cfg樁復(fù)合地基技術(shù)及應(yīng)用(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 合地基有無褥墊層，其 區(qū)別主要是樁間土的承載力發(fā)揮的過程不同。當(dāng)設(shè)置褥墊層時(shí)，樁間土一開始就承擔(dān)了較大比例的荷載，在正常使用狀態(tài)下，建筑物荷載主要由樁和樁間土共同承擔(dān)；而不設(shè)褥墊層時(shí)，荷載一開始主要由樁來承擔(dān)，樁間土基本不承擔(dān)或承擔(dān)很少。在正常使用狀態(tài)下，建筑物荷載主要由樁來承擔(dān)。當(dāng)復(fù)合地基承載力達(dá)到極限時(shí)，無論是其承載力的大小以及樁、土的荷載分擔(dān)比都是相同的，故可取消褥墊層。 (2)不設(shè)置褥墊層的情況 取消墊層讓樁頂直接與基礎(chǔ)接觸，實(shí)際上就是在正常使用狀態(tài)下充分發(fā)揮樁的承載力，使其接近極限，而讓樁間土強(qiáng)度為作安全儲備，這樣雖然 樁的安全系數(shù) K 小于 2(一般 左右 )，但地基土的安全系數(shù)卻較高，復(fù)合地基總的安全度并沒有降低，就 像 樁基礎(chǔ)在正常使用狀態(tài)下，其摩阻力和端承力發(fā)揮程度不一樣、其各自的安全系數(shù)也不一樣，類似于復(fù)合樁基的設(shè)計(jì)思想。 CFG樁復(fù)合地基的優(yōu)點(diǎn) (1)適用性廣，承載力提高幅度大 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文 3 CFG 樁復(fù)合地基技術(shù)適用于非飽和及飽和的粉土、粘性土、填土、砂土、淤泥質(zhì)土等地質(zhì)條件，處理后復(fù)合地基的承載力與原地基承載力相比可提高 25 倍。 (2)施工簡便，工期短 CFG 樁施工方法一般為長螺旋鉆成孔泵送混凝土法，施工時(shí)沒有鋼筋籠 制作等工序，成孔成樁一次完成減少了成樁時(shí)間加快了施工速度。 (3)保護(hù)環(huán)境 CFG 樁施工時(shí)，不需泥漿護(hù)壁沒有泥漿外運(yùn)，既節(jié)約了資金又無環(huán)境污染，對市內(nèi)施工非常適合。 CFG樁在復(fù)合地基中的優(yōu)勢 (1)承載力提高幅度大、可調(diào)性強(qiáng) CFG 樁樁體可以從幾米到 20 多米，并且可全樁長發(fā)揮樁的側(cè)阻力，樁承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比可在 40%75%之間變化，使得復(fù)合地基承載力提高幅度大并具有很大的可調(diào)性。當(dāng)?shù)鼗休d力較高時(shí)荷載又不大，可將樁長設(shè)計(jì)得短一點(diǎn)，荷載大時(shí)，樁長可設(shè)計(jì)得長一點(diǎn) [3]。特別是天然地基承載 力較低而設(shè)計(jì)要求的承載力較高，用柔性樁復(fù)合地基一般難以滿足設(shè)計(jì)要求， CFG 樁復(fù)合地基則比較容易實(shí)現(xiàn)。 (2)適應(yīng)范圍廣 對基礎(chǔ)形式而言， CFG 樁既可以適用于條形基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)，也可以用于筏板基礎(chǔ)和箱型基礎(chǔ)。就土性而言 CFG 樁可用于飽和、非飽和粘性土，既可以用于擠密效果好的土，又可用于擠密效果差的土。 (3)樁體的排水作用明顯 CFG 樁在飽和粉土和沙土中施工時(shí)，由于沉管和拔管的振動，會使土體產(chǎn)生超孔隙水壓力。較好透水層上面還有透水性較差的土層時(shí)，剛剛施工完得 CFG 樁將是一個(gè)良好的排水通道，孔隙水將沿著樁體向上 排出，知道 CFG 樁體結(jié)硬為止。 (4)復(fù)合地基變形小 復(fù)合地基模量大、建筑物沉降量小事 CFG 樁復(fù)合地基重要特點(diǎn)之一，大量工程實(shí)踐表明，建筑物沉降量一般可控制在 24 厘米。對于上部和中間有軟土層的地基，用 CFG 樁加固，樁端放在下面好的土層上，可以獲得模量很高的復(fù)合地基，建筑物的沉降都不大。 CFG 樁體材料 20 世紀(jì) 80 年代末至 90 年代初， CFG 樁多用振動沉管打樁機(jī)施工，樁體材料多石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文 4 為水泥、碎石、石肩、粉煤灰組成。 90 年代中期，首先在北京開始應(yīng)用長蟫旋鉆管內(nèi)泵壓 CFG 樁混合料成樁工藝，并且迅速在全國推廣 。 CFG 樁混合料的水平運(yùn)輸和垂直運(yùn)輸較振動沉管打樁機(jī)施工發(fā)生了很大的變化。樁體配比和對混合料的要求也明顯不同。 CFG 樁的骨干材料為碎石，系粗骨料；石屑為中等粒徑骨料，當(dāng)樁體強(qiáng)度小于5MPa 時(shí)，石屑的摻人可使樁體級配良好，對樁體強(qiáng)度起重要作用。相同的碎石和水泥摻量，摻入石屑可比不摻石屑的強(qiáng)度增加 50%左右。 粉煤灰既是細(xì)骨料，又有低標(biāo)號水泥作用，可使樁體具有明顯的后期強(qiáng)度。振動沉管 CFG 樁與素混凝土樁的不同就在于樁體配比更追求經(jīng)濟(jì)效益。在有條件的地方應(yīng)盡量利用工業(yè)廢料做為摻和料 [4]。但不同地方的石屑粒徑的 大小和形狀以及含粉量不盡相同，粉煤灰的化學(xué)成分也各異。所以給出一個(gè)統(tǒng)一的精度很高的配比就比較困難。實(shí)際工程中樁體配比也要根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧蟻碓辞闆r而定，對缺少粉煤灰的地區(qū)，可以少用或不用粉煤灰改用砂取代。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文 5 第 2 章 CFG 樁復(fù)合地基基本原理 在 CFG 樁復(fù)合地基中上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載是由 CFG 樁體、樁周土和褥墊層共同承擔(dān)的。褥墊層將上部基礎(chǔ)傳來的基底壓力或水平力通過適當(dāng)?shù)淖冃我砸欢ǖ谋壤峙浣o樁及樁周土使二者共同受力 ， 同時(shí)土由于樁的擠密作用提高了承載力 ， 而樁又由于周圍土體的側(cè)應(yīng)力的增加而改善了受力性能。下面就 CFG 樁 復(fù)合地基中的樁、樁周土和褥墊層的作用機(jī)理進(jìn)行分析討論 。 樁的加固作用 (1)對地基土具有一定的擠密作用。對于散填土、松散粉細(xì)砂、粉土 ， 由于振動沉管 CFG 樁的振動和側(cè)向擠壓作用使樁間土孔隙比減小 ， 含水量降低土的干密度和內(nèi)摩擦角有所增加 ， 土的物理力學(xué)性能得到改善 ， 從而提高樁間土的承載力。 (2)樁體的排水作用。 CFG 樁復(fù)合地基在成樁初期 ， 因樁孔內(nèi)和周邊充填過濾性較好的粗顆粒填料 ， 在地基中就形成了滲透性能良好的人工豎向排水、減壓的通道 ,使孔隙水沿樁體向上排出 ， 可以有效地消散和防止振沖產(chǎn)生的超孔隙水壓力的增 高 ,加速地基的排水 ， 這種排水作用不但不會降低樁體強(qiáng)度 ， 而且可以使土體強(qiáng)度恢復(fù)并超出原土體天然承載力。 (3)預(yù)震效應(yīng)。 CFG 樁復(fù)合地基成樁過程中 ， 振沖器以一定的振動頻率或沖擊水平向加速激振土體 ， 使填料和地基土在提高相對密實(shí)度的同時(shí)獲得強(qiáng)烈的預(yù)震。提高了砂土抗液化能力。 (4)樁的置換作用。 CFG 樁中的水泥經(jīng)水解和水化反應(yīng)以及與粉煤灰的凝硬反應(yīng) ，生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶化合物 ， 它能使樁體的抗剪強(qiáng)度和變形模量大大提高 ， 所以在荷載作用下 ， CFG 樁的壓縮性明顯比樁間土小。因此基礎(chǔ)傳給復(fù)合地基的附加應(yīng)力 ， 隨地層的變形逐 漸集中到樁體上 ， 出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象 ， 大部分荷載將由樁周和樁端承受 ， 樁間土應(yīng)力相應(yīng)減小 ， 于是復(fù)合地基的承載力比原有地基承載力有所提高。 (5)對樁周土的約束作用在無側(cè)向約束的土體 。 受荷后其側(cè)向變形比有側(cè)向約束的大 ， 從而使垂直應(yīng)力集中 ， 由于 CFG 樁對樁周土體側(cè)向變形的限制 ， 使側(cè)向變形減小 ， 相應(yīng)地也減小了垂直變形。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文 6 褥墊層的作用 減小和減緩基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中 當(dāng)樁頂與基礎(chǔ)間不設(shè)褥墊層 ， 樁頂直接與基礎(chǔ)接觸 ， CFG 樁對基礎(chǔ)的應(yīng)力集中和鋼筋混凝土對承臺或樁上基礎(chǔ)應(yīng)力集中現(xiàn)象類似。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮樁對 基礎(chǔ)的沖切破壞。造成基礎(chǔ)尺寸的增加如果設(shè)置一定厚度的褥墊層 ， 由于褥墊層產(chǎn)生應(yīng)力擴(kuò)散作用 ， 使基底的應(yīng)力擴(kuò)散范圍增大相應(yīng)應(yīng)力集中減小 ， 有試驗(yàn)研究表明 ： 當(dāng)厚度等于零時(shí)樁對基礎(chǔ)的沖切相當(dāng)明顯隨著褥墊層厚度的增加 ， CFG 樁對基礎(chǔ)的沖切逐漸減小 ，當(dāng)厚度大于 300mm時(shí)應(yīng)力集中已經(jīng)很小 ， 設(shè)計(jì)時(shí)不考慮樁對基礎(chǔ)的集中應(yīng)力。 調(diào)整樁、土荷載分擔(dān)比 (1)調(diào)整豎向荷載在樁、土分擔(dān)比。 CFG 樁復(fù)合地基中樁與土的荷載分擔(dān)可以用樁、土應(yīng)力比 n 來表示 ： n=p/s (21) 式中 ， p 為樁頂應(yīng)力 ； s 為樁間土應(yīng)力。 當(dāng)褥墊層厚度增加樁土應(yīng)力比減小 ， 即樁間土承載力發(fā)揮的水平增高。當(dāng)褥墊層厚度為零時(shí)樁土應(yīng)力比最大 ， 受力狀況與樁基相同 ， 但當(dāng)厚度很大時(shí) ， 受力狀況與天然地基時(shí)的受力狀況相似。通過改變?nèi)靿|層的厚度 ， 可以調(diào)整和改善水平荷載在樁、土的分擔(dān)比例。 (2)調(diào)整水平荷載在樁、樁間土的分擔(dān)比。 CFG 樁復(fù)合地基由于褥墊層的作用 ，樁體本身與承臺板沒有連接 ,基礎(chǔ)受水平荷載作用力由基礎(chǔ)底面土抗力、側(cè)摩阻力及基底摩阻力來平衡 ， 當(dāng)基 礎(chǔ)承受一水平荷載時(shí) ， 樁頂和樁間土分別承受荷載 ， 并導(dǎo)致樁頂產(chǎn)生一水平位移。墊層厚度對樁頂水平位移的影響 :當(dāng)基礎(chǔ)承受垂直荷載、基礎(chǔ)埋深、置換率都相同的條件下 ， 墊層越厚樁頂水平位移越小 ； 反之 ， 樁頂水平位移越大。樁土水平荷載分擔(dān)比越小 ， 樁土水平荷載分擔(dān)比越大通過下式看出 ： Q=Qp+Qs (22) Qs=uPs (23) 式中 ， Q 為水平荷載 ； Qp 為傳到樁上的水平荷載 ； Qs 為傳到樁周土上的水平荷載 ； Ps 為樁間土分擔(dān)的豎向荷載 ； 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文 7 u 為基礎(chǔ)和土之間的摩擦系數(shù)。 當(dāng)褥墊層厚度為零時(shí) ， 基礎(chǔ)傳來的荷載幾乎全部由樁來承擔(dān) ， 當(dāng)隨著褥墊層厚度的增加 ， 樁周土承擔(dān)一定的荷載 ， 相應(yīng)承擔(dān)豎荷載逐漸增大 ， 樁間土水平荷載和其豎向荷載成正比例關(guān)系 [5]。 保證 CFG樁共同承擔(dān)荷載 在 CFG 樁復(fù)合地基中 ， 由于基礎(chǔ)是通過褥墊層與樁和樁周土進(jìn)行聯(lián)系 ， 故當(dāng)基礎(chǔ)承受荷載時(shí)先傳給褥墊層 ， 通過褥墊層傳 給樁和樁周土 。 由于褥墊層的存在 ， 樁可以向上刺入 ， 樁頂上的墊層材料在受壓的同時(shí)會擠向周圍樁間土 ， 以保證在任一荷載下樁和樁間土始終參與工作 ， 樁間土首先承受較多荷載并發(fā)生沉降變形。隨著樁周土沉降的增大 ， 樁周土?xí)粩嗟貙⒑奢d通過樁側(cè)摩阻力傳遞給樁。因此 ， 褥墊層能保證樁間土在任意荷載作用下都始終參與工作 ， 并最大限度地發(fā)揮其承載力。 當(dāng)樁頂與基礎(chǔ)間不設(shè)褥墊層 ， 樁頂直接與基礎(chǔ)相接觸時(shí) ， 樁與樁間土的變形相同 ，由于樁的變形模量遠(yuǎn)大于土的變形模量 ， 受荷后絕大部分荷載由樁承擔(dān) ， 樁間土承擔(dān)的荷載很少隨著荷載的增加 ， 樁的沉降增加 。 此 時(shí) ， 樁間土也承擔(dān)了一定的荷載增量。 基礎(chǔ)和樁之間設(shè)置一定厚度的褥墊層 ， 在上部荷載作用下 ， 樁間土的抗壓強(qiáng)度小于樁的抗壓強(qiáng)度 ， 樁頂出現(xiàn)應(yīng)力集中 ， 由于褥墊層在受壓時(shí)具有塑性 ， 褥墊層中與樁接觸的部分產(chǎn)生壓縮量 ， 其他部分也向下移動 ， 壓縮樁間土 ， 使其發(fā)揮作用。褥墊層的作用就在于使基礎(chǔ)傳遞的荷載通過其塑性調(diào)節(jié)作用將傳到樁間土 ， 達(dá)到共同承擔(dān)荷載的目的。 褥墊層的合理厚度 由前的討論可知，褥墊層厚度過小，樁對基礎(chǔ)將產(chǎn)生很顯著的應(yīng)力集中，需考慮樁對基礎(chǔ)的沖切，這勢必導(dǎo)致基礎(chǔ)加厚。如果基礎(chǔ)承受水平荷載作用，可能造成復(fù)合地 基中樁發(fā)生斷裂。 由于褥墊厚度過小，樁間土承載能力不能充分發(fā)揮，要達(dá)到設(shè)計(jì)要求的承載力，必然要增加樁的數(shù)量或長度，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。唯一帶來的好處是建筑物的沉降量小。 褥墊層厚度大，樁對基礎(chǔ)產(chǎn)生的應(yīng)力集中很小，可不考慮樁對基礎(chǔ)的沖切作用，基礎(chǔ)受水平荷載的作用，不會發(fā)生粧的折斷。 褥墊厚度大，能夠充分發(fā)揮樁間土的承載能力。若褥墊厚度過大，會導(dǎo)致樁、土應(yīng)力比等于或接近 1[6]。此時(shí)樁承擔(dān)的荷載太少，實(shí)際上復(fù)合地基中樁的設(shè)置已失去石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文 8 了意義。這樣設(shè)計(jì)的復(fù)合地基承載力，不會比天然地基有較大的提高，而且建筑物的變形也大。 結(jié)合大量的工程實(shí)踐的總結(jié)即考慮到技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理，褥墊層厚度取 ? 倍樁徑為宜 [7]。 樁間土的作用 (1)承擔(dān)豎向、水平荷載。 (2)對樁具有約束的作用 ： 可以提高樁的承載力 ,有試驗(yàn)表明 ， 樁頂荷載相同時(shí) ,復(fù)合地基中單樁的沉降量要大于自由單樁。其原因是 ， 樁間土所承擔(dān)的荷載使樁間土產(chǎn)生沉降 ， 而樁的端阻和側(cè)摩阻都需依靠樁和土的相對位移來共同承擔(dān) ， 樁間土的沉降加大了復(fù)合地基樁的沉降量 ； 另一方面 ， 樁身一定范圍的負(fù)摩阻力以及群樁效應(yīng) ， 也增大了復(fù)合地基樁的沉降量。同時(shí) ， 復(fù)合地基中單樁的承載力要高 于自由單樁。復(fù)合地基由于樁間土承受荷載產(chǎn)生 v 的正向壓力 ， 增大了樁周的摩阻力 ， 從而樁端處圍壓增加 ， 樁承受荷載的能力增加。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文 9 第 3 章 CFG 樁復(fù)合地基的工程特性 承載力提高幅度大、可調(diào)性強(qiáng) CFG 樁粧長可以從幾米到 20 多米，并且可全樁長發(fā)揮樁的側(cè)阻力，樁承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比可在 40%? 75%之間變化，使得復(fù)合地基承載力提高幅度大并具有很大的可調(diào)性。當(dāng)?shù)鼗休d力較高時(shí)荷載又不大，可將樁長設(shè)計(jì)得短一點(diǎn)，荷載大時(shí)樁長可設(shè)計(jì)得長一些。特別是天然地基承載力較低而設(shè)計(jì)要求的承載力較高，用柔性樁復(fù)合地基一般難以 滿足設(shè)計(jì)要求， CFG 粧復(fù)合地基則比較容易實(shí)現(xiàn)。 適應(yīng)范圍廣 對基礎(chǔ)形式而言， CFG 樁既可適用于條形基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)。也可用于筏基和箱形基礎(chǔ)。就土性而言， CFG 樁可用于填土、飽和及非飽和粘性土，既可用于擠密效果好的土，又可用于擠密效果差的土。 當(dāng) CFG 樁用于擠密效果好的土?xí)r，承載力的提高值既有擠密分量，又有置換分量；當(dāng) CFG 粧用于不可擠密土?xí)r承載力的提髙只與置換作用有關(guān)。當(dāng)土的承載力特征值時(shí)， CFG 樁的適用性值得研究。當(dāng)土是具有良好擠密效果的砂土、粉土?xí)r .振動可使土擠密，樁間土承載力可有較大幅度的提高， C