CFG桩复合地基研究现状及展望

CFG桩复合地基研究现状及展望苗子臻，邱浩然（北方工业大学土木工程学院，北京，100144）摘要：CFG桩复合地基作为一种有效的地基处理手段，其能够较好地发挥桩土共同作用，目前已被广泛应用。本文分析了CFG桩复合地基承载力计算、沉降计算等方面，总结了CFG桩复合地基的研究现状及研究成果，提出了CFG桩复合地基存在问题，阐述了发展趋势。本文对工程人员了解CFG桩复合地基有帮助作用。关键词：CFG桩复合地基；影响因素；沉降计算；承载力计算中图分类号：TU473文献标识码：AResearchStatusandDevelopmentofCFGPileCompositeFoundationZiZhenMiao,HaoRanQiu(NorthChinaUniversityofTechnologyCollegeofCivilEngineering,Beijing,100144)Abstract：CFGpilecompositefoundation,asakindofeffectivemeansoffoundationtreatment,canbetterplaytotheinteractionofpilesandsoil.Currently,ithasbeenwidelyusedinfoundationtreatmentengineering.TheresearchstatusofCFGpilecompositefoundationandtheresearchresultshasbeensummarizedfromtheCFGpilecompositefoundationbearingcapacitycalculation,settlementcalculation,etc.AndtheexistedproblemsintheresearchofCFGpilecompositefoundationandthedevelopmenttrendofopinionsareelaborated.TomakeourengineershaveafurtherunderstandingofCFGpilecompositefoundation.Keywords：CFGPileCompositeFoundation;InfluencingFactor;SettlementCalculation;BearingCapacityCalculation引言CFG桩为在碎石桩桩体中掺加适量石屑、粉煤灰、水泥，并加水拌合形成的一种高粘结强度桩。它与桩间土和褥垫层一起构成CFG桩复合地基。CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，当地基受荷时，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，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作，由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大，将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载，从而使复合地基承载力提高，变形减小。且CFG桩桩体可以掺入工业废料粉煤灰，又无须配筋，其工程造价为一般桩基的1/3～1/2，具有良好的社会和经济效益。目前在高层建筑地基基础、路基工程等领域有广泛应用[1]。为使工程人员对CFG桩复合地基处理技术有进一步了解，本文综合国内外学者多年来研究成果，对CFG桩复合地基的研究现状及成果进行了分析总结。1研究现状1.1各因素影响研究影响CFG桩复合地基沉降及承载性能的因素较多，目前诸多研究主要围绕褥垫层、桩长、桩径、桩体强度、桩间距等展开。1.1.1桩长、桩径、桩间距桩长、桩径、桩间距为组成CFG桩复合地基的重要组成部分。桩长的影响主要表现为桩土荷载分担比的不同，桩越短，桩间土分担的荷载就越大，桩间土的压缩量越大，总体沉降变形越大[2]；反之，桩越长，桩间土分担的荷载越小，桩间土的压缩量越小，沉降变形越小，但桩长增长到一定程度，沉降减少量趋于稳定，桩长对沉降的影响存在临界值[3-4]。陈涛、胡长明、崔刚等通过现场原位试验及有限元数值模拟分析发现：随着桩径的增加，复合地基承载力增加，沉降变形减小，但综合考虑经济成本，桩径宜取300～600mm；随着桩间距的增大，地基承载力降低，沉降变形增大，通常设计中桩间距宜取3～5倍桩径[5]。1.1.2桩体强度陈涛、丁铭绩通过数值模拟对CFG桩复合地基沉降及其影响参数进行了研究，研究发现桩体强度较小时，地基沉降较大，随着桩体强度增加，沉降减小，但减小速率逐渐降低，单纯依靠提高桩体强度来减小沉降不切实际。闫明礼等通过现场静载试验对CFG桩复合地基承载性能进行了研究[6]，研究发现，桩体强度的提高有助于地基承载力的提高，但当桩体强度大于某一数值时，提高桩体强度等级对复合地基承载力没有影响，所以进行复合地基设计时，不必将桩体强度等级取过高，一般取桩顶应力的3倍即可。目前用于高层建筑地基加固的CFG桩，桩身强度等级一般在C15一C30之间，一般城市基础设施构筑物地基加固桩体强度等级多为C5、C10。1.1.3褥垫层褥垫层作为CFG桩复合地基的核心组成部分，其不仅保证桩、土能够共同承担荷载，还能调整桩、土间荷载的分配，减少基础底面应力集中。大量的试验研究证明褥垫层厚度、刚度的变化对CFG桩复合地基沉降及承载性能影响十分显著。褥垫层厚度过小，桩土应力较大，桩间土的承载能力无法充分发挥，要达到设计要求承载力，势必要增加桩的长度或数量，造成经济浪费，不利于优化设计；随着其厚度的增加，桩土应力比逐渐下降，趋向于1，此时，桩承担的荷载太少，仅体现出置换作用，桩的设置也就失去了意义，一般褥垫层厚度宜取100～300mm。褥垫层模量增大，使得地表变形受到约束，从而桩分担的荷载较大，而桩间土分担的荷载较小，桩土应力比变大，沉降随之减小，所以褥垫层模量的降低可有效缓解褥垫层底面应力集中，但当褥垫层模量达到某一值时，这种调节作用逐渐减弱[5、7]。2CFG桩复合地基沉降计算方法研究现状目前，复合地基变形计算广泛采用的是《建筑地基处理技术规范》中的半理论、半经验方法，计算时，复合土层分层与天然地基相同，各复合土层压缩模量为该层天然地基压缩模量的ζ倍，加固区及下卧层土体应力分布采用均质线性变形体理论，地基最终沉降量如式（1）所示：ψ∑′̅̅′ζζ（1）式中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；fak为基础底面下天然地基承载力特征值（kPa）；ψs为沉降计算经验系数，各类土层取值见表1；其他参数同现行《建筑地基基础设计规范》第5.3.5条规定。表1沉降计算经验系数ψs̅4.07.015.020.035.0ψs1.00.70.40.250.2注：̅为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，如公式（2）所示：̅∑∑∑∑（2）式中：Ai、Aj分别为加固土层第i、j层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。此外，随着对CFG桩复合地基沉降计算研究的进展，大量沉降监测数据显示，ＣＦＧ桩复合地基的实际沉降值远小于规范计算所得沉降值。因此，不少学者提出了一些改进计算方法。张钦喜在现行规范计算方法基础上，考虑桩侧摩阻力及桩端土的性质，提出了一种实用简化计算方法[8]；潘旭亮依据34个楼座CFG桩复合地基实测沉降数据进行反演分析[9]，对规范所采用复合区压缩模量进行了修正，然后结合规范理论计算方法，提出一种新的CFG桩复合地基沉降计算方法，使经验公式更贴合工程实际；赵幸将桩体视为半刚性材料，在前人的理论及试验研究基础上，考虑桩、土、褥垫层的相互协同作用，推导出新的地基沉降计算公式[2]；陈晋中将太原地区9个CFG桩复合地基工程实测沉降数据与规范计算值进行对比，反算出太原地区不同条件下的沉降经验系数[4]，有着重要的工程实用价值。3CFG桩复合地基承载力研究现状一般情况CFG桩复合地基承载力可按规范公式进行估算，对大型工程或者特别重要的工程需进行试桩，通过载荷试验确定其地基承载力。同样，随着对CFG桩复合地基研究的进展，大量工程实际表明：规范中取值偏于保守不够经济，为此不少学者提出了一些改进方法。范伟霞等依据不同施工工艺实测资料对《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）中CFG桩复合地基承载力公式β进行反算，得出了不同施工工艺下的参考值[11]。佟建兴[12]等人认为在初步设计阶段可按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）中公式进行地基承载力估算，但要合理的选择RA、fsk、β取值，其次建议对于P-S曲线为平缓光滑的缓变型曲线，可通过Pmax/2及相对变形值两个控制条件，来确定复合地基承载力特征值。陈昌仁等人在《建筑地基处理技术规范》规范承载力计算公式的基础上，考虑边载对复合地基承载力的影响，引入桩间土强度提高系数α和边载修正系数δ，对经验公式进行了修正，使计算结果更加合理，修正公式如式（3）所示[13]:δαβ（3）式中：α为桩间土强度提高系数；δ为边载修正系数，建议取δ=1.0～1.2；其他参数同现行《建筑地基处理技术规范》第7.1.5条规定。该公式与静载荷试验数据结果相比仍存在一定差异，主要原因如下：试验桩数远小于计算桩的数量；土层厚度分布不均导致β的单一取值无法完全适用于地基中所有桩；δ不能完全反映开挖放坡引起的边载分布不均现象。4发展方向目前理论研究仍不能满足工程实践的需要，地基承载力、沉降变形计算仍存在不足，计算值与实测值差距较大；CFG桩复合地基在岩溶等复杂地质条件下受力特性仍不明确；CFG桩复合地基在地震荷载和动力荷载作用下复合地基、上部结构、筏板基础三者共同作用工作机理仍不清晰；CFG桩与其他桩型相组合的多桩型复合地基的静力特性、动力特性认识不足。因此，对于CFG桩复合地基研究还可以从以下几方面展开：（1）进一步加强CFG桩复合地基作用机理研究，力争提出更切实有效计算方法；（2）加强地震、冲击等动力荷载下CFG桩复合地基受力性能研究；（3）加强复杂地质条件下CFG桩复合地基受力性能研究；（4）加强CFG桩与其他桩组合复合地基受力特性研究，提出切合实际计算公式。5结束语综上所述，通过大量室内模型试验、现场静载荷试验、有限元数值模拟及大量工程实践，对CFG桩复合地基在砂土、粉土、粘性土中作用机制、受力特性等有了进一步了解，但研究仍存在着一些不足之处，期待能与同行共同推进深入研究。参考文献[1]贾剑青,王宏图,李晶,等.CFG桩复合地基承载力分析[J].重庆大学学报,2011,34（09）:117-120[2]赵幸,赵德富,赵其华,等.CFG桩复合地基沉降量计算及沉降影响因素探析[J].工业建筑,2013,43（S1）:476-479[3]陈涛,张聪.CFG桩复合地基各因素对沉降影响的数值模拟研究[J].工业建筑,2009,39（S1）:692-695[4]陈晋中,白晓红,葛忻声,等.CFG桩复合地基沉降分析[J].太原理工大学学报,2010,41（04）:395-397[5]丁铭绩.高速铁路CFG桩桩板复合地基工后沉降数值模拟[J].中国铁道科学,2008,29（03）:1-6[6]闫明礼.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].中国水利水电出版社.2001[7]韩云山,白晓红,梁仁旺.垫层对CFG桩复合地基承载力评价的影响研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23（20）:3498-3503[8]张钦喜,潘旭亮,陈鹏,等.CFG桩复合地基沉降计算方法[J].北京工业大学学报,2012,38（6）:835-839[9]潘旭亮,张钦喜,杜修力,等.基于实测数据CFG桩复合地基沉降计算方法改进[J].建筑结构,2011,41（S2）:366-369[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ/79—2012建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2012[11]范伟霞,周建,俞亚南,等.CFG桩复合地基承载力公式β参数取值分析[J].工业建筑,2006,03:71-75[12]佟建兴,胡志坚,闫明礼,等.CFG桩复合地基承载力确定[J].土木工程学报,2005,07:87-91[13]陈昌仁,侯新宇,郭洪涛.CFG桩