CFG桩的参数β取值的理论分析

西安市第五建筑工程公司 王志强

CFG桩的参数β取值的理论分析

西安市第五建筑工程公司 王志强

CFG桩由水泥、碎石、砂和粉煤灰加水拌制而成，桩和桩间土通过褥垫层形成刚性复合地基 ，具有适应性广、承载力高、经济合理等优点。但是，目前关于CFG桩复合地基承载力的计算方法还有许多不完善的地方，由于影响因素众多，仅靠理论分析很难得出准确的计算公式。通常，工程上对于CFG桩复合地基承载力的计算采用半理论半经验的公式，其中，各种经验系数的取值会对设计结果产生较大影响。因此，合理确定复合地基承载力中各参数的值，就成为CFG桩复合地基设计中的关键问题。

一、CFG桩复合地基承载力的计算公式

1.复合地基承载力特征值的计算公式。《建筑地基处理技术规范》建议通过现场复合地基载荷试验来确定。笔者通过大量的理论计算和试验数据分析，综合考虑复合地基承载力的各个影响因素，得出CFG桩复合地基承载力的计算公式：

fspk=mRa/AP+β(1-m)fsK。 （1）

式中， fspk为承载力特征值复合地基，m为面积置换率，Ra为单桩承载力特征值，AP为桩的横截面积，β为桩间土承载力折减系数，fsK为处理后的桩间土承载力特征值。

2．复合地基承载力特征值的计算公式的特点。由于概念清楚，参数m、Ra、AP、fsk都有比较精确的取值，因此，该公式在工程上应用广泛，唯一的不足是折减系数β的取值存在争议。β受褥垫层、成桩工艺、桩间土性质、桩端持力层性质和桩土置换率等因素的影响，有不同的经验值。

二、折减系数β的影响因素分析

1. 褥垫层的影响。褥垫层是复合地基的重要组成部分，它的厚度将直接影响垫层作用的发挥。当褥垫层过薄时，桩顶应力较大，桩的作用发挥明显，但桩间土作用发挥不足，相应的β值应取较小值；反之，则会使土的承载力得到充分发挥，相应的β值应取较大值，但桩的承载力发挥不足，沉降不能得到很好的控制。因此，合理选择褥垫层的厚度，有利于充分发挥桩和桩间土的承载力。

2.成桩工艺的影响。CFG复合地基承载力与成桩工艺密切相关，非挤土成桩工艺和挤土成桩工艺对桩间工艺的影响差别很大。在打桩过程中，由于土体受到振动，原有结构被破坏，但随着时间的推移，土体结构强度会慢慢恢复。同时，土体因桩的打入被挤密，孔隙比变小，桩间土承载力提高，此工艺桩间土承载力折减系数β可取较大值。而对于土体强度较高、土体密实、砂层较厚的地基土，尤其是桩端持力层较硬的情况，常采用长螺旋钻孔、管内泵压法等非挤土成桩工艺，承载力提高主要与置换作用有关，β值可以取较小值。

3. 桩间土性质的影响。地基土的力学性质直接决定桩间土承载力的大小，进而影响参数β的取值。对于具有剪缩性质的土体，如松散粉土、砂土、正常固结土等，在挤压和振动作用下，可有效减少桩间土孔隙比，降低土的压缩性，提高土体的密实度，进而提高土的承载力，因此β值可以取较大值。而对于具有剪胀性的土体，如密实粉土、超固结软土等，若采用振动沉管法施工则会产生土体挤出现象，非但不会增加土体强度，还会使CFG桩遭到破坏，从而使复合地基承载力减小，因此β值可取较小值。另外，《建筑地基处理技术规范》中规定，CFG桩复合地基承载力的发挥程度与天然地基承载力的大小有关。当天然地基承载力高时，β值取较大值，反之取较小值。地基土的性质直接影响施工工艺，因此在进行CFG桩复合地基设计时，应根据桩间土的性质选择合适的β值。

4. 桩端持力层性质的影响。CFG桩应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。但对于承载力相对较低的软弱土层，当其厚度较大时，很难使桩端到达硬土层，此时β的取值就会受桩端持力层的影响。若桩端土层是硬土层，则端阻效应较大，荷载很大部分直接通过CFG桩传递至硬土层，致使桩间土承载力发挥不足，此时β值按理应取较小值。反之，当桩端土为软土层时，端阻效应发挥不明显，桩间土承担较大的荷载，β值应取较大值。

5.桩土置换率的影响。通过有限元分析方法对CFG桩的研究表明，随着复合地基中桩土置换率的增大，复合地基中的桩面积增加，相应桩顶的接触应力会降低，桩顶处的沉降变形也随之减小。虽然整个复合地基承载力随桩土置换率的提高而提高，但荷载分配倾向于向桩体转移，因而桩体承担的荷载比也随之提高，桩间土的承载力减小，此时桩间土承载力折减系数β值也应相应取较小值。但两者之间的变化关系并不是线性的。

三、工程背景及试验实例

1. 项目背景。本实验以枫和苑小区多层住宅楼为例，基础采用CFG桩，共计325根，基础处理后的承载力要求达到120 kPa。

2. 地质状况。住宅基础表面为耕植土，厚度约为0.5～0.6m，上部为饱和黄土，厚度为1.2～4.6m，场地普遍分布，承载力特征值为100kPa；下部为卵石层，表面微风化，颗粒呈圆状，一般粒径在30～80mm之间，最大粒径可达400mm，骨架物含量约占70%，填充物为砂砾石，级配良好，卵石层厚度为2.4～5.9m，承载力特征值为400 kPa。

3. 试验情况。由于β取值受桩间土性质、桩端土性质、桩长以及成桩工艺等因素的影响，试验中选择了一些与实验条件相近的桩基进行试验。低应变反射波检测仪器采用中科院武汉岩土力学所研制的RSM-SY5型浮点工程动测仪，并选取一些桩身完整，桩长、桩径相近的桩基进行试验。试验采用慢速维持荷载法进行，单桩复合地基静载荷试验承压板1.2m×1.2m，板底铺设50mm厚级配碎石，置换率为0.096。使用电动油压千斤顶加载，工字钢搭设堆载平台，混凝土块堆载提供反力，最大堆载重量1 500kN。

4. 试验结果及数据分析。根据实验所得的地基承载力值，可由式（1）反演得到β的取值在0.99～1.2之间β=( fspk-m Ra/AP）/[(1-m) fsK]。计算过程中，处理后的桩间土承载力特征值依照规范中提供的方法，采用1.2倍的天然地基土的承载力，单桩承载力特征采用3根试验单桩承载力特征值的平均值。

四、结论

CFG桩的桩间土承载力折减系数β的取值影响因素较多，但其主要影响因素为褥垫层的厚度、成桩工艺、桩间土的性质、桩端持力层的性质以及桩土置换率等。在设计CFG桩复合地基时，可根据近不同的工况，综合考虑经济和安全方面因素，选取合理的β值。