CFG土桩复合地基设计及应用分析

摘要：本文围绕cfg土桩复合地基，对褥垫层的加固作用、复合地基的受力特性及长短桩复合地基设计及应用做了论述和分析。

关键词：CFG土桩；复合地基；设计应用

Abstract: This paper focuses on the CFG pile composite foundation cushion reinforcement composite foundation by the force characteristics and short-pile composite foundation design and application discussed.Key words: CFG soil pile; composite foundation; design applications

中图分类号: [TU973+.35] 文章标识码:A文章编号:

一、褥垫层的加固作用

调整桩和桩间土的荷载分担比

(1)调整桩和桩间土垂直荷载分担比

桩、土应力比 ；桩、土荷载分担比；面积置换率

用桩土应力比表示的任一荷载时的力平衡方程为：

CFG桩复合地基中桩土应力比多数在10～40之间变化，在较软的土中有的可达100左右，桩承担的荷载占总荷载的百分比一般在40%~70%。需要特别注意的是，对碎石桩，一般在2～4之间变化，如通过增加桩长来提高桩土应力比是很困难的[1]。但CFG就不同了，它具有刚性桩的受力传递特征，因此CFG桩复合地基桩土应力比亦具有很大的可调性，当桩的其他参数(桩径、桩距等)不变时，减小桩长可减小单桩承载力，桩土应力比亦降低；同样，增加桩长可使桩土应力比提高。

当其他参数(桩长、桩径、桩距等)相同时，增加褥垫层厚度可以使桩土应力比减小，减小褥垫层厚度可以使桩土应力比增大，褥垫层厚度越大，桩土所承担的荷载越趋均匀，桩土应力比越接近于1。 (2)调整桩和桩间土水平荷载分担

CFG桩主要是用来传递垂直荷载的，CFG桩能否承担水平荷载，在水平荷载作用下会不会发生桩身断裂，会不会影响建筑物的正常使用，这经常是设计人员所关心的一个重要问题。下图1是桩土剪应力示意图。

图1桩土剪应力示意图

图2 不同褥垫层厚度H时的Q～UP曲线

注：荷载板均为0.525m X 0.525m.

复合地基水平载荷试验资料表明，褥垫层厚度越大，桩顶水平位移越小，即桩顶所承受的水平荷载越小[2]。大量的工程实践和室内外的试验结果表明，只要褥垫层厚度不小于10cm，桩体就不会发生水平折断，桩在复合地基的应就不会失去工作能力。

减小桩顶对基础底面应力集中

当褥垫层厚度H=0时，CFG桩对基础的应力集中和钢筋混凝土桩对承台或桩上基础的应力集中现象类似，需要考虑桩对基础的冲切破坏。但当H≠0并大到一定程度时，基底压力即为天然地基的分布压力。一般情况下，桩顶对应的基础底面测得的反力为σRP，与桩间土对应的基础底面测得的反力σRS之比用β表示， β值与褥垫层的关系：当褥垫层>10cm时，桩对基础底面的应力集中现象已显著减弱；当H值等于30cm时， β值已经很小。

二、复合地基设计思想

用于承受垂直荷载时，CFG桩复合地基通过褥垫层把桩和基础隔开，更好地发挥了桩间土的承载力。由于桩的置换率较少，设计时首先是将土的承载能力充分利用，不足的部分由CFG桩来承担 ，总的荷载扣除桩间土承担的荷载，就是CFG桩应承担的荷载。

当基础承受水平荷载Q时，有三部分力与Q平衡，一是基础底面摩阻力Ft；二是基础两侧面摩阻力F1；三是基础侧面与Q相反的土阻力R。设计时应考虑充分发挥这三部分力，同时通过改变褥垫层厚度调整桩土水平荷载分担比。

三、复合地基受力特性

1．桩土荷载的分担作用

δp 、δs通常与荷载P的大小、土的性质、桩长、桩距以及褥垫层的厚度有关。如下图3所示。

图3桩土荷载分担比随荷载的变化

注：荷载板为1.575mX1.575m；桩径d=16cm；桩距=3.5m。

2．桩传递轴向力的特征

桩基中桩与承台刚性连接，在正常情况下，受垂直荷载后桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以及承台的沉降都相等。桩顶以下桩各部位的位移都大于相应部位土的位移，桩侧土体对桩产生与桩位移相反方向的侧阻力，即正摩擦力。桩的最大轴力发生在桩的顶部。GFG桩复合地基则不同，任一荷载下桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以及基础的沉降均不相同，如图4所示。

图4 桩土及基础P-S曲线

在某一深度Z0范围内，土的位移大于桩的位移见图5。土对桩产生的摩擦力方向是与桩沉降方向一致的，即所谓的负摩擦力，参看图6。Z0处桩的位移和土的位移相等，该断面所处位置为中性点。当Z＞Z0时，桩的位移大于土的位移，土对桩产生的是正摩阻力。

图5桩土位移示意图

图6桩的轴力随深度的变化示意图

在中性点以上，桩的轴向应力随深度增加而增大，中性点以下桩的轴向应力随深度的增加而减小。桩的最大轴向应力就在中性点处。需要着重指出的是，由于褥垫层的设置，无论桩端落在软土层还是硬土层，从加荷一开始桩就存在一个负摩擦区。桩基中某些特殊情况下，比如桩穿越欠固结土层或由于土性的变化，也可以引起土对桩的负摩擦作用。对桩基，负摩擦对桩的承载能力产生不利的影响。而CFG桩复合地基，土对桩的负摩擦作用对复合地基并非有害，它对提高桩间土的承载力，减少复合土层的沉降变形起着有益的作用。

3.桩间土应力分布

刚性基础下桩间土上应力分布如图7。在基础边缘应力较大，在基础中间部分比较小。如按图15把桩间土的应力分为内区，用σs1表示外区的平均应力， σs2表示内区的平均应力， σs1 /σs2多在1.25～1.45之间变化。

图7刚性基础下桩间土应力分布

四、长短桩复合地基设计及应用

在一定条件下，也可采用长桩与短桩相合的方法对地基进行综合处理，分别发挥其各自特点，在确保地基处理效果的前提下，达到方案合理，节约投资，缩短工期的目的。长短桩复合地基中，长桩与短桩平均布置，一排长桩一排短桩，通过长桩提高地基承载力，也可将荷载通过桩身向地基深处传送，减少压缩层变形。因此桩体强度要求较高，均采用刚性桩，设置短桩的目的主要是提高地基承载力。采用长短桩组合的刚性桩复合地基，长短桩分别落在下层、上层两层桩端持力层的特点，利用短桩提高复合地基承载力，通过长桩减少变形，在满足设计要求的同时减少地基处理的工作量和工程造价。 长短桩复合地基的承载力和变形计算可分别按长桩或短桩的复合地基承载力，然后视短桩复合地基承载力为长桩复合地基的桩间土，计算长短桩复合地基的承载力，再进行变形计算[3]。复合地基变形计算采用复合模量法，计算时采用的复合土层除与天然地基相同外，短桩桩端位置、长桩桩端位置也作为复合土层的分层边界。

长短桩复合地基设计以复合地基承载力和变形计算为主要依据，并考虑以下各种因素进行综合分析，合理计算。首先根据工程勘察报告，采用什么类型的施工设备，然后根据地质报告确定持力层及桩长，确定长短桩径和间距，再确定桩体强度。1）设计时应考虑采用何种设备和工艺进行施工，选用设备穿透土层能力和最大施工桩长能否满足设计要求，施工时对桩间土产生的影响是否会造成相邻桩出现质量问题，选用设备当地是否有。2）场地周围坏境情况。当场地离居民区较近，或场地周围有精密设备车间和试验室以及对振动比较敏感的设备时，施工不宜选择振动较大的设备，宜选无振动低噪音的长螺旋钻施工工艺等。3）建筑物结构布置及荷载传递是复合地基设计必须考虑的问题。建筑物是单体还是群体建筑：体型是简单还是复杂；结构布置是均匀还是存在偏心荷载；主体建筑周围是否存在地下车库之类的大开间结构等等。

参考文献：

[1] 陈长伟.驻马店某场区CFG桩与静压管桩的对比研究[D].中国海洋大学,2008.

[2] 陈健.带褥垫层刚性桩复合地基作用机理研究[D].华中科技大学,2006.

[3] 薛新华,魏永幸,杨兴国等.CFG桩复合地基室内模型试验研究[J].中国铁道科学,2012,33(2):7-12.DOI:10.3969/j.issn.1001-4632.2012.02.02.