褥垫层在CFG桩复合地基中的作用

1褥垫层在CFG桩复合地基中的作用摘要：CFG桩是英文CementFly-ashGravelPile的缩写，意为水泥粉煤灰碎石桩，CFG桩、桩间土和褥垫层一起形成复合地基，复合地基的许多特性都与褥垫层有关，因此褥垫层技术是复合地基的一个核心技术。褥垫层是由颗粒材料组成的散体垫层，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。由于褥垫层的存在，CFG桩可以向垫层产生向上的刺入变形，使得CFG桩可以承担更多的荷载，桩间土的承载力也得到充分的发挥，从而使CFG桩复合地基获得了更高的承载力。关键词：CFG桩，褥垫层，复合地基，作用一、概述CFG桩的使用范围很广，在沙土、粉土、淤泥质土、杂填土等地基具有大量成功的实例。CFG桩对独立基础、条形基础、筏形基础都适用，目前多用于高层和超高层建筑中。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合材料加水拌和而成的高黏结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成水泥粉煤灰碎石桩复合地基。CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接,并且使用双向刺入模式，将上部基础传来的基底压力通过褥垫材料的变形以一定比例分配给桩及桩间土，并通过协调桩间土产生的固结沉降，使桩间土始终与基底面保持接触，保证桩土共同工作。因此褥垫层在CFG桩复合地基中起着至关重要的作用。二、CFG桩复合地基的工作原理在复合地基中，在垂直荷载作用下，桩和桩间土都将产生变形，桩体的压缩模量远远大于土的压缩模量，桩在竖向荷载下产生的变形要小于土的变形，褥垫层能够起到协调这种变形的作用。桩体刺入褥垫层，构成褥垫层的颗粒状散体材料不断补充到桩间土表面上，基础通过挤压褥垫层和桩间土接触，使得桩和桩间土始终参与工作，并使桩间土在桩体沉降不断增加的情况下能不断发挥其承载力作用。随着荷载的增加，桩承担的荷载百分比PP/P逐渐增加，土承担的荷载占总荷载的百分比PS/P逐渐减少。随着时间的推移，桩和桩间土的荷载分担趋于一常值，见图1(图中PP为桩承受荷载，PS为桩间土承受荷载)。图1CFG桩和桩间土荷载分担比随荷载变化曲线褥垫层的存在，不论桩端土层性质如何，从开始加载桩就存在一个负摩擦区，负摩擦作用对复合地基并非有害，其作用是阻止桩间土的变形，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。在这一负摩擦区深度为Z0的范围内，土的位移大于桩体位移，桩的轴力随深度增大；Z0处桩体和土的位移相等，该位置为桩体的中性点，也就是最大轴向应力位置；Z0深度以下，桩的位移大于土的位移，桩间土对桩体产生正摩擦阻力，而且随深度增加减小。(图2)2图2桩土位移和状体轴力随深度变化对照图三、褥垫层的作用根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）要求桩顶与基础之间设置褥垫层，褥垫层在复合地基中的作用具有以下几个方面：1、保证桩、土共同承担荷载对于CFG桩复合地基来说，基础是通过厚度为H的褥垫层与桩及桩间土联系的。当褥垫层厚度ΔH=0时，桩和桩间土的工作情况与桩基类似。在给定荷载下，桩承受较多的荷载，随着时间的增加，桩就会产生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。对ΔH=0时，当桩端落在坚硬密实土层上或岩石上时，桩的沉降很小，桩上荷载向桩间土转移的数量很小，桩间土的承载力很难发挥；对ΔH=0时，当桩端落在一般土层上时，基础在承受外荷载后，随着时间的延长，基础和桩的沉降变形不断增加，桩间土分担的荷载不断增加，桩承担的荷载相应减小；对ΔH0时，即当基础和桩之间设置了一定厚度的褥垫层时，基础承受外荷载后，不论桩端落在何种土层上，桩和桩间土都要发生沉降变形，由于桩身变形模量远比桩周土的变形模量大，因而桩比土的变形小得多。此时，桩可以向上刺入褥垫层，伴随这一过程，垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证基础始终将一部分荷载传到桩间土上，即可保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。2、通过改变褥垫层厚度，调整垂直荷载的分担当褥垫层厚度ΔH=0时，桩土应力比很大，在软土中，桩、土应力比甚至超过100，桩分担的荷载相当大；当褥垫层厚度很大时，桩土应力比接近于1，此时桩的荷载分担比很小,见图3(图中δpδs为桩、土荷载分担比，n为桩、土应力比)。3图3桩土应力比随褥垫厚度的变化示意图桩土应力比n及桩土垂直荷载分担比可以通过试验测定也可通过理论方法计算确定。桩承担的荷载占总荷载的百分比一般在40%～75%之间。3、减少基础底面的应力集中当褥垫层厚度ΔH=0时，CFG桩对基础底面的应力集中与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。当ΔH0并大到一定数值时，基底压力分布形式与作用于天然地基的压力分布类似，β值随褥垫层厚度ΔH的变化曲线见图4（β为桩顶对应的基础底面测得的反力与桩间土对应的基础底面测得的反力之比，β=σRp/σRs）。桩对基础的反力与桩间土对应基础的反力之比随褥垫层厚度的增加逐渐减小，当褥垫层厚度大于10cm时，桩对基础底面产生的应力集中已经显著降低，当褥垫层厚度大于30cm时，桩对基础底面产生的应力集中已经很小。图4β值与褥垫层厚度关系曲线4、调整桩、土水平荷载的分担，褥垫层厚度越厚，土分担的水平荷载占总荷载的百分比越大，桩分担的水平荷载占总荷载的百分比越小。科技论文。CFG桩主要是用来传递垂直荷载的，亦可承担水平荷载，则CFG桩复合地基克服水平荷载机理如下：当褥垫层厚度ΔH=0时，基础受垂直荷载P和水平荷载Q作用，根据前文描述，此4时桩在垂直荷载作用下，桩的荷载分担比δP很大，而土的荷载分担比δS很小(图5a)。(a)ΔH=0(b)ΔH较大图6桩、土剪应力假设基础在无埋深的条件下，传到桩上的水平荷载为QP，传到桩间土上的水平荷载为QS，则有下式成立：Q=QP+QS又有：QS=μQS式中：PS-桩间土分担的荷载/KN；μ-基础和土之间的摩擦系数,其值多在0.25～0.45之间变化。由于H=0时，PS很小，则QS也很小，此时水平荷载Q主要由桩来承担，QP很大，如图3所示,图中τS为桩顶剪应力,τS为桩间土剪应力。当褥垫层厚度H0并增大到一定数值后(图3b),此时褥垫层底面处的剪应力处于一个均值，即τP≈τS，其中τS=QP/AP、τS=QS/AS，桩顶及桩周土剪应力表面的剪力分别为：QP=APτP、QS=ASτS，而Q=QP+QS，则QP/Q≈AP/A=m由此可见，桩承受的剪力QP占水平总荷载的比例大体与面积置换率的m相当，而CFG桩复合地基的面积置换率通常为0.1左右，即水平荷载主要由桩间土承担。大量的工程实践和试验结果也表明，只要褥垫层厚度不小于100mm，未配筋的CFG桩体不会发生水平折断，水平荷载主要由桩间土承担，在复合地基中就不会失去工作能力。四、影响褥垫层对CFG桩复合地基桩土应力的调节作用的因素1、褥垫层厚度的影响褥垫层厚度过小时，复合地基的承载机理如群桩一般，不能充分发挥桩间土的承载能力，当褥垫层厚度达到一定厚度时，桩土应力比变化不大，此时，增加褥垫层的厚度，对复合地基承载能力的改善不明显，还增加了工程成本。当褥垫层模量过高，桩土应力比增大，桩体应力增加，桩间土应力减少，不利于桩间土强度的发挥。当褥垫层模量过低，桩间土应力增大，当桩间土进入塑性破坏阶段时，桩体的承载能力远远没有得以发挥。工程实践表明，褥垫层合理厚度为100～300mm，考虑施工时的不均匀性，褥垫层厚度取150～300mm，当桩经大，桩距大时宜取高值。2、褥垫层刚度的影响垫层模量也是影响桩土应力比的另一个主要因素。在同一级荷载作用下，随着垫层模量的增大，桩体应力越大，桩土应力比增大，桩间土的应力减少，所以当垫层模量太大时复合地基就达不到减缓CFG桩桩顶应力集中的目的。在同一垫层模量条件下，随着荷载的增加，5桩土应力比减少。综上，垫层刚度是影响CFG桩复合地基承载能力的又一因素，可以调节桩土荷载分担比，但是其条件能力是有限，当模量达到一定程度时，应力比的变化趋于缓慢，褥垫层模量太高，不利于复合地基承载能力的发挥，而且还增加工程的造价，造成不必要的浪费。因此，在复合地基设计中，如何选取垫层材料也是设计的关键所在，选择合理的垫层材料可以充分发挥复合地基桩土的承载能力，减少单位面积的桩体数量，降低地基处理成本。五、结语由于CFG桩复合地基通过褥垫层把桩和基础断开，改变了过分依赖桩承担垂直荷载和水平荷载的传统设计思想。总荷载是由桩间土先承担，桩间土的承载能力充分利用后，不足部分才由CFG桩承担，显然桩数量可以大大减少，再加上CFG桩不配筋，大大降低了工程造价。科技论文。褥垫层是CFG复合地基技术的关键,是复合地基形成的条件,同时也是调节桩土应力比的主要设计手段。是否设置褥垫层以及褥垫层的材料和厚度，直接影响复合地基的桩和桩间土强度的发挥，合理的垫层厚度对提高复合地基承载力和减少沉降变形是非常有力的，一般褥垫层厚度宜控制在150mm到300mm之间,垫层材料宜选用模量适中的中砂、粗砂、级配砂石或碎石。参考文献：[1]郑俊杰.地基处理技术.华中科技大学出版社(第二版)，2009.[2]徐至钧．水泥粉煤灰碎石桩复合地基．机械工业出版社，2004．[3]建筑地基基础处理技术规范（JGJ79-2002）．