复合地基褥垫层作用机理及取值的探讨

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摘要：简述CFG桩复合地基的基本概念，分析CFG桩复合地基褥垫层厚度的取值范围及取值方法。

关键词：CFG桩；复合地基；应力比；承载力；褥垫层

Abstract：The article briefly introduces the basic concept of CFG pile compound foundation and analyses the scope of the CFG pile composite foundation mattress layer thickness and value method.

Key Words: CFG pile；compound foundation；stress ratio；loading capacity；mattress layer

引言:随着建筑科技的发展，复合地基由于其充分利用桩同作用的优势和相对低廉的工程造价得到了越来越广泛的应用。CFG桩复合地基通过褥垫层的设置充分发挥桩间土的承载力，极大提高了CFG桩在复合地基的高承载力性能和抗变形性能，有效降低了工程造价。现行的《建筑地基处理技术规范》指出桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层厚度宜取 150～300mm，但由于许多设计人员不了解褥垫层的作用机理，选择褥垫层厚度时仅在规范规定的范围内随意取用某一值，因而有可能造成浪费，或者造成褥垫层作用效果不佳。

一、褥垫层的作用机理

CFG桩是复合地基的代表，目前多用于高层和超高层建筑中。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。

CFG桩复合地基设计中，基础与桩和桩间土之间设置一定厚度散体粒状材料组成的褥垫层，是复合地基的一个核心技术。

设置褥垫层的基本原理如下：

1.均匀地基应力

当CFG桩复合地基不设置褥垫层(H=0)时，CFG桩对基础产生极大的集中应力，桩与桩间土的应力比很大，并随着荷载的增加呈线性增长，但当CFG桩复合地基设置一定厚度的褥垫层(H>0)时，桩与桩间土的应力比就会产生变化，在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，这种情况尤其明显。在荷载作用初期，褥垫层将荷载比较均匀地传递给桩和桩间土，随着桩和桩间土变形的发展，桩间土的应力逐渐向桩体集中，桩与桩间土的应力比随之增大，近于呈线性增长；但在荷载作用后期，随着荷载的继续增大，桩体首先进入塑性状态，桩上应力又会逐渐向桩间土转移，桩与桩间土应力比开始减小，直至桩和桩间同进入塑性状态，最后趋于某一值，如图一所示。

图一 桩土应力变化示意图

同时，无筋低标号混凝土具有一个共性[3]：当桩顶为自由单桩承受水平荷载作用，即桩顶不承受垂直荷载作用时，单桩承受水平荷载的能力很小，当桩上作用有垂直荷载时，桩抵抗水平荷载的能力要比自由单桩的能力大得多。

因此，褥垫层对CFG桩复合地基均匀应力及协调变形有其不可替代的作用。

2.保证桩与桩间同承担荷载

CFG桩属于刚性桩，与桩间土属于两种模量差别很大的材料，而复合地基在刚性基础下等量变形时，地基应力将按材料模量(即刚度)进行分布，因此，桩顶范围内应力集中，并随荷载的增加而加剧，桩间土的承载力却难以发挥。试验资料表明，复合地基在基础荷载作用下，桩体范围内应力集中，近似于桩基的受力形态，而桩间土上的反力却仍保持着类似天然地基时的马鞍形分布。

而铺设一定厚度的褥垫层后，基础荷载通过褥垫层向桩间土扩散，桩体承担竖向荷载的比例得到调整，由此产生桩体与桩间同承担上部荷载的作用。CFG桩复合地基不设置褥垫层与设置一定厚度的褥垫层，其桩间土承担荷载的情况有明显区别,如图二所示；当然，要使桩间土充分发挥承载力，除铺设一定厚度的褥垫层外，适当的桩间距也很重要。

图二 桩间土承担荷载示意图

3.减小桩顶对基础底面的应力集中

当褥垫层厚度H=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H>0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。

褥垫层厚度设计应考虑的因素

前文所述可以看出，褥垫层的作用与其厚度密切相关，褥垫层作用发挥的如何，关键在于其厚度的取值，《建筑地基处理技术规范》中规定，褥垫层厚度不宜大于300mm，至于取值多少，如何取值？应从下面几个方面考虑：

1.从前文所述设置褥垫层的基本原理可以看出，褥垫层应有一定的厚度，根据大量试验结果表明：

(1) 褥垫层厚度越大，桩进入褥垫层的量越多，越容易充分发挥土的承载力；

(2) 褥垫层厚度越大，则桩土垂直荷载分担比将越低；

(3) 褥垫层厚度越大，则桩顶水平位移越小，桩顶承担的水平荷载越小，当褥垫层厚度不小于100mm时，桩体就不会发生水平折断，桩在复合地基中就不会失去工作能力；

(4) 桩顶竖向反力与桩间土竖向反力之比值β与褥垫层厚度H呈反比关系。

当H＜100mm时，β值较大；

当H≥100mm时，β值明显降低，桩对基础的应力集中现象已显著降低；

当H≥300mm时，β值很小，且随着H的增大，β值变化速率很小，桩对基础的应力集中现象已可以忽略不计。

因此，褥垫层厚度的最佳取值范围为100～300mm。

2.褥垫层厚度的取值方法

由于CFG桩具有刚性桩的受力传递的特征，因此CFG桩复合地基中，桩土应力比亦具有很大的可调性。

针对具体工程及工程地质条件，在进行CFG桩复合地基设计时，应根据下列原则经计算确定褥垫层的厚度。

(1)当密实或坚硬土层作为持力层埋藏较深，桩端难以落入该层时：

1)当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较好时，应选取厚度偏大的褥垫层来减少桩数，充分利用桩间土的承载力来达到降低工程造价的目的，该方法为降低桩土应力比值法；

2)当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较差时，应选取厚度中等偏大的褥垫层，在充分利用桩间土承载力的基础上，适当增加桩数，充分利用桩的承载能力,在满足安全的前提下，尽量降低工程造价，该方法为适当提高桩土应力比值法。

(2)当密实或坚硬土层作为持力层埋藏较浅，桩端容易落入该层时：

1)当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较好时，应选取厚度中等偏小的褥垫层，在充分利用桩间土承载力的基础上，尽量减少桩数，充分利用桩的承载能力，降低工程造价，该方法为适当降低桩土应力比值法；

2)当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较差时，应选取厚度偏小的褥垫层，在充分利用桩间土承载力的基础上,适当增加桩数，充分利用桩的承载能力，在满足安全的前提下，尽量降低工程造价，该方法为提高桩土应力比值法。

三、结束语

本文通过对CFG桩复合地基中褥垫层作用的探讨，说明了褥垫层的重要性，同时在讨论褥垫层厚度取值范围的基础上，给出了褥垫层厚度的取值方法。

参考文献：

[1] 张永钧，王仁兴，王吉望。《建筑地基处理技术规范》JGJ79－2002。北京：中国建筑工业出版社，2002。

[2] 滕延京，黄熙龄，王曙光等。GB50007―2011建筑地基基础设计规范。北京：中国建筑工业出版社，2011。

[3] 闰明礼，张东钢。CFG桩复合地基技术及工程实践。北京：中国水利水电出版社，2006。

[4] 徐至钧，王曙光。水泥粉煤灰碎石桩复合地基。北京：机械工业出版社，2004。