探讨CFG复合地基中的褥垫层技术

赵伯霖 曲志明

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称(即Cement Flying-ash Gravel pile)。如图1所示,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桩复合地基技术已在全国广泛应用,大幅度提高地基承载力,具有适用范围广,施工方便,造价低等特点。褥垫层技术是CFG桩复合地基的一个核心技术。本文研究其作用机理,讨论其厚度大小对桩土产生的影响,结合实例,利用推倒公式来确定褥垫层厚度。

1 褥垫层的作用

1.1 使桩与土共同作用承担荷载

CFG桩的工作原理是在受荷载的作用下,通过褥垫层调整桩土之间的分担比例,使地基与桩共同受力,充分发挥桩间土与桩的承载能力,从而使地基提高承载力和减小地基基础的沉降。

对于由摩擦桩构成的桩基,其基础下面不设置褥垫层。当给定荷载时,承台与桩基承受较多的荷载,随着时间的增长,承台与桩基不断沉降,荷载逐渐转向承台下面的土体。承台与桩基承受的荷载随着时间的增加而减小,土体承担的荷载随着时间增加而增加,荷载逐渐向土体转移。

对于CFG桩复合地基,其基础下面设置褥垫层,桩可以向上刺入褥垫层,在这一变化过程中,垫层材料不断调整补充到桩间土上,桩间土表面的变化不断增加,但是桩和土的荷载不随时间变化而变化。

1.2 调整桩土荷载分担比

1)调整桩和桩间土的垂直荷载分担比。复合地基桩、土的垂直荷载的分担比可以用桩、土应力比 n表示:

其中,σp为CFG桩桩顶应力,kPa;σs为桩间土应力,kPa。

也可以用桩、桩间土荷载分担比 δp,δs来表示:

其中,P为总的垂直荷载,kN;Pp为桩承担的荷载,kN;Ps为桩间土承担的荷载,kN。

用A表示基础底面积,Ap表示桩的总横截面积,As表示基底下桩间土总横截面积,当面积置换率 m=Ap/A确定后,桩、土荷载分担比和桩、土应力比可互换,其表达式如下:

当测定桩、土荷载分担比 δp,δs以后,可以求得桩顶应力:

桩间土应力为:

则桩土应力比n:

式(6)为用桩、土荷载分担比表示的桩土应力分担比表达式,也可以用桩土应力比 n来表示桩土荷载分担比δp,δs。

当褥垫层厚度 h=0时,桩土应力比很大,桩分担荷载非常大。当褥垫层厚度很大时,桩土应力比接近于1。如表1所示,以桩长为 2.25 m,桩径为 16 cm,荷载板为 1.05 m×1.05 m为例,得出在不同荷载和不同褥垫层厚度桩的荷载分担比。可以看出,褥垫层厚度与桩间土应力成反比,荷载与桩间土应力成正比。由此可见,CFG桩复合地基中的褥垫层厚度与桩土荷载分担比联系十分紧密。

表1 不同荷载和不同褥垫层厚度桩的荷载分担比 %

2)调整桩和桩间土水平荷载分担比。CFG在承担水平荷载时,褥垫层的厚度也影响着桩和桩间土荷载的分担。当褥垫层厚度h=0时,基础受垂直荷载P和水平荷载Q作用,在基础无埋深的条件下,传到桩上的水平荷载为 Qp,传到桩间土上的水平力为Qs,并且下式成立:

其中,Ps为桩间土分担的荷载,kN;μ为基础和土之间的摩擦系数,其值在0.25～0.45之间。

1.3 减小基础底面的应力集中

当褥垫层厚度h=0时,桩对地基底面的应力集中很明显,需要考虑桩对基础的冲切破坏。当褥垫层厚度h逐渐增大时,基础底面产生的应力集中逐渐降低。

我们用β来表示桩顶对应的基础底面测得的应力与桩间土对应的基础底面测得的反力之比,β与褥垫层h的关系如图2所示。当0 cm＜h＜10 cm时,桩对基础底面的应力集中现象迅速减弱;当10 cm＜h＜30 cm时,应力集中现象缓和减弱;当 h=30 cm时,β值处于很小的状态。

2 褥垫层的合理厚度分析

对于中高灵敏土,应适当加大褥垫层的厚度,防止褥垫层施工时造成橡皮土。1)对于承载力较高的硬土层,承载力较低的桩间土,褥垫层厚度适当减小,使桩承担更多的荷载。承载力较高的桩间土应增大褥垫层厚度,以让桩间土分担荷载。2)置换率小,则单桩承担荷载大,为发挥桩间土的承载作用褥垫层应适当加厚,反之降低。

从褥垫层的受力机理导出褥垫层厚度公式。取桩顶直径与桩相等,高度为h的褥垫层土柱为隔离体对象。由于在褥垫层顶面处隔离体与周围褥垫层沉降变形同步,隔离体侧面所受的侧摩阻力为零,而在褥垫层底面处隔离体与其周围褥垫层差异沉降最大,则侧摩阻力最大,极限值为(σ0+γ h)kphtanφ。隔离体侧面所受的摩阻力方向向下,设摩阻力按线性分布,则隔离体所受的侧摩阻力为其中,

当褥垫层顶面处荷载均匀分布时,褥垫层厚度计算公式为:

其中,h为褥垫层厚度;σ0为均布荷载;φ为内摩擦角;γ为重度;d为桩径;m为置换率;n为桩顶面处桩土应力比。

实例分析,某工程刚性桩直径 d=0.50 m,桩长为6.0 m,桩顶面处桩土应力比n=4,置换率 m=0.156,内摩擦角 φ=30°,桩间距为1.2 m梅花形布桩。根据褥垫层厚度公式h=25 cm。根据具体的施工地质条件一般选择褥垫层厚度为28 cm。

3 褥垫层施工工艺及质量控制

在CFG桩复合地基中,为了使桩体充分刺入褥垫层,从而发挥褥垫层的作用,桩头部分应具有和桩体一样的刚度甚至超过桩体的刚度。但目前由于施工工艺的局限性,CFG桩桩顶1 m左右长度的桩体密实度较小,为了保证桩体完全刺入褥垫层,我们可以将此部分挖除,或者用碾压和夯实的方法使之密实,然后再进行褥垫层的铺设。当CFG桩施工完毕后,需等7 d自然养护,桩体才能达到一定的强度,这时才能进行桩头处理。必要时桩头需要进行浇水和加盖草帘处理。桩头和桩体养护完之后,进行褥垫层的铺设,为了给上部荷载在褥垫层中作用的应力有足够的空间,应使褥垫层宽度比桩外壁宽,同时为了充分发挥褥垫层减小集中应力的作用,应用平板振动器对褥垫层振动密实。

褥垫层施工质量控制对CFG桩复合地基的质量至关重要,不合理的施工工艺将造成重大的质量问题,甚至导致质量事故。在深入了解当地的地质情况下,才能选择合理的施工工艺。

1)褥垫层材料宜采用砂石或碎石,不宜采用天然砂卵石。2)桩间土为中高灵敏度土时,宜进行静压密实,不得进行振动夯实。3)褥垫层铺设保证桩体嵌入其30 mm～50 mm。4)在施工前,必须将桩间浮土清除干净,褥垫层底面若深度不同,搭接处按先深后浅的顺序进行夯压密实。5)褥垫层分段施工时,接头外做成斜坡,每层错开0.5 m～1.0 m并夯压密实。

4 结语

通过对CFG复合地基中的褥垫层作用的探讨,表明褥垫层技术是CFG桩复合地基的重要技术。褥垫层可以调节桩土分担比,减小应力集中,从而保证桩体与桩间土构成复合地基。合理的设置褥垫层厚度可以提高复合地基的承载力和减少沉降变形。褥垫层能否产生应有作用的关键:1)褥垫层厚度的确定;2)施工质量控制。在进行褥垫层施工时,根据复合地基的置换率及桩间土的性质进行具体设计确定。由于实际情况比较复杂,工程技术人员应权衡各个条件因素才能降低工程造价,从而更好的发挥褥垫层的效果。

[1] 牛志荣.处理技术及工程应用[M].北京:中国建材工业出版社,2004.

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