水泥粉煤灰碎石桩（CFG）复合地基施工及监测技术研究.doc

西南交通大学硕士学位论文水泥粉煤灰碎石桩（CFG)复合地基施工及监测技术研究姓名：蒋季洪申请学位级别：硕士专业：建筑与土木工程导教师：黄云德;陈光辉20061001西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要随着改革开放日益深化，国际能源的日趋紧缺，使得油库建设 发展迅速。油库发展的趋势和特点是储量大，工艺设备先进，自动 化程度高。为提高土地使用率、增大油库储量，降低建设成本，建 大容量_是唯一出路。大容量_特点是直径大，罐体高，对油鍵基 础要求，尤其是在罐体的不均勾沉降方面，有相当严格的限制。为 有效解决投资大，工期长，罐基前期和后期变形监测函难等问题， 对大型油罐基础地基承载能力和变形的研究与监测，以及研究和采 用先进的油罐地基加固施工技术具有重要的现实意义，本课题中研究的用水泥粉煤灰碎石柱（CFG柱）加固地基施工 技术是近几年发展起来的对大型油罐基础地基进行整体加固处理的 效果非常理想的一种新型技术。从发展至今，CFG桩的应用范围越来越广泛，它不仅能够大 大提高地基的安全性，缩短施工工期，可以大大节约工程造价， 还可防止周围地基出现下沉，是一种很有发展前途和推广价值的 软弱地基加固技术。本文结合工程实例，通过对CFG桩复合地基 设计主要确定的5个设计参数，即桩长、桩径、柱间距、桩体强 度、褥垫层厚度及材料的分析和研究，提出了设计程序；对振动 沉管非排土成桩和非挤土式成孔冲击成披两种不同的CFG桩成孔 施工工艺，进行了 CFG桩混合料材料性状和配合比设计计算；针 对不同施工工艺，提出了包括拔管速度、柱距确定、施打顺序、 混合料将落度及保护桩长等各个环节不同的施工质量控制措施； 通过对施工现场CFG桩单桩承载力和变形进行全程现场监测，从 而得出CFG桩复合地基承载力确定和变形计算机理。本文源于工 程，又高于工程，通过探讨和研究从更深层次地认识和掌握了 CFG 柱复合地基的设计理论、施工和检测技术，达到了更好的为现代 工程施工服务的目的。关键词：CFG复合地基；设计；施工：监测;西南交通大学硕士研究生学位论女第II页AbstractDeepens day by day along with the reform and open policy, international energy day by day scarce, causes the fuel depot construction development to be rapid. The fuel depot development tendency and the characteristic are the reserves big, process unit advanced, the automat city is high. In order to enhance the land utilization ratio, increases the fuel depot reserves, reduces the construction cost, constructs the large capacity pot is the only outlet. The large capacity pot characteristic is the diameter is big, the shell of tank is high, to the tank support request, in particular in the shell of tank differential settlement aspect, has the quite strict limit. Invests in a big way for the effective addressing, the time limit for a project is long, the pot base earlier period and the later period distorts questions and so on monitor difficulty, to the large-scale tank support ground bearing capacity and the distortion research and the monitor, as well as study and use the advanced oil pot ground reinforcement construction technology to have the vital practical significance.In this topic studies (the CFG pile) reinforces the ground construction technology with the cement pulverized coal ash garrulous stone marker is develops in recent years carries on whole reinforcement processing to the large-scale tank support ground the effect extremely ideal one kind of new technology.From the development, the CFG pile application scope more and more is until now widespread, not only it can enhance the ground greatly the security, reduces the construction time limit for a project, may save the project construction cost greatly, but also may periphery prevent西南交通大学硕士研究生学位论文- 第in页the ground appears the submersion, is one kind has the development future and the promoted value weak sub grade reinforcement technology very much. This article unifies the project example, through to CFG pile compound ground design main determination 5 design variable, namely pile long, pile diameter, pile spacing, pile body Intensity, mattress level thickness and material analysis and research, proposed the design procedure; To vibrates settling tube non-platoon earth Cheng Zhan and must pushes the earth type to become the hole to attack the pile two kind of different CFG piles to become the hole construction craft, has carried on the CFG pile blend material character and the mixture ratio design calculation;In view of the different construction craft, proposed including the cupping speed, the pile is apart from the determination, executes hits the order, the blend slump and the guard stake long and so on each link different construction quality control measure; Through carries on the entire journey scene monitor to the job location CFG pile single pile supporting capacity and the distortion, thus obtains the CFG pile compound ground supporting capacity determination and the distortion computation mechanism. This article source in project, also is higher than the project, through the discussion and the research from a deeper level knew and has grasped the CFG pile compound ground design theory, the construction and the examination technology had achieved better the goal which serves for the modern project construction.Key word: CFG compound ground; Design; Construction; Monitor;第1章绪论1.1本文工程背景、研究内容及硏究意义XX油库（根据公司相关规定，本文中隐去油库名称）技术改造 工程中，有一项重要的土建工程项目，即建4座20000m3的钢油罐 基础。拟建地原为油库材料库房区，根据勘探单位地质勘探报告， 场地工程地质条件差，不能直接用作天然地基。为满足设计院设计 4座钢油罐地基承载力不小于2lQKpa的要求，必须对整个场地地基 进行加固处理，通过对几种地基加固处理方案的比较，建设单位最 终选择采用当时在成都地区使用刚刚开始的一种新的地基处理方 案，即CFG柱复合地基处理方法工程由冶金部西南勘察基础工程 总公司承担，工程于2001年10月19日进场幵始施工前的凿井降水， 11月10日组织CFG柱施工设备和施工人员进场、施工，于2002 年1月28日完成全部工程，经检测部门检测，施工质量达到优良。 经过处理，原地基承载力得到很大程度提髙，同时，_土力学性质得 到了改变，满足设计对地基承载力的要求。在技术改造工程全部完 工后的近几年，建设单位请技术部门每年对4座大型油罐的基础沉 降做定期观测，从观测结果发现，基础沉降均勾，沉降量逐年减小， 地基变形非常稳定。可见，CFG桩复合地基在本工程中的应用相当 成功。本文以此工程为背景，展开对CFG柱复合地基这一课题的探 讨。CFG桩复合地基示意图见图1-1。基F.-图1-1 CFG柱复合地基示意图 本文结合工程实践，提出CFG桩柱体材料性状，分析了在垂直 荷载作用下复合地基的受力和变形性状，对复合地基的重要构成部 分即褥塾层进行了较为详细的阐述；通过对CFG桩复合地基承载力 计算和变形计算，提出了 CFG桩复合地基设计要点及设计程序；CFG 桩复合地基施工主要包括桩体施工和褥塾层施工两大部分，本文着 重对成都地区应用较为广泛的振动沉管CFG桩施工工艺及在本工程 中应用的非挤土式成孔冲击成柱的施工工艺的施工过程、质量控制 措施、扭头处理等技术进行了探讨；本文还通过施工现场对CFG桩 体承载力试验、承载力和变形检测等，计算并确定了 CFG桩复合地 基整体承载能力和变形性状；根据工程实践及探讨，最后得出结论。 本文研究的意义在于，本文结合工程实例，通过对CFG桩复合 地基设计主要确定的5个设计参数，即桩长、桩径、柱间距、柱体 强度、祷垫层厚度及材料的分析和研究，提出了设计程序；对振动 沉管非排土成被和非挤土式成孔冲击成桩两种不同的CFG桩成孔施 工工艺，进行了 CFG桩混合料材料性状和配合比设计计算：针对不 同施工工艺，提出了包括拔管速度、桩距确定、施打顺序、混合料 将落度及保护桩长等各个环节不同的施工质量控制措施：通过对施 工现场CFG桩单桩承载力和变形进行全程现场监测，从而得出CFG 桩复合地基承载力确定和变形计算机理。因此本文既源于工程，又 高于工程，通过探讨和研究从更深层次地认识和掌握了 CFG桩复合 地基的设计理论、施工和检测技术，达到了更好的为现代工程施工 服务的目的。为进一步推广和应用CFG桩处理软弱地基，同时在提 高地基的安全性，缩短施工工期，节约工程造价等方面都具有较强 的现实意义。1.2 CFG桩复合地基概述、国内研究现状水泥粉煤灰碎石桩（Cement Fly ash Gravel pile)简称CFG桩。 它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度 桩，和桩间土、褥塾层一起形成CFG柱复合地基。我国于1988年正式对CFG桩复合地基进行试验研究，被列入 国家建设部“七五”计划课题。19¾年CFG桩复合地基试验研究通 过建设部鉴定，专家一致认为，CFG桩复合地基试验研究成果具有 国际领先水平，具有很大的推广意义。1994年，CFG植复合地基成 套技术在全国范围进行推广，应用于工程实践。该项技术目前已在全国23个省、市广泛推广应用，据不完全统 计，已有超过3000多个工程应用了该项技术，成都地区于2000年 开始运用该项地基加固处理技术，并在某些方面迸行改进和简化。 和桩基相比，由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、 不用配置钢筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为柱 基的1/31/2，因此CFG桩复合地基技术具有非常显著的经济效益 和社会效益。近几年来，该项技术在成都地区乃至全国发展迅猛，已应用于 不同领域工程实践，尤其是北方地区的高层建筑地基处理中应用更 为广泛。由于CFG桩复合地基技术具有施工速度快、工期短、质量 容易控制、工程造价低廉的特点，目前已成为北京及周边地区应用 最普遍的地基处理技术之一。CFG桩是在碎石桩基础上加以改进和发展起来的。大量的工程 实践表明，碎石桩对塑性指数较大、挤密效果不明显的粘性土时，承载力提高幅度并不大。对粘性土承载力提高一般为20%60%»碎石桩系散体材料，本身没有粘结强度，主要靠周围土的约束 力传递基础传来的垂直荷载。土越软，对桩的约束作用越差，桩传 递垂直荷载的能力越弱。和其它复合地基相比，碎石桩作为散体材 料，置换作用也最差。刚性桩与碎石桩不同，一般情况下不仅要全桩长发挥桩的侧阻， 当柱端落在好的土层时也要很好地发挥端阻作用。若将碎石桩加以 改造，使其具有刚性桩的一些性状，则柱的作用会大大加强，复合 地基承载力将会大大提高。于是，在碎石柱桩体中掺加适量石屑、 粉煤灰和水泥，加水拌和，制成一种粘结强度较高的柱体，称之为 水泥粉煤灰碎石桩（Cement Fly ash Gravel pile),简称CFG桩。 CFG桩、柱间土和褥垫层一起构成CFG桩复合地基，如图1-2所示。 CFG桩属高粘结强度桩，它与素混凝土桩的区别仅在于桩体材 料的构成不同，而在其受力和变形特性方面没有什么区别。图1-2 CFG桩复合地基示意图.3 CFG桩桩体材料及其性状CFG柱成孔施工方法一般有两种，一是振动沉管打桩机成孔施 工，二是应用长螺旋钻管内泵压CFG栋混合料成柱工艺法施工。成 都地区多采用振动沉管打桩机成孔法施工。另外，在本工程中采用 非挤土式成孔冲击成桩的施工方法，这种施工工艺实质上就是对振 动沉管打桩机成孔法施工的简化。CFG柱桩体材料多为水泥、碎石、 石屑、粉煤灰等组成-不同的施工工艺，对柢体材料性状的要求不 同。1.3. 1桩体材料U水泥。对于普通挂酸盐水泥或矿蜜水泥，由于掺入了粉煤灰， 其混合料的和易性增强，流动性加大，采用较低的塌落度，即可满 足施：！：要求。CFG桩强度等级一般为C10C20，其水泥标号一般 选用 32.5号。实际工程中，CFG桩施工速度快，为保征桩体质 量及施工工期宜选用早期强度增长较快的普通挂酸盐水泥。水泥捧量是影响CFG桩桩体强度的一个重要因素根据试验， 柱体强度随水泥掺量的增加而增加，当水泥捧量超过30%后，桩体 强度随水泥掺量增加的比率先略有下降，然后缓慢增加：水泥掺量 超过50%，桩体强度变化比较稳定，较之30%水泥掺量的桩体强度变 化不大，抗压强度变化范围在5%之内，抗折强度也在4%之间。 在水泥掺量低于30%时，随着水泥掺量的增加，284的CFG桩桩 体强度迅速增加，而水泥惨量在30%60%之间时，桩体强度随着水 泥掺量的增加的增长较为缓慢。根据工程实践，低水泥掺量CFG桩体在3(1时强度非常低，只有 当水泥掺量比较高时，才会产生早期强度，从水泥掺量和柱体强度 增长的试验结果，并考虑强度及经济方面，CFG桩的水泥惨量控制 在30%左右较为适宜。2) 粗骨料。碎石、矿渔等均可用作CFG桩桩体混合料的粗骨 料。石屑为中等粒径骨料，当桩体强度小于5Mpa时，石屑的掺入 要使植体级配良好，对桩体强度起重要作用。相同的碎石和水泥掺 量，掺入石屑要比不掺石屑的强度增加50%左右。矿澄是冶金工业 所产生的各种废澄的通称，主要包括粒化高炉矿渔，电热碟査，绍、 铜渣等，各种矿査的物理性状、化学成分是不同的。矿澄掺量是影响桩体强度的因素之一，在水泥掺量和粉煤灰掺量 不变的条件下，随着矿蜜掺量的提高，CFG桩桩体的抗压强度和抗 折强度存在着一个最优值。当矿渣的含量小于18.2%时，CFG桩桩 体强度随着矿査含量的提高而增大，当矿査的含大于18.2%时， CFG桩柱体强度随着矿渣含量的提高而减小。3) 粉煤灰。粉煤灰是火力发电厂燃煤锅炉所排除的废澄。粉煤 灰的主要化学成分是Si02、AI2O3、FezOs及CaO，其总量约占粉煤 灰的85%左右，它们是有益成分；另外在粉煤灰中，还含有MgO、S03及游离氧化(f-CaO)等，它们则是有害成分。粉煤灰中Si02的含量在50%左右，它是玻璃的主要成分，是形成 水化挂酸盐胶体的主要来源，Si02含量越高，粉煤灰的活性也就越 大。AI2O3的含量在30%左右，这是粉煤灰活性所要求的含量范围， 当Ah03的含量超过40%以后，会引起粉煤灰中玻璃相的减少从而 导致粉煤灰的活性降低。粉煤灰中的CaO对凝胶体的形成是有利的， 但在我国的粉煤灰资源中，CaO含量在3%左右的占大多数，基本上 没有自硬性。粉煤灰中的MgO及S03的含量较少，但MgO的含量 过高以后，会对安定性产生不利的影响。另外，颗粒形状及大小对 粉煤灰的质量和活性有着较大的影响球形玻璃体含量越高，粉煤 灰的活性也越髙，多孔玻璃体的含量越多，粉煤灰的活性越小。粉煤灰可以调节桩体材料和易性，可以提高桩体的粘结力，对 驻强度有一定的影响。在水泥擦量不变时，随着粉煤灰掺量的增加， CFG桩桩体强度存在逐渐下降的趋势因此，在CFG桩中，釆用 单掺粉煤灰的CFG桩桩体强度较低。对于粉煤灰掺量同样为30% 的柱体，水泥掺量50%的抗压强度要远大于水泥掺量12%的抗压强 度，而对于水泥捧量同样12%的桩体，粉煤灰掺量48.5%和30%的 抗压强度相差不大。因此，水泥掺量是桩体强度的主要影响因素， 粉煤灰主要是调节桩体材料和易性。根据试验，当粉煤灰掺量在 20%和30%之间时，随着粉煤灰掺量的增加，CFG桩体抗折强度略 有下降，CFG桩中粉煤灰掺量的最佳范围是20%30%左右。1. 3. 2桩体配合比报动沉管CFG桩与素混凝土桩的不同就在于桩体紀合比更强调 经济效益。在有条件的地方应尽量利用工业废料做为掺和料。但不 同地方的石屑粒径的大小和形状以及含粉量不尽相同，粉煤灰的化 学成分也各异。因此，不可能有统一的准确的配合比。桩体配合比 可按以下方法进行大致计算，实际工程运用中，应根据当地材料性 质作调整。混合料中，石屑与碎石（一般碎石粒径为35cin)的组成比例 用石屑率表示：；1= (1-1)式中 A石屑率：G;单方混合料石屑用量，kg; Gj单方混合料碎石用量，kg。 根据试验研究结果，取0.250.33为合理石屑率。混合料28天强度与水泥标号和灰水比有如下关系：f饭=0.366/?* (C/fr-0.07l)(1-2)式中混合料28天强度，MPa； 一水泥标号：C一单方水泥用量，kg; 单方用水量，kg。 混合料将落度按3cm控制，水灰比FT/C和粉灰比F/C 为单方粉 煤灰用量）有如下关系：WiC=Q.m+QJ9FIC(1-3)混合料密度一般为2.22.3g/cm3。利用以上的关系，参考混凝土配比的用水量并加大2%5%，就可进 行配比设计。实际工程中桩体配比要根据当地材料来源情况而定，对缺少粉 煤灰的地区，可以少用或不用粉煤灰，改用砂取代。1. 3. 3养护条件图1-3是相同配比试样在水中养护与标准养护的比较。龄期较 短时水中养护试样强度比标准养护的低。当超过某一龄期后，水中 养护的强度高于标准养护的强度。这与粉煤灰经过一定时间在水中 溶解并较好地发挥了其活性密切相关。图1-3养护条件对试块强度的影响1.3. 4桩体应力应变特性将CFG桩桩体材料制成三轴试验的圆柱体试件，在静三轴仪中做 不同围压下的三轴压缩试验，根据试验，不同围压下的应力应变曲 线基本重合，破坏前基本为一直线。说明围压对桩体强度和桩体模 量影响不大，这一点与散体材料桩体的应力应变特性明显不同。1.4在垂直荷载作用下CFG柱复合地基的性状CFG桩、桩间土和祷整层一起形成复合地基，属地基范畴。桩 基是枯基础的简称，是一种深基础。尽管有时CFG桩桩体强度等级 与桩基中桩的强度等级相同，但由于在CFG桩和基础之间设置了褥 塾层，在垂直荷载作用下，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。1-4.1桩、土受力特性1.4.1.1桩、土受力时程曲线图14给出了由摩擦桩构成的桩基和CFG柱复合地基的受力时 程曲线。对桩基图1-4 (a),荷载一定时，随着时间的增长，承台和 桩的沉降不断增加，承台下土分担的荷载也不断增加、而桩承担的 荷载则随时间的增加而减少，也就是说，桩承担的荷载有一个逐渐 向承台下土转移的过程。对CFG桩复合地基，当基础承受垂直荷载时，柱和桩间土都要 发生变形。桩的模量远比土的模量大，桩比土的变形小，由于基础 下面设置了一定厚度的縛垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过 程，裤塾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，图1-4 (b)是给定荷载下桩、土受力时程曲线。可以看到，由 于裤垫层的设置，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，它不随时间变化而改变。1基«丨土图1-4桩基和复合地基桩、土受力时程曲线示意图(a)桩基；（b) CFG桩复合地基1.4.1. 2桩、土荷载分担图1-5 (a)是由摩擦桩构成的桩基，在垂直荷载作用下桩、土 荷载分担比随荷载水平的变化曲线。pikPt)图1-5桩基、CFG桩复合地基桩土荷载分担示意图(a)桩基；（b) CFG柱复合地基可以看出，随着荷载的增加，土承担的荷载占总荷载的百分比 尸/P逐渐增加，而桩承担的荷载占总荷载的百分比iV则逐渐减小 CFG桩复合地基图1-5 (b)】与桩基正好相反，随着荷载的增 加，柱承担的荷载占总荷载的百分比/yp逐渐增加，土承担的荷载 占总荷载的百分比iVP逐渐减小，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，柱间土承担的荷载占总荷载的百分点比iVP逐渐减小，柱承担 的荷载占总荷载的百分比/yp逐渐增大，当荷载尸t时，桩和土 承担的荷载各占50%, P> Pit后，拍承担的荷载超过桩间土承担的 荷载。当其它条件相同时，尸t随桩长增大而减小比如桩长3.2m时 iV=120kPa;桩长2.0rfi时/>*=270kPa:桩长1.2m时桩承担的荷载恒 小于桩间土承担的荷载。荷载一定，其它条件相同时，iV?随桩长增加而增大；随桩距 减小（置换率m增大）而增大；土的强度越低，P/P趣大，褥塾层 越薄，尸/P越大。 1.4. 1.3不同部位桩的受力刚性基础下群桩复合地基，桩所处的位置不同，受力的大小也图1-6桩土受力时程曲线及不同桩位的受力比较 1-边桩；2-边中桩；3-中心桩；4-桩间土1.4.1. 4桩传递轴向力的特征不同（见图1-6), 般是角桩受力最大，边中桩次之，中心柱最扭基中桩与承台刚性连接，在正常情况下，受垂直荷载后桩顶 的沉降、桩间土表面的沉降以及承台的沉降都相等，桩顶以下桩各 部位的位移都大于相应部位土的位移。桩侧土体对桩产生与桩位移 方向相反的侧阻力，即正摩擦力。桩的最大轴力发生在桩的顶部。CFG桩复合地基则不同，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，如图1-7所示。图1-7桩、土及基础P-S曲线在某一深度q范围同内，土的位移大于桩的位移（见图1-8)。 土对桩产生的摩擦力方向是与被沉降方向一致的，即所谓的负摩擦力（见图1-9)。处驻的位移和土的位移相等，该断面所处位置为 中性点。当时，柱的位移大于土的位移，土对桩产生的是正 摩擦阻力<>图1-8桩土位移示意图 图1-9桩的轴力随深度的变化示意图在中性点以上，桩的轴向应力随着深度的增加而增大，中性点以 下桩的轴向应力随着深度的增加而减小9桩的最大轴向应力就在中 性点处。由于祷塾层的设置，无论桩端落在软土层还是硬土层上，从加 荷一开始桩就存在一个负摩擦区。桩基中，在某些特殊情况下，比 如桩穿越欠固结土层或由于土性的变化，也可以引起土对披的负摩 擦作用。对桩基，负摩擦对桩的承载能力产生不利的影响。而CFG 桩复合地基土对桩的负摩擦作用，对复合地基并非有害，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。 1.4. 1.5柱间土应力分布刚性基础下柱间土上的应力分布如图1-10所示。在基础边缘应 力较大，在基础中间部分比较小。如按图1-10将桩间士的应力分为 内外区，用0，1表示外区的平均应力，<7 S2表示内区的平均应力，则 0 0 ,2多在1.251,45之间变化。tttT)图1-10刚性基础下桩间土应力分布图 .4. 2复合地基变形特性 .4. 2.1变形模式图1-11给出了复合地基变形示意图。图1-11 (a)代表荷载PO 时酌状态。图1-11复合地基变形示意图加荷后（P>0)桩顶发生沉降Sp，桩间土表面发生沉降知，柱 端处扭的沉降为s/ 由于抽体的模量很大，在通常荷载水平下， 轴向力引起桩的压缩变形很小，可以忽略不计这样，桩任一断面 处的位移可认为与桩顶的位移相等，便有s/ =Sp。桩端处土的位移 用S.'表示。由于桩间土表面的沉降大于桩顶的沉降，桩顶的一部 分进入到祷塾层中，称之为上刺入变形，以表示：西南交通大学硕士研究生学位论文 第贡A 上=s Sp在桩端处，桩的沉降大于土的沉降，即产生下剌入变形，用At表示： 柱长（¾)范围内土的压缩量Si等于上刺入量与下刺入量之和，即Si=A 上柱间zt表面总沉降量&减去加固范围（¾) 土的压缩量Si,即为下 卧层的压缩变S2= S一 Si若用幻表示褥塾层压缩量“邦HO，则基础总的沉降量为S=Si+S2+S3(1-4)这就是说，基础总沉降S由三部分组成，其一为桩长范围土层的压 缩量S丨；其二为下卧层的压缩量幻；其三为祷塾层的压缩量幻 1.4. 2, 2驻长对变形的影响如地质条件相同，当荷载一定时，桩越长，上刺入量Ai和下剌 入量At越小，桩长范围内土的压缩变形量st也就越小；桩越短， A_t、AT、SI也就越大。桩长不同，同一荷载水平桩、土荷载分担 比不同，桩越短，桩间土荷载分担比越髙，柱间土受的荷载越大， 柱间土的压缩变形越大，桩长范围土的压缩变形也越大：反之，柱 越长，土的荷载分担比越小，土的压缩变形越小，S|也越小。当然，影响和At大小的因素不仅仅是桩长，褥塾层的厚度 和下卧层土性对上、下刺入变形均有很大影响。祷塾层越薄，驻承 担的荷载越多，Ai也就越小，下卧层土越硬，桩向下刺入越困难， 下刺入变形量At也越小，桩长范围土的压缩量Si也越小。同样，桩越长，总的沉降S也越小，下卧层压缩变形幻也越 小，令 5 i=si/s 5 2=S2/s, 6 3=S3/s；«2 , S3 分别表示驻长范围土的压缩量、下卧层土的压缩量和褥垫层的压缩量占总压缩 变形量的百分比。当桩长一定时、52随荷载增加变化不大，即加固区的压缩 变形和下卧层的压缩变形占总压缩变形量的比例基本没有大的变 化。当荷载大小一定时，桩越长，加固区的压缩变形量占总压缩变 形量的比例越大，下卧层压缩变形量占总压缩变形量的比例越小。 由于搏塾层的厚度一般均不大（3060cm)，压缩变形量很小，西南交通大学硕士研究生学位论文 第15页通常可以忽略不计。这样，总的沉降量为加固区和下卧层压缩变形 之和，即S=S|+S2<1-5)1.4. 2.3基础宽度对变形的影响复合地基与天然地基一样，当置换率、桩长及土性相同时，给 定荷载下加固区压缩变形S丨、下卧层压缩变形幻以及总压缩量S都 随基础宽度增加而增大。综合考虑桩长和基础宽度两个因素的影响，用/6(/为桩长，b 为基础宽度）作为参量，其它条件相同时，/A越大，总的沉降变形 越小，当/b动时,下&层压缩变形量占总压缩变形量的百分比很 小。t.4. 2.4 深层变形性状将复合地基荷载试验时测得的桩间土表面的平均应力和士表面 的变形，与相同荷载下天然地基的土表面变形作一比较，结果无论 是单桩复合地基还是群桩复合地基，在荷载0，较小时，复合地基桩 间土表面的变形都小于天然地基的变形。随着荷载的增加，两者的 变形相等，之后则有复合地基的变形大于天然地基的变形。在桩端 处复合地基下卧层的压缩变形大于同一深度天然地基的压缩变形。 显然，这是由于复合地基中扭将一部分荷载传递到深层的结果，复合地基和天然地基&曲线之间的差异，主要来自于桩的参 与。一般可以认为桩对桩间土变形的影响有两个方面-1) 复合地基中桩的存在，使披间土的变形受到桩的约束，侧向 变形受到限制，从而使土的垂直变形减小。桩对被间土的约束作用 与基础下桩的数量有关。单柱复合地基，柱的约束作用最小，群桩 复合地基，桩数越多，约束作用越大。2) 由于褥势层的设置，复合地基中，桩存在负摩擦区。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。当荷 载较小时，被的端阻作用发挥较少，桩侧阻力是主要的。1.4. 2.5复合地基中桩的变形性状群桩复合地基静载试验表明，刚性基础下不同位置桩的沉降变 形基本相等。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16贡荷载相同，复合地基中桩的变形比自由单桩的变形大，除了复 合地基群桩效应，其它桩的桩荷载对该桩的影响外，由于褥塾层的 设置而始终存在的土对桩的负摩擦作用导致桩沉降加大，也是一个 重要頂因。复合地基中桩数越少，这些作用的影响越小。单桩复合地基没 有其它桩荷载应力叠加的影响，负摩擦对被的作用是主要的。在群桩复合地基中，随着荷载的增加，桩间土分担的荷载增加， 桩间db应力a ,在不同深度产生的附加应力使桩周围正应力有较大 的增量，柱侧阻力相应增大。桩的端阻作用加强。1.5 CFG桩复合地基褥塾层技术祷塾层技术是CFG桩复合地基的核心技术，复合地基的许多特 性都与祷塾层有关。CFG桩复合地基的褥塾层是指由粒秋材料经级 配组成的散体塾层。1.5. 1褥塾层的作用1) 保证桩、土共同承担荷载.若基础下面不设置祷塾层，基础直接与桩和桩间土接触，在垂 直荷载作用下承载特性和桩基差不多。在给定荷载作用下，桩承受 较多的荷载，随着时间的增加，柱发生一定的沉降，荷载逐渐向土 体转移。其时程曲线的特点是：土承担的荷载随时间增加逐渐增加； 桩承担的荷载随时间增加逐渐减少。如果桩端落在坚硬土层或岩石上，桩的沉降很小，柱上的荷载 向土上转移数量很小，桩间土承载力很少发挥。在基础下设置一定 厚度的祷垫层，情况就不同了，即使桩端落在好的土层上，也能保 证一部分荷载通过褥塾作用在桩间土上，借助褥塾层的调整作用， 使给定荷载作用下桩、土受力时程曲线均为常值。2) 调整柱、土荷载分担比复合地基桩、土荷载分担，可用桩土应力比n表示，也可用桩、土 荷载分担比Sp、表示。当褥塗层厚度AH=()时，桩、土应力比很大，在软土中，桩、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17页土应力比n可以超过100，桩分担的荷载相当大。在AH很大时， 桩、土应力比接近于1 此时桩的荷载分担比很小，并有m » 桩、丄荷载分担与褥垫层厚度密切相关。3) 减小基础底面的应力集中当祷塾层厚度AH=O时，桩对基础的应力集中很显著，和柱基 础一样，需要考虑桩对基础的冲切破坏。当AH大到一定程度后， 基底反力即为天然地基的反力分布桩顶对应的基础底面测得的反力0 iip与桩间土对应的基础底面 测得的反力OR,之比用e表示（0-<Ijp/OR,)。当褥垫层厚度大于 10cm时，桩对基础底面产生的应力集中己显著降低，当AH为30cm 时，P值已经很小，4) 调整桩、土水平荷载的分担 (1)桩、土水平荷载时分担当褥垫层厚度AH=0时，桩在垂直荷载P作用下荷载分担比很大， 而土的荷载分担比5 s很小。在无埋深条件下，荷载Q传到桩上的 水平力为（¾，传到土上的水平力为Q,，并有 QQp +Q,(1-6)(1-7)式中桩间土分担的荷载；U 基础和土之间的摩擦系数，11多在0.250.45之间变化。 由于AH=0时P，较小，则CJ，也很小，此时水平荷载主要由桩来分担， A很大。当褥垫层厚度ah增大到一定数值时，作用在桩顶和桩间 土上的剪应力Tp和T，相差不大，桩顶受的剪力为置 换率：A为基础面积；Tp为桩顶剪应力）占水平荷载的比例大体与. 面积置换率m相当，即此时桩受的水平荷载很小，水平荷载主要由 桩间土承担。(2)单桩水平荷载试验分析根据静载试验，在桩顶无垂直荷载条件下，当水平荷载Q达到 某一数值时，（比如45kN)，桩的水平位移急剧增加，此时桩已破 坏。而在桩顶施加一较小（如30kN)垂直荷载，当水平荷载加到 45kN时，桩并未发生破坏。.随着水平荷载的增加，水平荷载Q与 桩顶水平位移间呈非线性发展关系。由此可知，CFG桩复合地基西南交通大学硕士研究生学位论文第页中的枯由于柱顶作用着垂直荷载，柱抵抗水平荷载的能力要比自由 单柱大得多。(3)复合地基水平荷载试验 试验表明，搏塾层厚度越大，桩顶水平位移越小，即柱顶承受 的水平荷载越小.大量工程实践和室内外试验表明，祷塾层厚度不 小于lO