101；4中铁二十二局集团第二工程有限公司，北京100043）【摘要】 通过具体算例，介绍了轴心荷载作用下独立基础CFG桩复合地基常规设计方法，讨论了常规等承载力设计法的不足，并给出了根据天然地基承载力、单桩承载力优选桩数和基础面积新的设计方法（称之为非等承载力设计方法）。【关键词】复合地基；CFG桩；非等承载力；中心受压 Design of CFG-pile composite foundation under isolated foundation bearing centric compressionLEI Xiao-yu1 YAN Xue-feng2 Xie Li-an3 Sun Lian-cheng4(1. College Of Civil Engineering , Tianjin University ,Tianjin 300072； 2.China BuildingTechnique Group Co.Led, Beijing 100013；3. Chinagrandinc Group Co.Led. Beijing 100101；4. China Railway 22ND Construction Bureau 3rd Engineering Co.,Ltd. , Beijing 100043)Abstract: Through the examples,this paper introduces the traditional design methods of CFG-pile composite foundation under isolated foundation bearing centric compression , discusses the disadvantage of the traditional design methods , and gives optimum design method (called the unequal bearing capacity design method) of priorly choosing the pile number and foundation area according to the natural foundation bearing capacity and single pile bearing capacity. Key words: composite foundation; CFG（Cement Fly-ash Grave）pile; unequal bearing capacity; centric compression 0 前言在遇到独立基础下CFG桩复合地基设计时，通常设定地基处理后每个基础下的复合地基承载力为同一数值，然后根据荷载和加固后的地基承载力确定基础面积，这种方法称为等承载力的设计方法。当柱荷载、柱间距变化不大时，这种复合地基设计是可行的。若相邻独立基础荷载水平相差很大时，将地基都加固到同一承载力，可能会出现如下问题：由于复合地基承载力相同，复合地基的复合模量相同，荷载大的基础选用的面积大，地基变形影响深度较深，基础沉降量大；荷载小的基础选用的面积小，地基变形影响深度较浅，基础沉降量小。因此相邻基础沉降差容易超出规范要求的限值。既然复合地基是人工地基，则可以通过人为调整设计参数使每个独立基础下CFG桩复合地基承载力不等，即对荷载小的基础下的地基，通过增大桩距或减小桩长，使处理后复合地基承载力小一些，复合地基的模量相对较小；对荷载大的基础下的地基，通过减小桩距或增大桩长，使处理后复合地基承载力大一些，复合地基的模量相对较大。也就是基础荷载大，地基刚度大；基础荷载小，地基刚度小。采用变刚度调平设计理念，使整个建筑物下每个独立基础的变形相差很小，相邻基础沉降差很容易控制在规范允许的范围之内。称这种设计为非等承载力的设计方法。下面通过具体算例，进一步比较这两种设计方法的区别，以期更加合理地进行独立基础下CFG桩复合地基设计。文中只介绍基础受轴心荷载作用的情况，偏心荷载下复合地基设计将另文讨论。1 复合地基等承载力设计方法如图1所示，天然地基承载力特征值fak=140kPa，要求加固后复合地基承载力特征值fspk=300kPa，基础J1：Fk=3600kN，基础J2：Fk=800kN，柱距6m，设计要求柱间沉降差0.0025。图1 荷载水平相差较大、桩端持力层较厚的两相邻柱独立基础示意（1）基础J1下复合地基设计1）确定复合地基承载力特征值fspk设计有效桩长8m，桩径d=0.4m，桩距S1.2m，面积置换率m=0.087，计算单桩竖向承载力特征值Ra1： （1）式中：qpa，qsia分别为桩端端阻力、桩侧摩阻力特征值；Ap为桩底端横截面面积；up为桩周长；li为第i层岩土的厚度。经计算： 取得： （2）式中为桩间土承载力折减系数，此处取0.95。将各量代入上式得。2）按下式确定修正后复合地基承载力特征值： （3）式中为基底以上土的加权平均重度。计算得。3）按下式2确定基础J1面积A： （4）式中：Fk为上部结构传至基础的荷载，对J1为3600kN，对J2为800kN；Gk为基础和基础以上的土重。将各量代入上式：，得，则。布桩数n9。4）验算地基承载力：，承载力满足设计要求。5）根据地基处理规范39.2.8计算复合地基变形，计算变形为：。（2）基础J2下复合地基设计 按上述步骤计算得到修正后复合地基承载力，确定J2基础面积A3.24m2，则。布桩数n4。验算地基承载力，满足设计要求。经计算复合地基变形为：。（3）J1，J2沉降差计算 经计算，J1，J2柱间沉降差为：0.00430.0025，不满足设计要求。（4）加大J1基础面积 将基础J1的面积从12.6m2增加到30m2，布桩数n21，则基底压力pk减小为160kPa，复合地基变形S1=29.49mm。则J1，J2沉降差为：0.00150.0025，满足设计要求。2 复合地基非等承载力设计方法非等承载力设计方法是指地基处理后每个基础下的复合地基承载力可以不相同，根据荷载水平和地基土性状，又可分为变承载力和变承载力同时变基础面积两种情况。2.1 变承载力当桩端持力层较厚时，宜通过增加桩长来提高复合地基承载力；当桩端持力层较薄时，宜通过减小桩距来提高复合地基承载力。以图1所示桩端持力层较厚的情况为例说明。（1）基础J1下复合地基设计增加桩长至12.5m，桩距1.2m，桩径d=0.4m。按照前述步骤计算得，则。基础面积A=3.553.55=12.6m2，布桩数n9，pk=325kPa，复合地基变形S1=19.59mm。（2）基础J2下复合地基设计与第1节中相同。故两相邻柱间沉降差为0.000170.0025，不满足设计要求。（4）增大J1基础面积因为桩距1.2m已是最小桩距（3d），不能再减小，只有通过加大J1基础面积来提高复合地基承载力。取A=30m2，则pk=227kPa, 复合地基变形S1=29.96mm。计算得柱间沉降差0.0020.0025，满足设计要求。3 等承载力设计可能发生的问题复合地基等承载力设计首先确定承载力特征值fspk，可能发生如下问题：（1）承载力要求不合理可能导致布桩有困难。如图2所示，桩端持力层较薄，桩长L较小，单桩承载力低，要求的复合地基承载力较大时，桩距小于3d才能满足设计要求。或桩长L较大，单桩承载力高，要求的复合地基承载力较小时，桩距大于5d承载力还有富裕，如按不大于5d布桩则不经济。（2）先确定基础面积再计算桩数，有时布桩不经济，比如：按照先确定基础面积再计算桩数的方法，当计算得桩数n=3时，按照施工要求需取桩数n=4；当桩数n=7时，取n=8；当桩数n=11时，取n=12造成布桩不经济，固考虑采用先确定桩数后根据桩数确定基础面积的方法。4 根据天然地基承载力、单桩承载力优选桩数和基础面积的设计方法该方法的要点是：在满足地基承载力的前提下，先确定桩数，根据桩数确定基础面积。以图1为例，对于中心受荷的独立基础，由式（2），（3）得： （5）将式（4）两边同乘以基础面积A，即为集中力表示的平衡方程：将式（5）代入上式得： 将置换率代入上式得：（6）式中：Fk为上部结构传至基础的荷载（KN）（标准值）；Gk为基础和基础以上的土重（KN），其中A为用正方形表示的基础面积（m2），也可称为等效面积，e为基础和土的加权平均重度（KN/m3），地下水以下取有效重度；n为桩数；Ra为单桩承载力特征值（KN）；Ap为一根桩的断面面积（m2）；m为基底以上土的加权平均重度（KN/m3）；D为基础埋深（m）；为桩间土承载力发挥系数 ,可按地区经验取值 ，无经验时可取=0.750.95。当桩径d、桩长L确定后，Ap，Ra为已知，Gk与A有关、其余均为已知值。由式（6）可得：式中：A为用正方形表示的基础面积/m2；e为基础和土的平均重度/kN/m3。给定一系列n，求一系列A；根据建筑地基处理技术规范（JGJ792002），CFG桩复合地基桩距S应符合3dS5d的规定，且等效平均桩距，可求得有限个n和A。例如：对于fak100 kPa，D2m，Fk3600kN，Ra300kN的情况，求得满足3dS5d的桩数和基础面积见表2。根据表2选桩数n=9，基础面积A=16m2。由于先确定桩数，后确定基础面积，避免了等承载力设计方法布桩可能不经济的情况发生。 计算结果 表2桩数n78910基础面积A/m24201612平均桩距S/m1.851.581.331.10fapk/kPa20.1720.5021.0021.83距径比4.633.953.332.745 结论（1）常规等承载力设计法将每个独立基础下的地基加固到相等的承载力，然后确定基础面积，再确定桩数布桩，有时因要求的加固后复合地基承载力不尽合理，可能导致布桩困难或不经济；特别是遇有两相邻柱荷载水平相差较大时，控制柱间沉降差难度加大。（2）非等承载力设计方法，柱荷载大的复合地基采用高承载力，柱荷载小的采用低承载力，可以很容易地将柱间沉降差控制在规范的限值之内。并且柱荷载