CFG复合地基的优化设计方法探讨

2011-01-09徐彦平

科技传播 2011年15期

关键词：褥垫单桩桩体

徐彦平

烟台建筑设计有限公司，山东烟台 264000

CFG复合地基的优化设计方法探讨

徐彦平

烟台建筑设计有限公司，山东烟台 264000

目前，常用的CFG复合地基设计方法是通过复合地基承载力初选参数，根据变形调整参数。基于此，本文介绍了CFG复合地基的特性，论述了承载能力计算和变形计算方法，提出了CFG复合地基设计优化的方法，结合工程实例分析了其可行性，为以后对CFG复合地基设计提供了借鉴。

CFG桩；复合地基；承载能力计算；变形计算；优化设计

0 引言

近年来，随着我国经济建设的飞速发展，多高层建筑大量涌现。由于多高层建筑重心高、荷载大的特点，要求地基的强度与变形均很高。人们发现，当地基土达到一定强度时，可采用CFG桩复合地基，比传统的桩基础具有明显的优势，能够取得较为满意的效果。CFG复合地基由天然地基、CFG桩、和设置在基础与桩土表面之间的一层散体材料褥垫层组成。其具有适用性广、承载力提高幅度大、施工简便、工期短、造价低、保护环境等优点。

当今在CFG复合地基设计方面存在的问题：设计人员经验少，致使桩端持力层不合理以及置换率、桩间距、褥垫层设计不合理，导致复合地基承载力和地基变形达不符合设计规范。一旦设计出现问题，后果就不堪设想，因此对CFG复合地基设计方法的研究具有实际意义和科学指导意义。

1 CFG复合地基计算

1.1 CFG复合地基承载力计算

CFG桩复合地基承载力的计算不是简单的天然地基承载力和单桩承载力叠加，需要对以下的因素：

1）考虑施工对桩间土的扰动和挤密是否会使得桩间土承载力降低或提高；

2）考虑桩对桩间土存在的约束作用；

3）考虑CFG复合地基中桩的荷载-地基沉降曲线出现硬化型，比单桩的承载力高；

4）考虑变形影响桩和桩间土的承载力，变形小时桩与桩间土的承载力小；

5）CFG复合地基桩间土承载力的大小与褥垫层的厚度有关。

龚晓南综合考虑了复合地基中实际发挥的承载力与桩体、桩间土的承载力的不同，以及在复合地基中土先破坏的假定提出了复合地基的承载力公式：

PCf为复合地基实际承载力；K1为复合地基中桩承载力的修正值；

K2为复合地基中桩间土实际承载力修正系数；Ppf为单桩极限承载力；

Psf为天然地基承载力；λ1为复合地基破坏时桩体极限强度发挥度；

λ2为复合地基破坏时桩间土极限强度发挥度。

通常，单桩在散体式复合地基中的破坏有刺入破坏、整体剪切破坏与鼓胀破坏。其中鼓胀破坏是单桩最常见的破坏形式。因此，对其研究多从径向入手。对于单桩承载力计算有3种：1）由Hughes和Withers运用极限平衡理论分析，得出以下单桩的极限承载力公式：

2）wong运用挡土墙上被动土压力的方法提出的计算单桩承载力的公式：

3）被动土压法。

公式（1）-（4）中，γ为土重度；z为土深度；Cu为土的抗剪强度；KPS为桩周土的被动土压力系数；ϕp为桩体材料内摩擦角；σs0为桩间土上竖向荷载；K p为桩体材料被动土压力系数。

1.2 复合地基变形计算

对于复合地基变形计算，可将其变形分成3部分：加固区的变形S1，压缩层下卧层的变形S2以及褥垫层的变形S3。在荷载作用下，地基总的沉降为这3部分之后：即：S=S1+S2+S3，但是，在实际的工程当中，褥垫层的变形较小，且在施工时已近基本完成。对加固区的变形根据实际情况采用复合模量法、应力修正法以及桩身压缩量法。其公式为：

公式（5）-（7）中：m为复合地基置换率；n为桩土修正系数；Sp为桩身压缩量；Eps为桩体压缩模量；Hi为第i层复合土层厚度；∆pi为第i层复合土上的附加应力增量。

对于以上的3种方法，复合模量法较方便，适合与散体材料和柔性桩复合地基。下卧土层压缩量计算方法分为压力扩散法和等效实体法，其具体公式为：

2 工程实例

2.1 工程概况

某高层地上24层，地下1层，剪力墙结构，筏片基础，基础面积为30×36m，基础埋身为7m。传递荷载F=4.1×105kN，M=2.1×105kN·m。采用CFG复合地基，桩的直径为0.4m，桩长为19m，等边三角形布置桩，间距为1.8m，桩土承载力折减系数为0.8。土层第一层为填土，层底卖深为2m，土层厚度为2m，重度为18kN/m3；第二层土为粘土，层底卖深为7m，土层厚度为5m，重度为19.2kN/m3；第三层土为粉质粘土，层底卖深为18m，土层厚度为11m，重度为19.8kN/m3，压缩模量为6.4MPa，侧阻力为48kPa，承载力特征值为140kPa；第四层土为粉土，层底卖深为23m，土层厚度为5m，重度为20.5kN/m3，压缩模量为12MPa，侧阻力为54 kPa，端阻力为1 000kPa，承载力特征值为180kPa。

2.2 结果分析

运用MATLAB软件对其进行优化设计分析得出以下结果。（1）按照传统的设计得出的桩径d=0.4m，桩长L=19m，复合地基的面积置换率为0.0448，褥垫层的厚度为200mm，布置桩的数量为389，CFG桩混合料用了933m3。经过优化后的几种结果比较，可选用其中一组桩径d=0.47m，桩长L=15.3m，复合地基的面积置换率为0.0398，桩间距为1.7m，褥垫层的厚度为200mm，布置桩的数量为437，CFG桩混合料用了830m3，节省11.3%的材料。