CFG桩复合地基的室内模拟试验分析

吴建奇，肖波

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2.景德镇市建筑设计院赣州分院，江西赣州341000）

CFG桩复合地基的室内模拟试验分析

吴建奇1，肖波2

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2.景德镇市建筑设计院赣州分院，江西赣州341000）

室内模拟试验是研究CFG桩复合地基的一种重要的科学手段，文中通过CFG桩复合地基的室内模拟实验研究，分析了在几何相似条件下不同桩长和不同桩间距的CFG桩复合地基桩体变形和单桩极限承载力特征，揭示了CFG桩桩土应力比大约在15～25，桩身应力随上压荷载的增加而增大等规律，特别是揭示了实际工程中难以做到的桩端持力层为软弱土层的短桩复合地基的变形、桩土应力分布和承载力特征，运用该分析方法对桩土应力比影响因素的分析表明：选择合理的桩间距、桩径、桩长能充分发挥CFG桩复合地基的承载能力，对指导实际工程具有较重要的实用价值.

CFG桩；复合地基；模拟试验

0 引言

CFG桩（Cement Flyash Gravel Pile）复合地基是由粉煤灰、砂、碎石和水泥夯击形成的桩体、桩间土及褥垫层组成.该技术由中国建筑科学研究院地基研究所于20世纪80年代末开发并逐渐推广应用.因其技术上的可靠性和经济性被广泛应用于填土、黏性土和松散砂土等软弱和相对软弱地基土的加固处理[1-4]，目前已经被广泛应用于工程项目的各种地基处理中[5-13].

现场试验是进行科学研究的一种重要的科学手段，通过现场试验，可以得出我们在实践工程中所研究对象的工程特征，总结我们的工程实践经验.同时，室内模拟试验也是进行科学研究的一种重要的科学手段，特别是对于许多土力学应用型课题，除了现场试验以外，室内模拟试验是一种很重要的科学手段.但是由于现场施工环境和条件的制约性对室外试验研究的干扰很大，主要体现在以下几个方面:①试验研究的方法和类型受到建设项目工期和质量要求的限制，有些试验项目无法开展；②在试验仪器的埋设过程中，受施工环境和工艺方法的影响，仪器保护较难控制，易出现埋设位置与设计偏差较大，埋设过程中仪器损坏等现象；③现场测试以及数据采集受外界环境影响较大，偶然性试验误差较大.为了对CFG桩复合地基现场试验的不足进行补充，开展CFG桩复合地基室内模型试验，从定性的角度进一步丰富和深入CFG桩加固软基的机理、变形、荷载传递以及承载特性等方面的研究.为此，结合某高层建筑CFG桩复合地基上程，就CFG桩体、桩间土、褥垫层不同部位的应力随建筑物荷重增加的变化特征等进行了室内模拟试验研究，所得成果对CFG桩复合地基的应用、设计、施工及检测等均有参考意义[14-20].

1 室内模拟试验

1.1 模型试验装置介绍

CFG桩复合地基室内模拟试验装置是由模型箱、加载设备和测量设备组成.模型箱净长2.0 m，净宽1.5 m，高1.8 m，桩端持力层是由3 mm钢板和弹簧共同来模拟，通过调节弹簧设置桩端持力层的承载力，用来模拟坚硬土层.试验荷载由改装后反力梁上的5 t液压加载设备提供，该反力梁距模型槽上边缘垂直高度为40 cm，可以沿模型槽长度和宽度方向移动至任意位置后固定加载.反力梁上的加载活塞可沿垂直方向伸出油缸35 cm，活塞末端安装了传感器，外接电子显示器，测量设备由各种型号的土压力盒、应变仪、百分表等组成.

本试验的模型设备主要有以下功能：

（1）制成后的模型箱不仅可以做CFG桩复合地基试验，而且可以做CFG桩的单桩试验，并且对于其它复合地基也是适用的.

（2）在模型中可以进行桩的不同长径比试验、不同桩材的试验和不同土性材料的试验.

（3）采用人工填土模拟桩周土的工程性质，同时可以在桩端按弹性地基方式模拟桩端持力层的工程性质试验.

（4）在模型试验中，可实测每根试验桩沿桩长不同位置的、桩侧摩阻力轴向应力、桩端端承力和桩侧极限摩阻力.

（5）在模型试验过程中可随时量测桩周土的垂直应力和水平应力，测定其单桩承载力，试验方法参照文献[21]及文献[22]等有关规范.

模型箱布置如图1所示.

图1 模型试验装置

1.2 模型试验内容

（1）在3 d和5 d的桩间距(d为单桩直径)、桩长为0.75 m和1.5 m的条件下，研究桩变形规律、荷载传递以及承载力特.

（2）在3 d和5 d的桩间距、桩长为0.75 m和1.5 m的条件下，研究CFG桩复合地基桩、土应力分担规律.

（3）对成桩过程中引起的土性变化规律进行研究.

2 模型试验布置

2.1 CFG桩模型设计

为了能够了解CFG桩复合地基在不同环境下的工作性能的差异，共设计了4组试验模型，分别为（其中L1、L2、L3、L4为桩长）：

（1）CFG单桩复合地基Z1：d=50mm，L1=1500mm；承台板尺寸为250mm×250mm，面积置换率为3.14%.

（2）CFG单桩复合地基Z2：d=50 mm，L2=750 mm，承台板尺寸为250mm×250mm，面积置换率为3.14%.

（3）CFG群桩复合地基Z3：d=50mm，L3=1500mm，桩间距采用5倍桩径组成，承台板尺寸为500 mm×500 mm，面积置换率为3.14%，上部采用15 mm厚细砂作为褥垫层.

（4）CFG群桩复合地基Z4：d=50mm，L4=1500mm，桩间距采用3倍桩径组成，承台板尺寸为300 mm×300 mm，面积置换率为8.72%，上部采用15 mm厚细砂作为褥垫层.

由于CFG模型桩直径较小，为了保持骨料与桩径的比例与工程实际基本一致，采用水泥、粉煤灰、砂、细砂来模拟CFG桩桩身材料，其中水泥采用325普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用I级粉煤灰，砂替代工程实际中的粗骨料碎时，粒径控制在2～5 mm之间，细砂是采用普通砂经过2 mm筛剔除粗颗粒的砂，以用来替代工程实际中的细骨料.采用重量配合比为1∶3∶5.5∶0.5∶0.85（水泥∶细砂∶砂∶粉煤灰∶水）来在室内按试验要求制作CFG模型预制桩，其强度等级为C10.

将室外土经过室内风干碾碎以后，加水配置成为含水量为26%左右的湿土料，用来模拟CFG桩复合地基模拟试验中的桩间软土层.模型桩间土土体的性质指标见表1.

表1 模型土体的性质指标

在以上单桩复合地基试验模型中，为了使单桩复合地基的试验环境与现场条件相似，将相同条件的桩布置在试验桩周围，桩间距采用5 d，以保证试验桩处于均匀的边界条件中，长桩为1.5 m，达到软土层底面，短桩为0.75 m，悬浮于软土层中.

2.2 室内模型试验的布置

（1）在CFG 试验桩埋设之前先布置桩底压应力传感器和变形测量装置在试验桩底面，在底板上面铺一层细砂，以确保感应面上受力均匀，变形测量系统是由底面预埋垂直变形测量装置和板面变形测量装置组成，与桩体等直径的钢板和固定在钢板边缘上的钢丝组成了底面预埋垂直变形测量装置，钢丝由保护管引出地面后，通过滑轮转换至读数装置上得到桩底的沉降量.

（2）将压力感应器布置在CFG试验桩的桩顶、桩间土和桩体的不同位置组成应力测量系统.压力传感器为应变计压力盒，外形尺寸为Φ28 mm×8 mm，引出4芯线接静电电阻应变仪测量.桩体应力测量点位于桩顶、桩底、中部和离桩顶1/4处，单桩模型试验的桩间土应力测量布置在桩至荷载板边缘的1/3和2/3处，桩复合地基试验的桩间土应力测量系统点布置按载荷板中心至边缘等距离分布.

（3）根据模拟试验要求在模型箱里先立直径为50 mm的不锈钢管，作为成桩导管，再分层填土来模拟土层，土层厚度为10 cm，填土时控制土体密度和均匀性.桩的试验布置如图2所示.

图2 模型试验桩的布置大样图

3 试验成果分析

在成桩后桩间土的物理指标和颗粒含量组成发生了明显的变化，表2和表3分别为成桩前、后桩间土的物理性质指标和颗粒含量组成对比分析结果.

表2 成桩前、后桩间土主要性能参数变化对比

表3 成桩前、后桩间土颗粒组成变化对比

通过对表2分析可以看出，在成桩以后，桩间土主要性能发生了明显的变化，孔隙比减少了3.14%，压缩模量增加了17.01%，说明了CFG桩成桩后桩间土的抗压强度明显提高了.而桩间土的含水量也提高了1.12%，这是由于试验条件而造成的，与土体排水固结效应等因素有关.对表3分析可以看出，桩间土在加固后，土的颗粒径组成明显的差异，主要是由于在桩的制作过程中，成桩的混和料中的浆液渗入到土体中，使土体发生了固结作用，从而造成桩间土的粒径有了明显的增大.

对4组试验模型桩进行了加载试验，采取各试验桩的测试值，其中群桩复合地基Z3和群桩复合地基Z4的中测试值按文献[21]有关规范，对群桩复合地基中4根单桩测定值取平均值，得到群桩中单桩测试值.对各测试值进行对比分析，得到关系曲线如图3～图14所示.

图3 单桩Z1、Z2上压荷载与沉降的关系曲线图

从图3～图5中可以看出各曲线都有明显的拐点，可以确定各自的极限承载力，单桩复合地基Z1的极限承载力大约为85.5 kPa，单桩复合地基Z2的极限承载力大约为41.8 kPa，群桩复合地基Z3中单桩极限承载力大约为63.7 kPa，群桩复合地基Z4中单桩的极限承载力大约为115.2 kPa.从图3中可以看出，单桩复合地基Z2的桩端持力层为软弱层，加载初期，桩顶、桩底沉降量差很小，随着上压荷载增加，其沉降量差逐渐增大，桩顶的沉降逐渐大于桩底的沉降，但其差值较小，说明桩本身的压缩变形很小，没有充分发挥桩身强度.而单桩复合地基Z1的桩端持力层为坚硬土层，在加载初期，其桩顶、桩底沉降差很小，随着上压荷载增加，其沉降差值越来越大，说明了桩本身产生了明显的轴向压缩变形，桩体承受了较大的上压荷载，桩体发挥了承载力.通过图3可以看出，桩径、桩间距、上压荷载、面积置换率相同，但桩长不同的单桩复合地基，持力层为坚硬层的长桩复合地基的极限承载力明显大于持力层为软弱层的短桩复合地基的极限承载力.

对图4进行分析可以看出，桩长相同、桩径相同、桩间距相同、下卧层相同的单桩复合地基Z1和群桩复合地基Z3，单桩复合地基的极限承载力比群桩复合地基中单桩的极限承载力要大，这充分体现了类似刚性桩基础工作时的群桩效应，单桩复合地基Z1的极限承载力大约为85.5 kPa，而群桩复合地基Z3中单桩的极限承载力大约为63.7 kPa，由此可以推算群桩效应系数约为0.75，这就说明了在软土地基中群桩效应对整个地基中的桩的承载能力起到减弱作用，出现这种现象的主要原因是在群桩复合地基中周围桩体的存在限制了桩间土体的侧向变形，这样就使得桩间土能够更多地参与到与桩一起来承担上压荷载，桩体承载力得到了抑制，未能像单桩复合地基那样桩体承载力能得到充分的发挥.

图4 单桩复合地基Z1群桩复合地基Z3上压荷载与沉降关系曲线图

图5 群桩复合地基Z3、Z4上压荷载与沉降关系曲线图

对图5进行分析可以看出，桩长相同、桩径相同、下卧层相同但是面积置换率不同的群桩复合地基Z3和群桩复合地基Z4，群桩复合地基Z4的置换率是群桩复合地基Z3的2.78倍，群桩复合地基Z4的单桩极限承载力是群桩复合地基Z3的1.81倍，充分说明了置换率是影响复合地基单桩极限承载力的重要因素之一.

图6 单桩复合地基Z1轴向应力与上压荷载关系曲线图

图8 群桩复合地基Z3中单桩轴向应力与上压荷载关系曲线图

对图6～图9进行对比分析，所有模型试验桩桩顶应力最大，并沿桩身逐渐递减，桩底部应力最小，随着荷载的增加，桩身各点应力也随之增加，说明CFG桩桩身的摩擦作用是很显著的.对图6与图7进行对比分析，在桩径相同、桩间距相同、上压荷载作用相同、桩长不同的条件下，短桩Z2中各测试点轴向应力都小于相应的长桩Z1中各测试点轴向应力，主要原因是桩身应力由桩顶荷载、桩侧摩阻力和桩端阻力组成，由于单桩复合地基Z2与Z1的持力层的承载能力不同，单桩复合地基Z2主要是受到桩侧土体的摩阻力，而桩端阻力对其阻力影响是很小.对图6与图8进行对比分析，在上压荷载相等时单桩的桩身各点应力大于群桩，这与群桩效应有关，群桩复合地基中桩体对周围土体的侧向变形产生抑制作用，根据作用和反作用原理，这种抑制作用使得桩间土对桩体的侧向摩阻力增大了，再加之桩间土更多地分担了上部荷载，因此群桩复合地基中桩身应力小于单桩复合地基.对图8与图9进行对比分析，在上压荷载相等、桩径相同、桩长相同但是桩间距不同的群桩复合地基地基Z3、Z4，置换率大的群桩复合地基Z4中单桩轴向应力小于置换率小的群桩复合地基Z3中单桩轴向应力，主要原因是随着置换率的提高，桩间土更多承担了上压荷载，因此置换率对群桩复合地基的单桩极限承载力的影响还是比较大的.从图6～图9中可以看出，所有模型试验桩都没有出现“两头小，中间大”现象，即不存在应力中性点，说明模型试验中的桩体受到的桩侧摩阻力均为正摩阻力，其主要原因是用于模拟现场碎石垫层的砂垫层厚度仅为15 mm，导致了砂垫层缺乏颗粒流动调整性，荷载作用下桩体和桩间土受力变形特点类似于桩基情况，桩体难以产生向上刺入垫层的变形.

图7 单桩复合地基Z2轴向应力与上压荷载关系曲线图

图9 群桩复合地基Z4中单桩轴向应力与上压荷载关系曲线图

模型试验桩在上压荷载作用过程中桩顶及桩间土不同测点的应力随荷载的变化曲线间如

图10 单桩复合地基Z1桩、桩间土测试点应力与上压荷载关系曲线图

图12 群桩复合地基Z3中单桩、桩间土测试点应力与上压荷载关系曲线图

对图10进行分析，对于持力层为坚硬土层的长桩复合地基Z1而言，在同一加荷范围内开始时桩土应力比与单桩复合地基Z2相似，当上压荷载达到一定限值时，桩体将产生较大的沉降变形，导致桩顶应力减少.由于下卧层是坚硬土层，当桩的沉降变形达到一定限值后，桩顶应力随着上压荷载的增加而增大，上部荷载主要是由桩体来承担，此时桩土应力比随着荷载的增加而减大，如图14所示.对图12和图13进行对比分析，在相同上压荷载作用下，群桩复合地基Z4的桩顶应力比群桩复合地基Z3普遍要小，从图14中也可以看出，群桩复合地基Z3的桩土应力比普遍要比群桩复合地基图10～图14所示.对图11进行分析，对于持力层为软弱层的短桩复合地基Z2而言，由于桩体刚度远大于桩间土，加荷后桩体应力集中，大部分荷载是由桩体承担，桩间土承担较小部分荷载，桩顶和桩间土随着上压荷载的增加而增大，由于持力层的承载能力很小，当上压荷载达到一定限值后，桩体将产生较大的沉降变形，导致桩顶应力减少.由于桩体沉降导致桩顶应力增幅随着上压荷载增加而减少，而桩间土承担的荷载随着上压荷载的增加而逐渐增大，因此在加载过程中桩土应力比是随着上压荷载的增加而逐渐较少的.Z4大，主要原因是桩间距的原因造成的，说明了桩间距较大时桩体应力集中现象比较明显.

图11 单桩复合地基Z2桩、桩间土测试点应力与上压荷载关系曲线图

图13 单桩复合地基Z4中单桩、桩间土测试点应力与上压荷载关系曲线图

4 结语

（1）CFG桩振动沉管灌注施工时因混和料浆液渗入桩间土层，而影响了桩间土的颗粒组成和力学特征.

（2）面积置换率和桩长对CFG桩复合地基的单桩极限承载力具有决定性的影响.

（3）通过载荷试验对CFG桩复合地基承载力进行检测，得到单桩复合地基单桩极限承载力与群桩复合地基单桩极限承载力存在较大差距，单桩复合地基的单桩极限承载力大于群桩复合地基.

（4）CFG桩桩体强度大于桩间土，在上压荷载作用下，桩体承受荷载远大于桩间土，桩土应力比大约在15～25，桩身应力随上压荷载的增加而增大，说明了CFG桩能充分发挥其桩侧摩阻力的作用.

（5）室内模型试验从模型仿真的角度分析了在几何相似条件下不同桩长和不同桩间距的CFG桩复合地基变形和承载力特征，特别是揭示了实际工程中难以做到的持力层为软弱土层的短桩复合地基的桩体变形、桩土应力分布和承载力特征，对指导实际工程具有较重要的实用价值.

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Indoor simulation test study on CFG pile composite foundation

WU Jian-qi1，XIAO Bo2

（1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Ganzhou Branch of Jingdezhen City Architectural Design Institute，Ganzhou 341000,China）

A significant and scientific approach to the study of the cement flyash gravel（CFG）pile composite foundation is to employ indoor simulation tests.Based upon indoor simulation tests on CFG pile composite foundation,the features of CFG composite foundation deformation and bearing capacity on similar geometric condition,with different pile length and different pile span are analyzed.The analyses show that CFG pile-soil stress ratio is about 15～25,and pile stress increases with the increase of load.The study also manifests the characteristics of deformation,pile-to-soil stress distribution and bearing capacity of composite foundation with a cushion of soft underlying layer and short piles,which is hard to achieve in reality.The results of the influencing factors analysis on pile soil stress ratio adopting this method show that choosing the reasonable pile diameter，spacing and length of piles can give full play to the carrying capacity of CFG pile composition foundation,which is important to guide the actual projects．

CFG piles;composite foundation;simulation tests

U416.1

A

2012-06-27

江西省自科科学基金（20122BAB206035）

吴建奇（1980-），男，讲师，主要从事土木工程等方面的研究，E-mail：wujq1980@163.com.

2095-3046（2012）05-0021-07