CFG桩复合地基中褥垫层作用的分析与研究

摘要：分析了褥垫层在CFG桩复合地基中的主要作用,并研究了垫层厚度和垫层材料对复合地基作用原理的主要影响。

关键词：CFG桩；复合地基；褥垫层

中图分类号：TU47文献标识码： A

0引言

CFG桩桩体材料是由碎石、粉煤灰、石屑、水泥和水按一定配合比搅拌而成, 其桩体刚度介于碎石桩和混凝土灌注桩之间，CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和褥垫层构成，在外部荷载作用下, 它们之间相互协调、共同作用，共同承担荷载。

1褥垫层的作用

1.1保证桩、同作用

当在基础下设置一定厚度的褥垫层时, 基础承受荷载后,桩可以向上刺入, 伴随这一变化过程,褥垫层材料不断调整补充到桩间土上, 桩间土表面的沉降变形大于桩顶的沉降变形, 两者的差值为桩向上的刺入量Δs, 此时的桩顶所承担的荷载减少了Δp, 而桩间土所承担的荷载增加了Δp, 也就是说有Δp 的荷载从桩上转移到了桩间土中, 从而较好的发挥了桩间土的承载力。若不设褥垫层, 则基础直接与桩和土接触, 当桩端位于竖硬土层时, 基础承受荷载后, 桩顶沉降变形很小, 绝大部分荷载由桩承担, 桩间土承载力很难发挥, 在垂直荷载作用下承载特性和桩基相似，基础或桩体容易发生脆性破坏，影响工程安全。

1.2刺入作用

如前所述，由于垫层的存在，使桩体产生向上刺入变形, 因此在桩体上端存在负摩阻区。桩体刚度越大, 负摩阻区越长。负摩阻区的存在又使桩身最大轴力不在桩顶, 桩体模量越大, 垫层越厚, 最大应力点越深。如图1所示。 当L=L0时, 桩与土的变形相等；当L < L0 时(表层)，土的变形大于桩的变形, 桩相对土发生向上刺入变形(最大值在桩间土的表面) , 此时土对桩的作用为负摩擦；当L> L0 时, 则桩的变形大于土的变形, 即桩发生向下的刺入变形(最大刺入变形发生在桩端处) , 此时土对桩的作用为正摩擦, 方向向上。对给定的桩长，Ⅰ区范围越大，桩的承载

图1复合地基中桩刺入变形示意图力发挥越不利，但由于桩分担荷载和桩身最大应力均显著减小, 桩的整体承载能力反而提高。

1.3改善基础底板的受力状态

由于CFG桩属于半刚性、刚性桩, 当不设褥垫层时,桩对基础的应力集中很明显, 这时就需要考虑桩对基础的冲切破坏。因而在进行基础设计时就需按照桩基设计的要求进行抗冲切强度验算, 必须增加基础的厚度和配筋, 势必增加造价。另外当桩体刚度不够时,可能导致桩头的压碎。当设置褥垫层厚度在10 ～30cm时, 桩对基础底板的应力集中明显减小; 当厚度超过30 cm后, 就可以将基础视为天然地基, 这时可不考虑冲切破坏，同时避免桩头被压碎的危险。

1.4减少桩体承受的水平荷载

由于CFG桩复合地基中桩体一般不配构造筋, 所以它抵抗水平荷载的能力比一般加筋刚性桩要低许多，因此设计人员进行设计时要考虑桩在水平荷载下会不会发生断裂, 会不会影响建筑物的正常使用。当褥垫层的厚度H= 0时, 水平传力方式为接触传力, 基底水平荷载几乎全部由桩承担; 而当基础与CFG桩之间铺设了褥垫层后, 由于褥垫的作用, 桩身与基础之间没有连接, 水平传力方式改为摩擦传力。极限状态下的关系式为:

Q = Qp +QS QS =μ・PS

式中:μ―基础和土之间的摩擦系数, 一般取0125 ～0145；

PS ―桩间土承担的竖向荷载;

Qp ―桩分担的水平荷载;

QS ―桩间土分担的水平荷载。

当不设褥垫层时, PS 较小, 此时水平荷载主要由桩来分担, Qp很大。当设计了褥垫层,桩体本身与基础之间就没有了连接,基础水平荷载作用力则由基础对面土抗力、侧面摩阻

力及基底系数摩擦力来平衡,使得基础水平荷载传到桩上减少, 水平位移减小, 水平荷载主要由桩间土承担。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。另外, 数值分析表明：垫层的存在使群桩复合地基边角处桩顶荷载大幅度减小, 这对避免边角处桩体首先破坏起到很大的作用, 使复合地基能够更充分发挥起承载能力。

2垫层模量的影响

要保持基础与桩间土接触, 保证桩同作用, 桩体必须有上、下刺入量。刺入变形的大小与桩、土、垫层模量及桩径等有关。模量小的垫层层间流动性较大, 为桩向上刺入提供了充分的条件。垫层模量越低, 越能减缓桩的应力集中程度, 对桩土荷载的分担能起到良好的调节作用（见图2）。另外, 垫层模量对桩侧摩阻力也有影响, 它主要集中在浅部, 随模量的降低, 浅部的负摩阻力将有所加大。

3垫层厚度的影响

垫层厚度对桩顶荷载分配的影响也比较大, 同样对桩土荷载分配具有良好的调节能力。垫层厚度与桩土应力比的变化曲线(见图3) 表明, 桩土应力比在褥垫层厚度的调整下逐渐降低变化, 呈凸形曲线。褥垫层厚度较小时,桩土应力比减小趋势较缓, 随着厚度的增加, 减小趋势增大, 表明在褥垫层合理厚度范围内, 褥垫层调整桩土应力比的作用是明显的。褥垫层的厚度直接影响桩土荷载的分担比。若厚度过小, 桩间土的承载力无法发挥, 要达到设计要求的承载力, 必然增加桩的数量或长度, 造成经济上的浪费。若厚度过大, 其调整桩土荷载分配的能力并没有增大很多, 相反, 从经济的角度看, 过厚的褥垫层也会造没有成不必要的浪费。另外, 此时复合地基中桩的设置也已失去了意义。

4结论

CFG桩复合地基中褥垫层的设置对于减少承台底面的应力集中, 调整桩土荷载的分担比例, 从而保证桩土承担荷载起着明显的效用, 是保证CFG桩桩体与桩间土形成复合地基的一项重要措施。由于垫层的设置, 改变了基础下桩及桩间土的受力模式, 使复合地基荷载传递及承载特性复杂化, 同时现场条件又是复杂多变的, 所以传统的研究方法难以对其进行深入的研究, 褥垫层的设计还只是构造设计, 理论依据尚不足。

参考文献：

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作者简介：杨罗沙（1987~），男，河南洛阳人，从事结构工程设计与研究