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摘要: 通过CFG桩单桩及三桩复合地基原位试验,研究垫层的不同厚度对单桩复合地基沉降变形的影响。说明10cm厚的褥垫层其足以使桩间土发挥作用,且有利于控制沉降。
关键词: CFG桩桩土应力比褥垫层厚度
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1 前 言
CFG 桩复合地基作为一种地基处理方法，已在民用和工业建筑中得到了广泛的应用。随着桩体自身粘结度的提高，桩体变形模量变大，在荷载作用下，桩体分担了绝大部分荷载，违背了充分发挥桩间土的承载能力，减小地基处理费用的使用初衷。为使桩与桩间土共同工作，在基础下铺设一层散体材料垫层，人为地使桩顶向垫层内刺入，调整桩和桩间土的相对位移，通过垫层材料的流动补偿，使桩间土与基础始终保持接触，有效调整了桩顶和桩间土的接触压力，使复合地基的受力更加合理。
如果垫层厚度过大，在桩顶向垫层内刺入及垫层材料的流动补偿来调解桩土应力比的过程中，将造成沉降过大、稳定时间过长的情况发生。
在大多数工程的CFG桩复合地基中,对褥垫层厚度设计基本是采用规范建议的上限值(即30cm) ,至于该厚度针对具体工程地质条件是否经济、科学、合理,并未作进一步考虑。作者通过现场试验研究,揭示褥垫层厚度对沉降所产生的影响。
2 试验场地的地质资料
试验研究对象为某电厂复合地基, 场地地貌属山前冲洪积扇群前缘，其地势较平坦，地下水位埋深约4.0 m，在勘探揭露的深度内，土体从上至下分为4层。1) 人工堆积层，厚度为0.5～1.5m;2) 第四纪沉积的粉土层，②层及以下各层土体主要物理力学指标见表1。
表1 土的物理力学性质
3 CFG桩设计参数
设计要求地基承载力为200kPa ,建筑物最终沉降6cm ,采用CFG桩复合地基进行处理,以弥补天然地基承载力的不足,同时控制建筑物的变形。设计CFG桩有效桩长为13.5m ,桩身直径为400mm ,桩间距为1.25m×1.25m,正方形布置,面积置换率为0.08。采用级配砂石作褥垫层材料，设计厚度为300mm。
正式施工前,在该场区进行了一系列的前期试验,除三桩复合地基、单桩复合地基静载试验外，还对单桩复合地基静载试验,分别采用了不同的垫层厚度,通过对其沉降变形特性的研究,确定最合理的褥垫层厚度。本文主要研究垫层的不同厚度对单桩复合地基沉降变形的影响。
4 测试内容及方法
试验场地试坑底面距地面2.0m，垫层顶与试坑底持平，利用垫层旁土作为垫层的侧向约束。反力装置采用堆载压重平台，沉降观测采用4个量程为±60 mm的差动式直流位移传感器测读。正式加载前各垫层均经过预压，试验加载方法采用慢速维持荷载法，加载分级稳定标准以及加载条件的确定严格按照规范的有关规定进行。
5 试验结果对褥垫层厚度的分析
CFG桩的反向刺入使天然土的承载力得以发挥,合理厚度的褥垫层应使桩土应力比接近计算值,这样可使桩间土及桩的承载力同时得到有效发挥。褥垫层厚度的不同将直接影响桩的反向刺入程度,从而对沉降产生影响。设计方案在满足承载力要求的同时,应最有效地控制建筑物的沉降。
三桩复合地基试验压板下铺设了20cm 厚垫层, 土压力测试结果显示桩间土应力过大,说明褥垫层厚度可以适当减小而达到合理的桩土应力比，因此可以从沉降变形角度对褥垫层厚度进行研究。单桩复合地基静载试验过程中,压板下铺设了不同厚度的垫层,厚度分别为5、10、15cm ,通过研究其p - s 曲线,来寻找其内在的规律。
从图1中的p - s 曲线可以看出,垫层5cm 厚时,其变形明显较小,沉降曲线与单桩相似,说明CFG桩从始至终发挥着主要的作用。
图2为垫层厚度为10cm时的p - s 曲线,总沉降由10.0mm增大到19.8mm,前期沉降比垫层厚度为5cm时大一倍,曲线近似一条直线。
图3为垫层厚度15cm时的p - s 曲线，这种变化更加明显,总沉降由9.8mm增大到22.6mm,前期沉降变形同样增大较快。
除最大沉降及前期变形具有以上特性之外,从图1～图3 还可以看出,随着垫层厚度的增加,卸载后的残余变形也在增加。卸载后的残余变形包含了垫层本身的压缩变形、桩体反向刺入所发生的变形、桩体向下刺入发生的变形、桩身压缩等,这其中桩体向下刺入发生的变形、桩身压缩是不可避免的,而垫层的压缩变形、桩体反向刺入所發生的变形则可以通过调整褥垫层的厚度来降低其数值,其结果将使总沉降减少。
以上单桩复合地基静载试验结束后,进行了开挖检查发现, 垫层5cm 厚情况下,桩头稍有破坏，说明应力过于集中，桩土应力比大于设计值，不宜采用。其他两种情况桩头均未被破坏，桩体反向刺入大于2.0cm ,说明10cm、15cm厚度的垫层均很好地发挥了调节桩土应力的作用。
由此可以看出,较薄的褥垫层亦可发挥桩间土作用,且其变形较小,即有利于控制沉降。
6 结论
1) 从分析褥垫层厚度对复合地基沉降的影响中，可以得出，随褥垫层厚度增大，复合地基沉降也有所增加。
2)垫层厚20cm时,桩间土承载力过大, 说明褥垫层厚度可以适当减小而达到合理的桩土应力比。
3)采用5～15cm厚度的垫层进行试验发现,较薄的垫层沉降变形明显较小,桩体反向刺入均大于2.0cm。垫层10cm厚时,未发生过大应力集中,因此可尝试减小褥垫层的厚度,通过合理利用桩体的承载能力,来有效控制建筑物的沉降。
4)沉降变形的发生是桩间土应力发挥的前提条件,因此桩间土压力的增长与沉降关系更为密切。
5)在CFG桩复合地基中通过褥垫层技术使桩和桩间土的应力分别达到调节和协调，减少了基础底面的应力集中和减少了桩顶应力集中的作用，同时，由于褥垫层的原因复合地基充分发挥了桩间土的作用，降低了工程造价。
参考文献
[1]中国建筑科学研究院. 建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2002)[S].北京：中国建筑工业出版社，2002
[2]高大钊. 地基加固新技术. 第二版. 北京:机械工业出版社,2002
[3]《地基处理手册》编委会. 地基处理手册. 第二版. 北京:中国建筑工业出版社,2000
[4]杨婕 CFG桩复合地基不均匀沉降原因分析地基处理[J] 。2001.2（1）
[5]孙燕 CFG桩复合地基的形状，广西工学院学报[J]。1997.8（4）
关键词: CFG桩桩土应力比褥垫层厚度
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1 前 言
CFG 桩复合地基作为一种地基处理方法，已在民用和工业建筑中得到了广泛的应用。随着桩体自身粘结度的提高，桩体变形模量变大，在荷载作用下，桩体分担了绝大部分荷载，违背了充分发挥桩间土的承载能力，减小地基处理费用的使用初衷。为使桩与桩间土共同工作，在基础下铺设一层散体材料垫层，人为地使桩顶向垫层内刺入，调整桩和桩间土的相对位移，通过垫层材料的流动补偿，使桩间土与基础始终保持接触，有效调整了桩顶和桩间土的接触压力，使复合地基的受力更加合理。
如果垫层厚度过大，在桩顶向垫层内刺入及垫层材料的流动补偿来调解桩土应力比的过程中，将造成沉降过大、稳定时间过长的情况发生。
在大多数工程的CFG桩复合地基中,对褥垫层厚度设计基本是采用规范建议的上限值(即30cm) ,至于该厚度针对具体工程地质条件是否经济、科学、合理,并未作进一步考虑。作者通过现场试验研究,揭示褥垫层厚度对沉降所产生的影响。
2 试验场地的地质资料
试验研究对象为某电厂复合地基, 场地地貌属山前冲洪积扇群前缘，其地势较平坦，地下水位埋深约4.0 m，在勘探揭露的深度内，土体从上至下分为4层。1) 人工堆积层，厚度为0.5～1.5m;2) 第四纪沉积的粉土层，②层及以下各层土体主要物理力学指标见表1。
表1 土的物理力学性质
3 CFG桩设计参数
设计要求地基承载力为200kPa ,建筑物最终沉降6cm ,采用CFG桩复合地基进行处理,以弥补天然地基承载力的不足,同时控制建筑物的变形。设计CFG桩有效桩长为13.5m ,桩身直径为400mm ,桩间距为1.25m×1.25m,正方形布置,面积置换率为0.08。采用级配砂石作褥垫层材料，设计厚度为300mm。
正式施工前,在该场区进行了一系列的前期试验,除三桩复合地基、单桩复合地基静载试验外，还对单桩复合地基静载试验,分别采用了不同的垫层厚度,通过对其沉降变形特性的研究,确定最合理的褥垫层厚度。本文主要研究垫层的不同厚度对单桩复合地基沉降变形的影响。
4 测试内容及方法
试验场地试坑底面距地面2.0m，垫层顶与试坑底持平，利用垫层旁土作为垫层的侧向约束。反力装置采用堆载压重平台，沉降观测采用4个量程为±60 mm的差动式直流位移传感器测读。正式加载前各垫层均经过预压，试验加载方法采用慢速维持荷载法，加载分级稳定标准以及加载条件的确定严格按照规范的有关规定进行。
5 试验结果对褥垫层厚度的分析
CFG桩的反向刺入使天然土的承载力得以发挥,合理厚度的褥垫层应使桩土应力比接近计算值,这样可使桩间土及桩的承载力同时得到有效发挥。褥垫层厚度的不同将直接影响桩的反向刺入程度,从而对沉降产生影响。设计方案在满足承载力要求的同时,应最有效地控制建筑物的沉降。
三桩复合地基试验压板下铺设了20cm 厚垫层, 土压力测试结果显示桩间土应力过大,说明褥垫层厚度可以适当减小而达到合理的桩土应力比，因此可以从沉降变形角度对褥垫层厚度进行研究。单桩复合地基静载试验过程中,压板下铺设了不同厚度的垫层,厚度分别为5、10、15cm ,通过研究其p - s 曲线,来寻找其内在的规律。
从图1中的p - s 曲线可以看出,垫层5cm 厚时,其变形明显较小,沉降曲线与单桩相似,说明CFG桩从始至终发挥着主要的作用。
图2为垫层厚度为10cm时的p - s 曲线,总沉降由10.0mm增大到19.8mm,前期沉降比垫层厚度为5cm时大一倍,曲线近似一条直线。
图3为垫层厚度15cm时的p - s 曲线，这种变化更加明显,总沉降由9.8mm增大到22.6mm,前期沉降变形同样增大较快。
除最大沉降及前期变形具有以上特性之外,从图1～图3 还可以看出,随着垫层厚度的增加,卸载后的残余变形也在增加。卸载后的残余变形包含了垫层本身的压缩变形、桩体反向刺入所发生的变形、桩体向下刺入发生的变形、桩身压缩等,这其中桩体向下刺入发生的变形、桩身压缩是不可避免的,而垫层的压缩变形、桩体反向刺入所發生的变形则可以通过调整褥垫层的厚度来降低其数值,其结果将使总沉降减少。
以上单桩复合地基静载试验结束后,进行了开挖检查发现, 垫层5cm 厚情况下,桩头稍有破坏，说明应力过于集中，桩土应力比大于设计值，不宜采用。其他两种情况桩头均未被破坏，桩体反向刺入大于2.0cm ,说明10cm、15cm厚度的垫层均很好地发挥了调节桩土应力的作用。
由此可以看出,较薄的褥垫层亦可发挥桩间土作用,且其变形较小,即有利于控制沉降。
6 结论
1) 从分析褥垫层厚度对复合地基沉降的影响中，可以得出，随褥垫层厚度增大，复合地基沉降也有所增加。
2)垫层厚20cm时,桩间土承载力过大, 说明褥垫层厚度可以适当减小而达到合理的桩土应力比。
3)采用5～15cm厚度的垫层进行试验发现,较薄的垫层沉降变形明显较小,桩体反向刺入均大于2.0cm。垫层10cm厚时,未发生过大应力集中,因此可尝试减小褥垫层的厚度,通过合理利用桩体的承载能力,来有效控制建筑物的沉降。
4)沉降变形的发生是桩间土应力发挥的前提条件,因此桩间土压力的增长与沉降关系更为密切。
5)在CFG桩复合地基中通过褥垫层技术使桩和桩间土的应力分别达到调节和协调，减少了基础底面的应力集中和减少了桩顶应力集中的作用，同时，由于褥垫层的原因复合地基充分发挥了桩间土的作用，降低了工程造价。
参考文献
[1]中国建筑科学研究院. 建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2002)[S].北京：中国建筑工业出版社，2002
[2]高大钊. 地基加固新技术. 第二版. 北京:机械工业出版社,2002
[3]《地基处理手册》编委会. 地基处理手册. 第二版. 北京:中国建筑工业出版社,2000
[4]杨婕 CFG桩复合地基不均匀沉降原因分析地基处理[J] 。2001.2（1）
[5]孙燕 CFG桩复合地基的形状，广西工学院学报[J]。1997.8（4）