地基基础处理技术第七章低强度混凝土桩复合地基法908Word格式文档下载.docx
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多层建筑地基
多层和高层建筑地基
通常在碎石桩桩顶2～3倍桩直径范围为高应力区，4倍直径为碎石桩的临界桩长，当桩长超过其临界桩长，大于6～10倍桩径后，轴向力的传递收敛很快，当桩长大于2.5倍基础宽度后，即便桩端落在较好的土层上，桩的端阻力也很小。
刚性桩与散体材料桩不同，一般情况下，不仅可全桩长发挥桩的侧摩阻力，桩端落在好的土层上也可较好的发挥端阻作用，若将碎石桩加以改进，使其具有刚性桩的某些性状，则桩的作用大大增强。
复合地基承载力会大大增加。
这样就在碎石桩体中，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桩，所形成的桩的刚度远大于碎石桩的刚度，但和刚性桩相比刚度相差较大，它是一种具由高粘结强度的柔性桩。
CFG桩、桩间土和褥垫层一起构成柔性桩复合地基。
如图7·
1所示，如图7·
1所示，CFG桩与素混凝土桩的区别仅在于桩体材料的构成不同，而在其变形和受力特性方面没有太大的区别。
图7·
1CFG桩复合地基示意图
第二节加固机理
CFG桩加固软弱地基主要有两种作用：
桩体作用和挤密作用。
CFG桩不同于碎石桩，是具有一定粘结强度的桩，在外荷载作用下，桩身不会向碎石桩那样出现鼓涨破坏，并可全桩长发挥侧摩阻力，桩落在好土层上具有明显的端承力，桩承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端阻力传到深层地基中，其复合地基承载力可大幅提高。
2·
1曲线1时装长15.5m、桩端仍在淤泥质土层中的单桩复合地基试验结果，曲线2是相同桩长、桩端落在较好的土层上单桩复合地基试验结果，前者复合地基承载力为205kpa,后者承载力可达315kpa，由此可见，CFG桩没有向碎石桩那样的临界桩长，它可以像刚性桩一样把荷载传到深层地基。
1复合地基
—S曲线
还有许多碎石桩和CFG桩的对比试验资料。
如南京造纸厂地基处理，碎石桩和CFG桩桩径均为350mm，桩长10m，CFG桩桩顶以下6倍直径范围内桩体强度等级为C12，余下桩体强度等级为C8,试桩施工完毕后28d进行荷载试验。
根据p～s曲线，对碎石桩复合地基，按s/b=0.01取值，其承载力为130kpa，对CFG桩复合地基，按s/b=0.01取值，其承载力为220kpa，原天然地基承载力为87kpa，可见CFG桩复合承载力提高幅度大，加固效果显著。
另外，CFG桩复合地基变形小，沉降稳定快。
根据南京5个CFG桩荷载实验数据统计分析，发现CFG桩复合地基10级荷载加荷的总时间不超过24h，这时的总沉降在20mm左右，且每级荷载加荷后第一小时的沉降量均占本级荷载总沉降量的90%以上。
而同一场地一组碎石桩复合地基10级荷载加荷的总时间为59h，这时的沉降量为69mm。
二、桩体的排水作用
CFG桩在处理饱和粉土和砂土地基的施工中，由于成桩过程中的沉降和拔管的震动作用（螺旋转成孔震动作用小些），会使土体内产生较大的超静孔隙水压力。
刚刚施工完的CFG桩将是一个良好的排水通道，特别是在较好透水层上面还有透水性差的土层覆盖时，这种排水作用更加明显，孔隙水沿着刚完工的桩体向上排出，直至CFG桩体结硬为止。
这种排水过程可延续几小时。
这样的排水现象不会影响桩体的强度，反而对减小因孔压消散太慢引起地面隆起和增加桩间土的密实度大为有利。
三、震动挤密作用
CFG桩施工利用震动沉管法施工，由于其震动作用，将会对桩间土产生扰动和挤密，特别是对高灵度土，会使其结构强度丧失，强度降低。
成桩结束后，随着恢复期的增长，结构强度逐渐恢复，新的结构强度的形成，桩间土的承载力有所提高。
以南京造船厂地基采用CFG桩加固，加固前后取土进行物理力学指标试验，由表7·
1可见，经加固后地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所减小，重度、压缩模量均有所增加，说明经加固后桩间土已挤密。
加固前后土的力学指标对比表7·
1
类别
土层名称
含水量（%）
重量（kg）
干密度（t/m3）
孔隙比
压缩系数（MPa-1）
压缩模量（MPa）
加固前
淤泥质粉质粘土
41.8
17.8
1.25
1.178
0.80
3.00
淤泥质粉土
37.8
18.1
1.32
1.069
0.37
4.00
加固后
36.0
18.4
1.35
1.010
0.60
3.11
淤泥质粘土
25.0
19.8
1.58
1.710
0.18
9.27
第三节设计计算
一、桩身材料及配比设计
（一）桩身材料
CFG桩是将水泥、粉煤灰、碎石、石屑加水拌和形成的混合料灌注而成，他们各自成分含量的多少对混合料的强度、和易性都有很大的影响。
CFG桩中的骨干材料为碎石，系粗骨料，石屑为中等粒径骨料，在水泥掺量不高的混合料中，掺加石屑是配比试验中的重要环节。
若不掺加中等粒径的石屑，粗骨料碎石间多数为点接触，接触比表面积小，联结强度一旦达到极限，桩体就会破坏，掺加石屑后，石屑用来填充碎石间的空隙，使桩体混合料级配良好，比表面积增大，桩体的抗剪、抗压强度均得到提高。
有资料说，在碎石含量和水泥掺量不变的情况下，掺入石屑可比不掺入石屑强度增加50%。
粉煤灰既是细骨料，又有低标号水泥的作用，可是桩体具有明显的后期强度。
水泥一般采用425号普通硅酸盐水泥。
一般不选用矿渣硅酸盐水和火山灰质硅酸盐水泥。
水泥的质量应符合GB175-92要求。
碎石的粒径一般采用20～50mm。
表7·
3·
1为某项工程中材料配比试验中的碎石、石屑的物理性能指标。
碎石、石屑的物理性能指标表7·
粒径（mm）
比重
松散密度（kN/m3）
碎石
20～50
2.70
13.90
0.96
石屑
2.5～10
14.70
1.05
注：
混合料的密度一般为21.0～22.0kN/m3
（二）混合料的物理化学性能
粉煤灰是燃煤发电厂排出的一种工业废料，它是磨至一定细度的粉煤灰在粉炉中燃烧（1000～15000C）后，由收尘器收集的细灰，亦称干灰。
用湿法排灰所得粉煤灰称湿灰，由于部分活性组成先行水化，所以其活性也较干灰为低。
由于煤的种类、煤粉细度以及燃烧条件的不同，粉煤灰的化学成分有较大的波动，其主要化学成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等，见表7·
2，其中粉煤灰的活性取决于Al2O3和SiO2的含量，Cao对粉煤灰的活性也较为有利。
全国粉煤灰的化学成分平均值（%）表7·
2
项目
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
烧失量
全国电厂平均
40～60
20～30
4～10
2.5～7
0.5～0.75
0.1～1.5
3～30
粉煤灰的粒度成分是影响粉煤灰质量的主要指标，其中各种粒度的相对比例，由于原煤种类、煤粉细度以及燃烧条件不同，产生较大的差异。
由于球形颗粒在水泥将中起润滑作用，所以粉煤灰中如果圆滑的球形颗粒占多数，就具有需水量少、活性高的特点。
一般粉煤灰越细，球形颗粒越多，因而水化及接触界面增多，容易发挥粉煤灰的活性。
粉煤灰中未燃尽的含量、通常用烧失量表示。
烧失量过大，说明燃烧不充分，影响粉煤灰质量。
含碳量大的粉煤灰在掺入混合料中往往增加蓄水量，从而降低混合料的强度。
不同发电厂收集的粉煤灰，由于原煤种类、燃烧条件、煤粉细度、收灰方式不同，其活性有较大的差异。
由于粉煤灰的性质有所差异，对混合料的强度有较大影响，我们选择粉煤灰时要Al2O3和SiO2越多越好，烧失量越低越好。
（三）桩体配比
1、桩体配比设计
CFG桩与素混凝土桩不同就在于桩体配比更经济。
在有条件的地方应尽量利用工业废料作为拌和料，但不同地域，石屑粒径的大小，颗粒的形状及含粉量不同。
如前所述，粉煤灰的质量也容易因外界因素的不同而性能各易，所以很难给出一个统一的、精度很高的配比，下面介绍的配比方法曾在实际工程中使用过的，加固效果较好。
混合料中，石屑与碎石（一般粒径为3～5cm）的组成比例用石屑率表示：
=
（7·
1）
式中
——石屑率
G1——单方混合料中石屑用料（kg/m3）
G2——单方混合料中碎石用量（kg/m3）
根据试验研究结果，
取0.25～0.33为合理石屑率。
混合料28d强度与水泥标号和灰水比有如下关系：
R28=0.366
（
-0.071）（7·
2）
式中：
R28——混合料中28d强度（kpa）
Rcb——水泥标号（kpa）
C——单方水泥用量（kg/m3）
W——单方用水量（kg/m3）
混合料坍落度按3Cm控制，水灰比W/C和粉灰比F/C（F：
单方粉煤灰用量）由如下关系
W/C=0.187+0.791F/C（7·
3）
混合料密度一般为21～23kN/m3。
利用以上的关系式，参考混凝土配比的用水量并加大2%～5%,就可进行配比设计。
下面通过控制坍落度为3cm，混合料28d强度为10MPa的配比，对配比设计步骤做以说明。
⑴用水量W
参照混凝土控制坍落度3cm时，单方用水量W=189kg。
⑵水泥用量C
选用Rcb=42.5Mpa的普通水泥，由式（7·
2）计算单方水泥用量。
∵R28=0.366
-0.071）
∴C=（
+0.071）W=（
+0.071）×
189=134.9kg
⑶单方粉煤灰用量F
根据（7·
3）有
F=（
-0.187）
=（
=207.1kg
⑷单方石屑用量G1和碎石用量G2
混合料密度一般按2.2kg/cm3，则单方混合料中碎石和石屑总量为：
G1+G2=2200-134.9-207.1-189=1669kg
取
=0.28则石屑用量
G1=
（G1+G2）=467.3kg
碎石总量
G2=1669-467.3=1201.7kg
这样可按上述配比试配，并按坍落度3cm调整用水量。
在实际工程中，桩体配合比也要根据当地材料来源而定，对缺少粉煤灰的地区，可以少用和不用粉煤灰，改用砂取代也可。
2、桩体配比试验
⑴不同石屑掺量的配比试验
通过此项试验可确定混合料的坍落度与石屑率的关系，以及混合料强度与石屑率的关系。
从而确定最佳石屑率。
石屑率的定义为式（7·
1）中的
。
1为不同石屑率对坍落度影响的试验结果。
可见相同的水灰比（W/C）和粉煤灰/水泥比（F/C），由于石屑率的变化引起的坍落度的变化使一个反向的绕曲曲线。
从图7·
1中可以看到石屑率在25%～33%的范围内时，混合料的坍落度出现峰值，表明流动性最好，这个值可成为最佳石屑率。
如果石屑率过大，骨料的总表面积和孔隙率都增大，在相同用水量的情况下，混合料得干稠，流动性小，则塌落度就小，石屑率过小，则石屑浆不足，也降低了混合料的流动性，并引起混合料的离析和泌水，同样混合料的和易性差。
图7·
1坍落度T与石屑率
的关系曲线
在水灰比（W/C）和二灰比（F/C）相同的情况下，只改变石屑率进行试验，根据不同石屑掺量对强度影响的试验结果可绘制成混合料的立方抗压强度R28与石屑率的关系曲线图7·
2所示。
从图中可看出石屑率同样存在着一个最佳值，在这个最佳石屑率范围内，抗压强度R28达最大值，可见石屑率过低或过高，强度都有下降的趋势。
2抗压强度R28与石屑率
⑵不同水泥、粉煤灰掺量的配比试验
3示根据某一石屑率，不同水泥、粉煤灰掺量的配比试验，得到的混合料的立方抗压强度R28的和灰水比C/W的关系曲线。
图7.3.3R28/R
～C/W关系曲线
石屑掺量使石屑率控制在最佳石屑率范围内，混合料的掺水量按坍落度为3cm控制的情况下，根据不同的水泥掺量，粉煤灰掺量的配合比，可得到如图7·
4所示的关系曲线。
从图中可得出，在相同水泥掺量的情况下，随着二灰比（F/C）的减小，水灰比（W/C）也相应减小，以及粉煤灰掺量减小，混合料的需水量在保证坍落度3cm的情况下相应有所减小。
图7.3.4W/C与F/C的关系曲线
⑶养护条件和龄期的配比试验
5和图7·
6是根据相同配比在标准养护条件下养护和水中养护，在不同龄期的试验结果，得到的混合料抗压强度R28（标准养护强度R汽和水中养护强度R水）与龄期T的关系曲。
从图中可以看到，混合料的强度增长有一个过程，4个月龄期的抗压强度是28d龄期抗压强度的1.71倍，而普通混凝土4个月龄期的抗压强度仅是28D龄期强度的1.44倍。
另外就养护条件而言，水中养护的混合料
5抗压强度R28与图7·
6养护条件对试块强度的影响
龄期T的关系曲线R汽—标准养护条件R水—水中养护条件
强度与标准养护条件下混合料强度相比，龄期较短时（<
52d），水中养护试样强度比标准养护条件下试样的抗压强度低，当超过这个龄期后，水中养护的强度高于标准养护条件下的抗压强度。
无论是水中养护还是标准养护，混合料的后期强度仍有较大增长，龄期超过半年，后期强度还在增长，这是因为粉煤灰经过一定时间在水中溶解并能较好的发挥其活性的原因。
（四）桩体强度和承载力关系
当桩体强度大于某一数值时，提高桩体标号对复合地基承载力没有影响，如图7·
7所示。
因此复合地基设计时，不必把桩体标号取得很高，一般取桩顶应力的3倍即可，这是由复合地基的受力特性决定的。
7不同标号相同桩长p～S曲线
二、复合地基承载力设计
复合地基承载力是由桩间土和桩共同承担荷载。
CFG桩复合地基承载力取决于桩距、桩径、桩长、上部土层和桩尖下卧层土体的物理力学指标以及桩间土内外面积的比值等因素。
CFG桩复合地基的承载力取值应以能够较充分地发挥桩和桩间土的承载力为原则，按此原则可取比例界限荷载值为复合地基承载力。
此时，桩达到承载力，桩间土内外应力的面积平均值达到天然地基承载力的80%以上。
复合地基承载力可按下式确定：
fSP=
4）
式中fSP——CFG桩复合地基承载力标准值（kpa）；
n——基础下桩数；
fp——单桩承载力标准值（kN）；
fk——天然地基承载力标准值（kPa）；
As——基础下桩间土面积（m2）；
A——基础面积（m2）；
——桩间土承载力折减系数，一般取
=0.8～1.0；
也可采用下式计算地基承载力标准值，
fsp=ξ[1+m（n-1）]fk（7·
5）
式中ξ——桩间土承载力折减系数，一般取0.8；
n——桩土应力比，一般取10～14；
m——面积置换率。
其他符号意义同前
目前复合地基承载力计算公式较多，下面再介绍两种常用的公式，其一是桩间土承载力和单桩承载力进行合理组合叠加；
其二是将复合地基承载力扩大一个倍数来表示，与式（7·
4）和式（7·
5）类似。
需要特别指出的是，复合地基承载力不是天然承载力和单桩承载力的简单叠加，需要对下面一些因素予以考虑：
1、施工时是否对桩间土产生扰动或挤密，桩间土的承载力在加固后与加固前比较是否有降低或提高。
2、桩对桩间土有约束作用，使土的变形减小，在垂直方向上荷载水平不太大时，对土起阻碍变形的作用，使土沉降减小，荷载水平高时起增大变形的作用。
3、复合地基中的桩pp～s曲线呈加工硬化型，比自由单桩的承载力要高。
4、桩与桩间土承载力的发挥都与变形有关，变形小，桩与桩间土承载力的发挥都不充分。
5、复合地基桩间土承载力的发挥与褥垫层厚度有关。
考虑上述因素，结合工程实践经验的总结，CFG桩复合地基承载力可用下面公式进行估算：
fsp=m
6）
或fsp=
7）
式中AP——桩的横断面面积（m2）；
fk——天然地基承载力标准值（kpa）；
——桩间土强度发挥度，一般工程
=0.9～0.95，对重要或变形要求高的建筑物
=0.75～0.9。
——自由单桩承载力标准值（kN）；
——表示桩间土的强度提高系数，
可根据经验预估或实测给定，没有经验并无实测资料时，对一般粘性土取
=1.0，对灵敏度较高的土和结构性土产生扰动的施工工艺且施工进度很快时，
宜小于一的数值，
fsk——加固后桩间土的承载力标准值（kpa）
Rk可按下式计算，并取小者
Rk=
8）
Rk=（UP
qsihi+qpAp）/k（7·
9）
——取0.3～0.33
R28——桩体28d立方体试块强度（15cm×
15cm×
15cm）
UP——桩的周长
qsi——第
层土与土性和施工工艺相关的极限侧摩阻力，按（JGJ94－94）的有关规定取值。
qP——与土性和施工工艺相关的极限端阻力，按（JGJ94－94）的有关规定取值。
hi——第
土层的厚度
k——安全系数，k=1.5～1.75
当用单桩静荷载试验求得单桩极限承载力RU后，Rk可按下式计算：
Rk=RU/k（7·
10）
对重要工程和基础下桩数较少时，k值取高值，一般工程和基础下桩数较多时k值取低值。
k值的取值比《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）中规定的k=2降低了12.5%～25%，这是根据工程反算并综合考虑复合地基中桩的承载力与单桩承载力的差异、桩的负摩擦作用、桩间土受力后桩的承载力会有提高等一系列因素确定的。
三、复合地基沉降计算
目前复合地基在荷载作用下应力场和位移的实测资料不多。
就测试手段而言。
测定复合地基位移场要比测定应力场容易些。
有些学者试图以测定的位移场为基础，再通过桩间土应力、桩顶应力和桩的轴力沿桩长的变化，利用土的本构关系的研究成果，用有限元计算应力场，将其计算结果与测定的有限的桩间土应力和桩顶应力进行比较，对计算结果不断进行修正，以期得到复合实际的复合地基应力场，为建立合理的复合地基沉降计算模式提供依据。
在进行沉降计算时，一般以土为计算对象，荷载将是桩间土应力
和桩荷载Pp。
通常又可将Pp用桩侧阻力Ppr和桩端阻力ppd替代。
这样，土体受到的荷载为三项，即
、PPr、ppd。
由他们产生的附加应力分布计算地基土的沉降。
显然，这一思路是合理的，但还需进一步作工作。
目前比较统一的另一个认识是把总沉降量分为加固区的沉降S1和下卧层的沉降S2，分别计算再求和。
（一）分层总合法
计算S1可以把加固区的桩间土作为计算对象，也可把桩作为计算对象。
当以桩作为计算对象时，要求桩顶和桩端不产生上、下刺入变形，即桩的压缩变形和加固区的土的压缩变形相等。
CFG桩总的沉降量小，L/B越大，桩数越小，下卧层的压缩量占总沉降量的百分比越少，起控制作用的是加固区的S1。
对单、双排布桩的条形基础和桩数较少的独立基础，用荷载p0（p0=p-
），p为基底应力，
为基底处原有的自重应力，D为基础的埋置深度）在基底桩间土产生的附加应力
作为荷载计算加固区的压缩变形s1，用荷载P0在下卧层产生的附加应力计算下卧层压缩量s2，计算值与实测值不会产生大的误差，置换率越低，桩数越少，两者的差异就越小。
当荷载不超过复合地基承载力时，可按下式计算复合地基沉降：
S=S1+S2=
）（7·
11）
n1——加固区土分层数；
n2——下卧层土分层数；
——桩间土应力
在加固区第
层土产生平均附加应力（kpa）；
——荷载在下卧层第j层土产生的平均附加应力（kpa）；
ESi——加固区第
层的压缩模量（kpa）
ESj——下卧区第j层土的压缩模量（kpa）；
hi、hj——分别为加固区和下卧区第
层和第j层的分层厚度（m）。
——沉降计算经验系数，参照《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）中的表5·
5取值。
（二）复合模量法
下面介绍第二种沉降计算方法，也可称为复合模量法。
假定加固区的复合土体为与天然地基分层相同的若干层均质地基，不同的是压缩模量都相应扩大ξ倍。
这样加固区和下卧层均按分层总合法进行沉降计算。
当荷载P0不大于复合地基承载力时，总沉降量S为：
12）
式中n1——加固区的分层数；
n2——总的分层数；
——荷载p0在第
层土产生的平均附加应力（kpa）
Esi——第
层土的压缩模量（kpa）
——第
层土分层厚度（m）
ξ——模量提高系数，
，其中m为面积置换率，n为桩土应力比，
为桩间土强度提高系数；
ψ——沉降计算经验系数，与式（7·
11）相同。
当用式（7·
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