CFG桩复合地基承载力影响因素分析

蒋步泓

（宁夏建筑科学研究院有限公司，宁夏 银川750021）

0 引言

CFG 桩复合地基在处理高低层建筑、不均匀地基差异沉降、湿陷性黄土和灵敏土等方面，取得了可喜的成绩。但是，在推广过程中也出现了一些问题。与浅基础、 桩基相比较，CFG 桩复合地基理论还不成熟，落后于实际，其承载力和沉降计算理论正在发展之中。

1 桩侧摩阻力和桩端阻力特性

1.1 桩侧摩阻力特性

桩侧摩阻力的产生是由于桩和桩侧土在荷载作用下存在相对位移趋势或产生相对位移，若桩与桩间土之间不存在相对位移或相对位移趋势，则桩侧摩阻力为零。理论上，理想的刚性桩在垂直荷载的作用下，桩顶和桩低的位移相等，桩周各处的摩擦力能得到充分发挥。若地基土质均匀，则桩侧摩阻力沿桩深度方向分布是均匀的，并且随荷载的增大呈线性增大。

但对于半刚性桩的CFG 桩而言，在荷载作用下桩体自身会发生一定压缩量，此时桩顶位移大于桩低位移，桩与桩间土之间相对位移自上而下是逐步减少的。假设地基土质均匀，则桩侧摩阻力自上而下也是逐步减少的。然而，由于褥垫层的存在，在上部荷载作用下，桩体在一定程度下会刺入褥垫层，此时桩周土体发生沉降且沉降量超过桩的沉降时，桩周土体对桩产生向下的摩阻力作用，即产生负摩擦力，桩顶的摩擦力受到削弱，从而使得在沿桩长，摩擦阻力从桩顶到桩底呈先逐渐增大，然后逐渐减少的趋势。

1.2 桩端阻力特性

桩端持力层的特性会直接影响到桩端阻力的大小，对于理想的刚性桩而言，桩顶和桩端位移相等，如果桩端落在高强度的砾、砂类岩层上时，桩端阻力能够得到很好的发挥，复合地基承载力也得到了很大的提高。对于柔性桩，在上部荷载的作用下，桩体的压缩量可能等于桩顶的位移，这样桩端不管落在何种地层中，桩端阻力都不会得到很好的发挥，复合地基承载力的提高不明显。

CFG 桩属于半刚性桩的范畴，桩上的相对模量介于刚性桩和柔性桩之间，桩顶的位移由桩体产生的位移和桩体自身的压缩量构成，并且桩体自身的压缩量只占一小部分，这样当桩端落在较好的土层上，桩端阻力能够得到有效的发挥，复合地基的承载力有显著的提高。

2 桩体影响分析

复合地基中桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩的压缩性明显小于桩间土，桩顶应力比桩间土表面应力大，基础传递给复合地基的应力逐渐集中到桩体上。桩可将上部荷载向较深的土层传递并相应减少了桩间土承担的荷载，桩体就起到加强体的作用。复合地基承载力相比天然地基有了明显的提高，沉降量也有所减少。桩体随沿其刚度的增加，作用发挥的更加明显，复合地基承载力提高的更为显著。这一点也是CFG 桩复合地基和散体状比如碎石桩不同的一个特点。此外，桩体对桩间土还有一个挤密的作用。在荷载作用下，桩体不会膨胀变形，桩体承受的荷载通过桩周侧摩附力和桩端阻力传至深层地基土中，其复合地基承载力提高幅度更大。同时桩体本身具有良好的透水性，具有一定的排水作用，这种作用有利于孔隙水压力的消散、有效应力的增长、桩间土强度和复合地基承载力的提高。

桩径大小直接影响着复合地基的置换率，一根桩体如果承担的加固面积相同的情况下，桩径大，置换率就大，处理区域的复合模量就大，复合地基承载力提高的就越明显。桩体长度不同时，在承担相同的基础荷载时，桩体和桩间土所承担的应力分担不同，桩越长，桩承担的荷载就越大，桩间土的压缩变形就小；桩越短，桩体承担基础荷载就越小，基础荷载大部分由桩间土承担，使得沉降比较大。因此增加桩长可以增大加固区的深度，同时桩体越长，桩侧摩阻力越大，上部荷载可以传递到更深的土层中，使复合地基的承载能力提搞，变形减少。

3 褥垫层影响因素分析

根据《建筑地基处现技术规范》规定：桩顶同基础间应该设置一道褥垫层，厚度宜取150-300mm，当桩径大或桩距大时褥垫层宜取高值。褥垫层材料一般采用碎石或是灰土，若采用碎石褥垫层时，宜用粗砂、中砂、级配砂石或碎石等，最大粒径不应超过30mm。

褥垫层厚度大小的设置对负荷地基承载力的影响意义重大。褥垫层的设置使得桩及桩间土始终同时受力，并且通过调整褥垫层厚度大小来调解桩、土之间的荷载分配。褥垫层厚度过小，基础底部会产生应力集中现象，基础收到桩的冲切，这样势必要增加基础厚度或增加配筋，基础荷载主要由桩来承担，桩间土承载力达不到发挥，要满足设计要求只能增加桩的数量，这样会增加工程造价，对控制工程造价不利；褥垫层厚度过大时，桩体同桩间土之间应力比接近于1，这样桩体承载力又不能得到很好的发挥，复合地基承载力和天然地基承载力相比提高不明显，桩的设置就意义不大。因此，在设计CFG 桩复合地基时要严格控制褥垫层的厚度，这样才能调复合地基的承载力。

4 置换率的影响分析

复合地基中，一根桩和它所承担的桩间土体为一复合土体单元。在这一复合土体单元中，桩的断面面积和复合土体单元面积之比，称为面积置换率。复合地基承载力是由桩和桩间土承载力两部分构成的，桩的承载力相比桩间土要大很多，当桩长、桩径一定时，桩间距越小，即置换率越大时复合地基承载力越高，复合地基承载能力越高，变形越小，但是分担到桩间土上的荷载越小，不能充分发挥桩间土的承载力。而桩间距越大即置换率越小，则复合地基承载力也就越低。置换率的存在能有效的调节桩与桩间土的荷载分担比，研究表明当置换率在0.04-0.08 之间时，桩土荷载的分担比最为合理。

5 施工工艺影响分析

CFG 桩常用施工工艺有振动沉管灌注成桩，长螺旋钻孔灌注成桩和长螺旋钻孔、管内装混合料成桩。

三种施工工艺对施工条件都有其各自的要求，振动沉管灌注成桩施工工艺属于非排土成桩工艺，主要适合粘性土、粉土、淤泥质土、松散沙土等地质条件、长螺旋钻孔灌注成桩施工工艺要求施工土层处于地下水位以上，施工条件适合于粘性土、粉土、素填土、中等密实以上的沙土，属于非挤土成桩工艺；长螺旋钻孔泵压混合料成桩，适用于粘性土、粉土、砂土，以及对噪音或污染要求比较严格的场地。

6 时间和空间效应影响分析

在对CFG 桩复合地基进行施工时，可能会出现土体的结构强度降低甚丧失的现象，这种现象主要是由于使用振动沉管成桩的过程中，会产生剧烈振动，这种振动会扰动土体并使土体的结构强度降低，尤其是对高灵敏度土体的影响更为严重。在施工结束以后，土体结构强度降低的现象就会逐渐消失，主要原因有两点，其一就是对上进行了振动挤密，施工结束后随着时间的增加结构强度也逐渐恢复；其二是由于桩间土受桩的约束，不会随意侧向变形，土的受力性能大大提高。因此，在时间的推移下桩身强度、桩间土的结构强度等因素都能提高，复合地基的承载力大大提高。

7 结束语

总之，如何有效控制复合地基的质量并进而对质量进行准确预测是一个比较前沿的课题，此类研究也具有极为重要的理论价值和工程应用背景。

［1］龚晓南.复合地基设计和施工指南[M].北京:人民交通出版社，200.3

［2］阎明礼，张东刚.CFG 桩复合地基技术及工程实践[M].中国水利电力出版社，2001.