浅析CFG桩复合地基设计计算

高 春 卓志荣

（中化地质矿山总局河南地质勘查院，河南 郑州 450000）

浅析CFG桩复合地基设计计算

高 春 卓志荣

（中化地质矿山总局河南地质勘查院，河南 郑州 450000）

水泥粉煤灰碎石桩法在软土地基处理中得到广泛使用， 这种桩能充分利用工业废渣废料，且具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低的特点，近年来随着其理论和工艺的不断提高，应用范围愈来愈广。本文主要介绍CFG桩特点、CFG桩单桩竖向承载力的确定、CFG桩复合地基承载力和CFG桩复合地基变形计算。

单桩竖向承载力；复合地基承载力 ；复合地基变形计算

水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。水泥粉煤灰碎石桩应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。同时，CFG桩复合地基属于刚性桩复合地基，具有承载力提高幅度大、地基变形小等优点，可适用于以承受竖向荷载为主的基础，如条形基础、独立基础、箱形基础和筏板基础等。

随着CFG桩设计施工技术的成熟和推广，该项成果在工程实践中得到了广泛的应用。具体特点如下：（1）具有承载力提高幅度大，地基变形小。（2）具有高粘结强度，属于刚性桩。（3）经济效益好，与桩基础相比，由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰，不配钢筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基础的1/3～1/2。（4）社会效益好，在有条件的地方应尽量利用工业废料作为掺和料，废料利用，社会效益非常显著。（5）施工工艺简单，施工速度快，工期短。（6）质量容易控制。

由于CFG桩设计施工技术在工程中的成熟和推广，使得CFG桩的需求很大，而实际的工业废料粉煤灰有限。因此，在实际工程中很多CFG桩的桩体材料被素混凝土代替，它在桩体材料配合比上比素混凝土桩更追求经济效益的优点并没有完全体现出来。

1 竖向荷载作用下桩、土受力特性

CFG桩、桩间土和褥垫层一起形成了复合地基，属地基范畴。尽管有时CFG桩桩体强度等级与桩基中的桩的强度等级相同，但由于在CFG桩和基础之间设置了褥垫层，在竖向荷载作用下，桩基中的桩、土受力和CFG桩复合地基中的桩、土受力有着明显的不同。

对于CFG桩复合地基，当基础承受竖向荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的模量远比土的模量大，故桩比土的变形小；由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入。伴随这一变化过程，垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载作用下桩和桩间土始终参与工作。由于褥垫层的设置，随着时间的变化，桩间土表面的变形不断增加，但桩和土的荷载分担均为一常值，它不随时间的变化而改变。荷载较小时，土承担的荷载大于桩承担的荷载；随着荷载的增加，桩间土承担的荷载占总荷载的百分比逐渐减小，桩承担的荷载占总荷载的百分比逐渐增大。CFG桩复合地基中，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。由于褥垫层的设置，无论桩端落在软土层还是硬土层上，CFG桩复合地基从加载一开始桩就存在一个负摩擦区。土对桩的负摩擦作用并非有害，它对提高桩间土的承载力、减少复合土层的变形起着有益的作用。刚性基础下桩间土上的应力分布趋势为，在基础边缘应力较大，在基础中间部分应力较小。

2 CFG桩单桩竖向承载力特征值Ra的确定

单桩竖向承载力特征值Ra的取值，应符合下列规定：

（1）当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2。

（2）当无单桩载荷试验资料时，可按下式估算［3］：

式中，Up为桩的周长，n为桩长范围内所划分的土层数，qsi、qp为桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值，可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007 有关规定确定，li为第i层土的厚度。

3 CFG桩复合地基承载力特征值的计算

《建筑地基基础设计规范》（GB5007—2002）对复合地基承载力给出了确定原则，即复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，或采用增强体的载荷试验结果和其周边土的承载力特征值结合经验确定。《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2002）同样强调复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时可按下式估算［3］：

式中，fspk为复合地基承载力特征值；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值；Ap为桩的截面积；β为桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0．75～0．95，天然地基承载力较高时取大值；fsk为处理后桩间土承载力特征值，宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。

实际工程中，有条件先在拟建场地做现场载荷试验，可为设计提供可靠的设计参数。而很多情况下是在无试验资料条件下按式（2）估算复合地基承载力，但要结合工程实践经验，合理确定Ra、fspk、β等的取值。出于对工程安全的考虑，希望公式计算值接近但不大于载荷试验结果，而大量试验结果表明，公式计算结果一般不大于载荷试验结果。分析其原因，主要有以下三点［1～5］：

（1）地基中的单桩与自由单桩承载性状不同：严格地说，式（2）中的Ra应为复合地基中单桩竖向承载力特征值，而在实际计算中，采用的是自由单桩竖向承载力特征值。复合地基中的单桩不同于自由单桩的一个重要特点是，由于桩间土应力在桩侧土中产生一个较大的竖向应力增量，使得桩的承载特性与自由单桩不同。复合地基中单桩承载力要比自由单桩承载力大，用自由单桩试验结果估算复合地基中单桩承载力是偏于安全的。

（2）复合地基中的桩间土和天然地基的承载特性不同。分析原因，主要由于桩和褥垫层的参与，一般认为有两个方面：

1）桩的约束作用：复合地基中桩的存在，使桩间土的侧向变形受到限制，从而使土的竖向变形减小。桩对桩间土的约束作用同桩的数量和置换率有关。单桩复合地基，桩的约束作用最小，群桩复合地基，桩数越多，置换率越大，则约束作用越大。

2）负摩擦区的影响：由于褥垫层的设置，复合地基中桩存在负摩擦区，如图1。在该区，桩给桩间土一个向上的作用力，其作用是阻止桩间土的变形。

图1 复合地基中桩的摩阻力示意图

因此，如采用天然地基承载力特征值计算复合地基承载力，其结果也是偏于安全的。

(3）计算公式（2）引入了小于1的折减系数β。β与桩间土承载能力发挥程度有关，根据地区经验取值，无经验时可取0．75～0．95。由于β小于1，使公式计算结果偏于安全。

4 复合地基变形计算

对于复合地基的沉降变形有两部分组成，第一部分是复合加固区的沉降变形S1，加固区的沉降变形从计算方法上有：复合模量法、应力修正法（Es法）、桩身压缩量法（Ep法）等。第二部分是加固区以下下卧层的沉降变形S2，褥垫层的沉降变形在施工过程中基本完成，计算时可不考虑，计算方法采用等效作用分层总和法。其总沉降变形量s基本表达式为：S=S1+S2。地基土分层如图2所示。

图2 复合地基中地基土分层示意图

（1）加固区的沉降变形［4～8］：加固区的沉降变形从计算方法采用规范推荐复合模量法，计算方法是将加固区中的桩体和桩间土作为复合体，复合体的压缩模量采用分层复合模量（Espi），分层按天然土层划分，采用分层总和法计算S1：

式中，△pi一第i层复合土附加应力增量；hi一第i层复合土的厚度；n一复合土分层总数；Espi—第i层复合土的复合模量。《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2002）规定应按分层总和法，复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的复合模量Espi按下式确定：

Esi一基础底面下第i层土的压缩模量；S一复合模量系数；fspk一复合地基承载力特征值；fak一基础底面下天然地基承载力特征值。

当桩端未全部进入第⑤层土时，如图2所示，桩端入土部分的土层属于加固区土层，桩未达到的土层为下卧层土层，该层土上部采用复合模量，下部采用天然土的压缩模量，计算时要注意。

（2）下卧层的沉降变形：加固区以下下卧层的沉降变形S2，采用应力扩散后的应力计算，用扩散后应力作用宽度作为计算宽度，采用分层总和法计算。其总沉降变形量s基本表达式为：S=S1+S2。

5 结论

本文主要介绍了CFG桩的特点、单桩承载力的确定、复合地基承载力及地基变形的计算。复合地基在我国地基处理中应用与发展了近40年，CFG桩复合地基是我国推广的新桩法之一。CFG桩与桩间土共同通过与基础间的柔性褥垫层始终与整个基础底面接触，形成了桩土协和体，显著提高了地基承载力。同时使其地基承载力具有较强的变调性质，从而使其应用范围的弹性较其他柔性桩或刚性桩大得多。因此，水泥粉煤灰碎石桩法复合地基在我国得到广泛应用。

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2016-07-18