CFG桩复合地基机理与褥垫层的作用
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【摘要】：水泥粉煤灰碎石桩，简称cfg桩，作为一种地基加固技术，具有多种优点。本文就该桩型的基本理论进行探讨，以期为设计施工提供参考。
【关键词】：CFG桩;机理;共同作用;褥垫层
Abstract ] : Cement flyash gravel pile, referred to as CFG piles, as a kind of foundation reinforcement technology, has many advantages. In this paper, the basic theory of pile is discussed, in order to provide reference for the design and construction of.
[ Key words ]: CFG pile; mechanism; interaction; cushion
中图分类号：TU47文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）07-0020-02
一、荷载传递机理
CFG桩复合地基属于刚性桩复合地基，它和散体材料桩、柔性桩的传力机理不同。散
体材料桩需要桩周土的围压作用才能维持桩体的形状。散体材料桩在荷载作用下，桩体发生鼓胀变形，依靠桩周土提供的被动土压力维持桩体平衡，承受上部荷载的作用。柔性桩和刚性桩桩体为粘结材料，在荷载作用下依靠桩周摩擦力和桩端阻力将作用在桩体上的荷载传递给地基土体。但由于桩体刚度不同，柔性桩和刚性桩的荷载传递也有不同。研究表明桩体刚度的大小对粘结材料桩的荷载传递规律有较大影响。柔性桩复合地基存在有效（临界）桩长，这是柔性桩的桩身强度决定的，当柔性状桩长超过其临界桩长后，桩体的承载力增加很小，其桩体侧摩擦力随深度的增加而减少，变化比较大。随着桩的刚度增大，桩侧摩擦力沿深度变化梯度减少，这是桩体强度影响承载力的主要原因。
对于CFG桩而言，其承载力主要来自全桩长的侧摩擦力和桩端承载力，桩越长则承载力越高。加荷时，由于桩、土变形模量差异较大，导致土的沉降量要大于桩的沉降量，使桩身出现等沉面。等沉面以上的桩间土将相对桩体向下移动，从而对桩产生负摩阻力，而在等沉面以下，桩体相对于桩间土向下移动，故桩间土对桩体产生正摩阻力。带有垫层的低强度混凝土桩复合地基中桩侧负摩阻力的大小随荷载加大而变小，同时中性点位置逐渐上移，相当一部分上部土层的摩阻力随着荷载的加大由负摩擦力逐渐变为正摩阻力，使桩下部的摩阻力得到充分发挥。同时，也使桩周土体的承载力得到了增强。通过垫层土的补偿作用，充分发挥复合土体的强度。
二、变形协调条件
1、无褥垫层情况
桩体与桩间土协同工作的条件是基础与其下地基土保持接触。假设基础是绝对刚性的，
则桩顶沉降与基础下桩间土面的沉降相等。由于在一般情况下，桩尖下土层压缩量和桩尖平面以下土层压缩量是相同的。故桩体与桩间同工作的条件是：
式中——桩身压缩量；
——桩尖刺入量；
——桩尖平面以上桩间土压缩量。
该式表明：只有当桩尖刺入量与桩身压缩量之和等于桩间土压缩量时，才能保证状体和桩间同协调承载。
2、有褥垫层情况
设置褥垫层是，桩顶将产生刺入，桩体与桩间土协同工作的条件是基础与其下地基土保
持接触。假设基础是绝对刚性的，则桩顶沉降与基础下桩间土面的沉降相等，这时桩同作用的条件是：等沉面以上，桩间土及垫层压缩变形之和应等于桩体的压缩变形与桩顶刺入垫层中的刺入量之和，即：
式中——等沉面以上桩侧土层压缩量；
——等沉面以上桩体压缩量；
——垫层压缩量；
——桩顶刺入垫层量。
等沉面以下，桩间土及下卧层压缩变形之和应等于桩体的压缩变形与桩底刺入下卧层中的刺入量之和，即：
式中——等沉面以下桩侧土层压缩量；
——等沉面以下桩体压缩量；
——下卧层压缩量
——桩底刺入下卧层量。
三、加固机理
1、桩体的置换作用
CFG桩中的水泥经水解和水化反应以及与粉煤灰的凝硬反应生成不溶于水的结晶话和物，这些物质以纤维状结晶，并不断生长延伸充填到碎石屑的孔隙中，相互交织行程空间网状结构，将原来由点-点接触和点-面接触的骨料粘结在一起，使桩体的抗剪强度和变形模量均大大提高。CFG桩所承担的荷载远大于桩间土，桩体的进入起到了对地基土的置换作用。
2、挤密作用
CFG桩属高粘结强度桩，其复合地基挤密作用在一般软弱土层中表现并不明显，但在挤密效果良好的土层中成桩，桩间土的挤密效果显著。表现在两方面：一是对桩间土的直接的挤密，使桩间土获得了类似围压的作用，二是基础荷载通过褥垫层作用于桩间土，使桩间土竖向附加应力增加，当增加时，桩间土水平附加应力也随之增加，从而调高了桩周土对桩体的侧摩阻力。
式中——桩间土泊松比
排开桩本身的几何参数，以上两个方面是CFG桩在地基处理中表现的直接作用，从规范中给出的下面两公式可明显看出：
式中——复合地基承载力特征值；
m——面积置换率；
——单桩承载力特征值；
——桩的截面积；
——桩间土承载力折减系数；
——处理后桩间土承载力特征值。
式中——桩的周长；
n——桩长范围内所划分的土层数；
、——桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值；
——第i层土的厚度。
四、褥垫层的作用
1、保证桩同作用
复合地基设计的一个基本思想是桩同承担荷载，这也是复合地基与桩基础的一个根本区别。而桩同作用的条件是桩身的压缩量、桩顶刺入量、桩端的刺入量之和等于桩间土的压缩量与褥垫层压缩量之和，即满足变形协调条件。合理设置褥垫层，使桩端除了可以向下刺入外，也可向上刺入，通过软垫材料的流动补偿，使桩间土与基础始终保持接触，从而达到桩同作用的目的。
2、减少基础底面应力集中
由于CFG桩具有刚性桩特点，在未设置褥垫层时，桩顶对基础底面产生集中应力，不利影响有二：一是当桩体的刚度足够高时，桩顶可能对基础产生冲剪破坏，因而，在进行基础设计时，需按照桩基设计要求对基础进行抗冲剪强度验算，增加基础厚度和配筋；二是当桩体的刚度不足时，可能导致桩头破碎。若设置了褥垫层，则减少了应力集中。
3、调整桩土竖向荷载分担
综合上述协调变形与挤密效应，桩体对桩间土的围压作用增强了桩间土的承载能力，一般情况下，褥垫层越薄，CFG桩承担的荷载比越大，反之越低。
4、调整桩土水平荷载分担
由于褥垫层的设置，桩体与基础没有进行直接连接，基础受受水平荷载作用力则由基础
底面土抗力、侧面摩阻力及基底摩阻力平衡，使得基础水平荷载传到桩体的水平荷载减少。一般认为：褥垫层越厚，土分担的水平荷载占总荷载的比例越大，桩分担的荷载占总荷载的比例越小，反之亦然。
5、调节地基变形
由于褥垫层厚度的不同，可以影响桩土荷载的分担，根据这一原理，在CFG桩复合地
基的应用中，可以通过调整褥垫层厚度，影响地基的不均匀性，使复合地基达到协调变形的目的。
五、结语
1、CFG桩复合地基属于地基加固范畴，是由桩、桩间土和褥垫层三大要素组成的复合地基。
2、CFG桩复合地基具有提高承载力大、地基变形小等特点。
3、褥垫层技术是CFG桩复合地基的核心技术。选择合适的褥垫层材料，设置合理的褥垫层厚度对于CFG桩复合地基的使用效果具有重大意义。
参考文献：
1、《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002
2、《建筑地基处理技术规范》
3、《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008