站场路基CFG桩复合地基变桩长优化设计

摘要：高速铁路不仅要求路基具有较高的强度，而且对沉降的控制也提出更高的要求。桩复合地基作为一种处理深厚软土地基的方法，可以有效的控制路基工后沉降，节约成本。

关键词：cfg桩复合地基，变桩长，优化设计

1 前言

目前，以桩为代表的复合地基已被广泛应用于工程中。采用变桩长桩复合地基处理在条形荷载作用下的高速铁路路基工程，是一种有良好应用前景的新基础形式。

2 CFG桩复合地基设计

2.1 CFG桩复合地基设计理论

工程设计中需要同时满足承载力要求以及地基变形的要求，因此CFG桩复合地基设计理论是按沉降控制设计理论按变形控制设计则是先按变形控制要求进行设计，然后验算地基承载力是否满足要求。在地基变形满足要求的条件下，承载力一般情况下大部分能满足如承载力不能满足要求，适当增加复合地基置换率或增长桩体长度，使承载力满足要求即可。对采用复合地基的建筑物来说，对应于一种确定的桩型，必然有一条桩的数量和建筑物基础的沉降量S的关系曲线 。利用曲线，对于不同的沉降量控制值，都可直接确定相应的桩数。桩数与沉降关系实际上也表示出了工程投资与沉降量的关系。减小沉降必须增加工程投资，于是按变形控制设计可以更好地控制基础工程的投资，达到既安全又经济的。

2.2 CFG桩复合地基参数确定

CFG桩属于高粘结强度桩，和褥垫层一起形成复合地基。通过调整桩长，桩距和褥垫层厚度，既可以较好地满足承载力要求，也较容易调整天然地基和复合地基之间的差异沉降。设计时必须明确地基处理是为了解决地基承载力问题还是变形问题，针对不同的问题，解决方式均不相同。1. 桩长CFG桩复合地基要求桩端落在好的土层上，这是桩复合地基设计的一个重要原则。另外，由于桩具有一定的粘结强度，在荷载作用下不会像碎石桩出现剪涨破坏，可像其他刚性桩一样发挥侧摩阻力，落在较好持力层上又具有明显端承力。对于地基承载力较高荷载又不是很大的情况，可以适当调整桩长，将桩长设计得短些，反之可将桩长适当加长。2.桩径CFG桩桩径的确定去取决于所采用的成桩设备，d一般取350—600mm。若桩径过小，施工质量不易控制桩径过大，需要加大褥垫层厚度才能保证桩同承担上部结构传递荷载。3.桩间距桩距的合理性在于桩、桩间土承载力能否很好地发挥，施工时新打桩对已打桩是否产生不良影响，经济上是否合理。一般桩间距s=3-5(d)，桩距的大小取决于设计要求的复合地基承载力和变形量、土性和施工机具，所以选用桩距时需考虑承载力的提高幅度应满足设计要求、施工方式、场地地质条件和造价等因素。试验表明，其他条件相同时，桩距越小，复合地基承载力越大当桩距小于4倍桩径后，随桩距的减小，复合地基承载力的增长率明显下降。从桩、土作用的发挥考虑，以桩距大于4倍桩径为宜。4.桩体强度原则上桩体配比按桩体强度控制，桩体试块抗压强度应满足下式要求: 式中 — 混凝土合料试块(边长150mm立方体) 标准养护28d立方体抗压强度平均值;— 单桩竖向承载力标准值，KN； — 桩的截面积， 。5.桩帽由于顶部为柔性的褥垫层，桩顶有明显的刺入，桩帽的存在可显著的减小桩顶刺入量的大小。路堤下刚性桩复合地基中，宜采用大桩帽，大间距的设计方法。

3 CFG桩复合地基桩长的优化设计

3.1优化设计的基本概念

从广义的角度看，优化设计方法主要有三种类型：第一就是事先确定不同的方案，然后在此基础上进行方案优选。在实际设计过程中，进行不同方案之间的比较。第二是采用建立在工程概念上的优化设计方法，比如准则法，这种优化方法在分析架等杆件设计中应用比较广。第三是采用建立在数学规划基础上的优化设计方法，目前己有部分研究人员开始采用这种方法对复合地基进行优化设计。CFG桩复合地基的设计优化包括复合地基形式的合理选用、复合地基换率、加固深度及桩体强度选择等的合理组合及选用。进行优化设计时，首先要明确采用复合地基的目的，采用CFG桩复合主要是解决地基承载力不足，还是解决地基变形，或者说基础沉降量过大是两者兼而有之。对上述不同目的，复合地基优化设计的思路是不同的。对CFG桩来说，桩的承载力主要取决于桩侧摩擦力和桩端摩阻力之和及桩身强度的大小。因此增加桩长可有效提高桩的承载力。在设计中首先应充分利用天然地基的承载力，然后通过协调提高桩体承载力和增大置换率来达到既满足承载力要求，又比较经济的目的。对复合地基主要用于减小地基变形时，复合地基优化设计就更为重要，根据复合地基的位移场特性可知，复合地基加固区的存在使附加应力的高应力向下伸展，附加应力影响深度加深。当软弱下卧层较厚时，下卧层土体压缩复合地基总沉降比例很大。因此，有效减小复合地基变形的最有效的方法是减少软弱下卧层土体的压缩量。减少软弱下卧层压缩量的方法最有效的方法是增加复合地基的加固深度，减少软弱下卧层的厚度。增加复合地基置换率和增加刚度可以使复合地基加固区的压缩变形量进一步减小，但因其本身压缩量小，进一步减小的潜力不大。而且上述两项措施不仅不能减小下卧层土体压缩量，还有可能因为下卧层土体中附加应力值的增大，使得下卧层的压缩大。

3.2优化设计思路

目前的桩基设计方法，包括设计规范，是建立在满足承载力的基础上的。近年来国内外的许多研究表明，对于群桩基础，从控制沉降角度而设计的桩数按变形控制设计要比按目前常规设计法承载力控制设计的桩数少。在我国，变形控制理论在软土地区的另一方面应用是在软土基坑支护结构的设计中，其基本的思想是基坑的支护结构在满足强度的前提条件下，尚需满足其使用要求，即在基坑施工过程中既要保证其安全、不失稳，又要保证其对周围环境不造成破坏性影响。综上，复合地基按变形控制设计可以按下述设计思路进行。在不改变桩间距及桩径的前提下，只改变桩长来调节路堤荷载作用下的沉降。第一步先确定桩端持力层、桩型、和单桩承力第二步假定基础底面尺寸第三步计算基础沉降与桩数的关系曲线，第四步验算整体强度。根据第三、四步的计算结果再返回到第一、二步进行修正进行第三、第四步的计算。如此循环，以求得相对经济合理的设计。在计算过程中，根据计算公式进行验算，计算时关键的是复合地基的变形计算，只有掌握一定数量的同类型工程在同一条件下复合地基的沉降观测资料，并经过统计对比、分析，取得当地的经正系数。只有用这种半经验的方法才能得到符合当地实际的沉降量与桩数关系曲线。

3.3优化设计参数

1.桩间土桩间土性质对复合地基沉降的影响较大。随着浅层土体模量的增加，复合地基沉降减小，下卧土层土体模量增加，复合地基沉降减小。下卧层土体的变形模量越高，桩越难发生刺入变形，下卧层土体自身的变形越小，从而使复合地基的整体沉降减小。因此根据实际土层确定桩长是至关重要的一步。对于宽大路基，宽度越大越难保证土层完全水平，设计时不仅需要根据宽度对沉降的影响设计桩长，还应充分考虑不同土层模量的因素，尽量使桩端落在较好的土层上。

2.垫层厚度褥垫层是复合地基的重要组成部分，合理的垫层厚度不仅能充分发挥桩间土的承载力，还有助于减小地基面由桩与土不同沉降引起的沉降差。

3.桩帽尺寸对于软土较厚、性质较差的路段，即使设置刚性垫层，仍不能彻底解决桩顶平面较大差异沉降的问题。所以需要在桩顶部设置桩帽，桩帽的作用是将桩承担更大的上覆荷载，减小作用在桩间土上的荷载，从而有效的减小地基沉降，并减小地基面的桩土沉降差，因此，设计时可通过带桩帽，适当增加桩间距的方法，充分利用桩土的共同作用，来达到控制地基沉降，降低工程造价的目的。

4参考文献

[1]阎明礼等,CFG桩复合地基在工程中的应用[R],北京:中国建筑科学研究院,1992

[2]杨军等,褥垫层在复合地基中的应用[J],建筑科学,1993