刚性桩复合地基和褥垫层在大型水池地基处理中的应用

刚性桩复合地基和褥垫层在大型水池地基处理中的应用

胡伟

中国市政工程西北设计研究院有限公司陕西西安710075

摘要：刚性桩复合地基在软土地基中的应用，并与褥垫层结合的设置是复合地基的关键核心技术，CFG桩结合褥垫层的复合地基来协调不均匀沉降并提高承载力的作用，并探讨了其在大型水池在软土地基中的运用及实践中的合理设计。

关键词：刚性桩复合地基；褥垫层；不均匀沉降；水池

引言

处理软土的地基方法有很多，常见的方法有换填垫层法、压实法、注浆法及复合地基法等。目前大多采用复合地基法对软土进行处理。

随着复合地基的理论与实践逐渐成熟，尤其是对于灰土挤密桩、水泥土类桩和振冲碎石、砂石桩等柔性桩复合地基的广泛应用，刚性桩复合地基技术，由于其自身具有更强的桩体强度，刚度大，可有效的发挥在土体中全桩长的侧向阻力，并可将上部荷载更有效的传递至桩端的持力层中，更好的发挥出其端承作用，因此也使得刚性桩复合地基得到了日益广泛的应用和推广。

刚性桩主要包括混凝土类桩、CFG桩及其它高粘结强度桩等。和其它类型复合地基相比，刚性桩复合地基具有变形模量高、可调性强，主要是提高地基承载力效果明显，并且桩体施工质量及使用过程中耐久性有保证等优点，在全国范围得到广泛应用和发展，对设计、施工都积累了丰富的经验。

由于给排水工程中一些大型水池的平面尺寸较大，而荷载不大（池体底板压力不大于100kN/m2左右）的特点，对于坐卧与软土地基上并且地下水位不高，不需要采取抗浮措施的这类大型水池大多数采用复合地基法进行地基处理。本文主要对大型水池采用CFG桩和褥垫层相结合的复合地基的应用进行探讨。

1CFG桩复合地基

CFG桩是由水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和而成的混合料，用各种成桩机械制成的具有一定强度的可变强度桩。CFG桩复合地基是通过挤密和加固土体而使之与桩间土、上部铺设的褥垫层一起形成复合地基土的地基处理技术和方法，而且CFG桩不配筋，桩体利用石屑机工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价。

CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接可以保证桩间土始终参与工作，将基础传来的部分荷载传至较深及承载力较好的持力层，可较大幅度提高地基承载力。由于CFG桩体的强度和模量比桩间土大很多，在荷载作用下，CFG桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少CFG桩顶间土承担的荷载。这样，由于CFG桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，并对地基不均匀沉降也有一定的补偿作用。

2褥垫层

2.1褥垫层的分类

复合地基褥垫层有多种分类按照材料不同可分为砂褥垫层、碎石褥垫层、石灰褥垫层以及二灰土褥垫层等按照有无水平向增强体可分为加筋褥垫层和无筋褥垫层。

2.2褥垫层的作用

褥垫层是复合地基的关键技术，能有效提高软土地基承载力及减小上部构（建）筑物沉降变形过大等问题的。

根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012，复合地基中褥垫层的作用主要有：1.有保证桩土共同作用；2.调整桩垂直荷载的分担；3.减小基础底面应力集中；4.调整桩、土水平荷载的分担；5.可使桩间土承载力得到充分发挥。

CFG桩复合地基最重要的特征也是褥垫层的设置，复合地基的很多特性都与褥垫层有关。现已成为刚性桩复合地基的重要组成部分。通常在基础与桩顶之间设置一定厚度的柔性垫层。其工作原理是上部结构的全部荷载通过褥垫层后，CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接保证桩间土始终参与工作，能比较均匀地同时传给桩和桩间土，桩间土的有效接触应力增加，桩周土的抗剪强度提高，相应提高桩的承载力，对地基不均匀沉降也有一定的补偿作用。

通过改变褥垫层的厚度，来调整桩垂直和水平荷载的分担比例，从而基础底面的应力集中的作用。褥垫层主要的作用是均匀传递和扩散地基反力。通常情况下，褥垫层越薄，桩承担的竖向荷载占总荷载的百分比越高。一般来说，褥垫层的厚度越大，桩顶的刺入量、褥垫层自身的压缩变形量都比垫层厚度薄的相对要大，这样可以适当的减小褥垫层厚度过大所造成的负面影响。类似于人坐在硬凳子和软沙发的对比，硬凳子坐着肯定没有柔软的沙发坐着舒服，主要是柔软的沙发和人体接触面积增大，较均匀的传递了人体荷载。在这个类比中的“人”相当于全部上部结构的竖向荷载，“沙发”相当于褥垫层，“硬凳子”相当于桩和桩间土。这个类比很形象地说明了褥垫层能均匀地扩散地基反力的事实。

３刚性桩复合地基褥垫层的设置原则

褥垫层是复合地基设计工作中的非常重要的工作，铺设褥垫层是刚性桩复合地基发挥其优势的关键技术之一，现已成为刚性桩复合地基的重要组成部分。其中最关键的两点值得参考，其一，设计文件中一定要计算褥垫层的虚铺厚度，以便指导施工；其二，褥垫层的设计厚度应根据桩周土质及桩端持力层进行充分考虑。

3.1设置褥垫层情况下刚性桩复合地基承载性状

如CFG桩施工完后，在桩顶铺设褥垫层后再进行上部结构的基础垫层或基础底板混凝土的浇筑，这样的做法能使桩体的顶部和桩端都有上下刺入相对桩身较软弱土层变形的可能条件。实测的桩土应力比n、桩和桩间土荷载分担比Pu/P及Pp/P随荷载变化的关系曲线见图1和图2。

图1荷载与桩土应力比曲线图图2桩和桩间土荷载分担比随荷载变化曲线

在上部结构荷载作用的初期，由于褥垫层的作用桩土共同承受上部荷载，此时桩土应力比n值较小、桩荷载分担比Pu/P值较大。随着荷载的逐渐增加，桩顶逐渐向顶部的褥垫层剌入，荷载向桩身集中，桩起主导作用，此时桩土应力比n值逐渐增大，桩荷载分担比Pu/P值逐渐减小，而桩间土荷载分担比Pp/P逐渐增大。当荷载继续增加到某一值时，桩土应力比n值出现峰值，桩荷载分担比Pu/P值和桩间土荷载分担比Pp/P出现共同的交点，这说明此荷载作用下桩和桩间土同时承担的荷载数值相同，此时桩的应力集中现象最显著，它标志着桩对褥垫层的剌入量已趋于稳定。随着荷载的继续增加，桩的剌入量增加很少，此时桩土应力比n值有所降低，桩荷载分担比Pu/P值逐渐减小，而桩间土荷载分担比Pp/P逐渐增大。桩土变形已趋同步，桩间土分担荷载增量大于桩分担的荷载增量，桩的承载力充分发挥，荷载增量绝大部分均由桩间土分担，直至达到桩间土的极限承载力，这时复合地基方告破坏。

3.2褥垫层对刚性桩复合地基承载力的影响

褥垫层对桩和桩间土协同工作中的调节作用，使桩间土体承担了部分荷载，但由于桩对褥垫层的上刺作用，使得褥垫层有向下的位移，这就会在桩顶侧壁上出现负摩阻力，在很大程度上会降低桩的有效承载力。而褥垫层的铺设厚度、密实度、侧面约束等条件也影响着载荷试验时褥垫层的压缩变形量。压缩变形量的变化会直接影响复合地基的最终沉降量，从而影响复合地基承载力的确定。

根据某工程刚性桩复合地基实测资料所述，测得桩顶处褥垫层的压缩变形量为5.12mm，桩间土上部褥垫层压缩变形量为3.57mm，桩顶刺入量为1.55mm，这说明褥垫层压缩变形量占了总体沉降变形量的很大部分。显然，根据该资料表明的沉降变形量所确定的承载力与实际承载力相比严重偏低，这足以说明褥垫层对复合地基承载力的影响。因此，有必要进一步研究褥垫层对静载荷试验的影响，以便得出准确的复合地基承载力。

3.3褥垫层对刚性桩复合地基沉降的影响

地基的整体沉降量包括三方面内容：褥垫层的压缩量、桩体及桩间土加固区的压缩量和下卧层的压缩量。其中褥垫层的厚度、材料特性、压实度以及褥垫层的侧向约束条件等都将对褥垫层的压缩量有很大程度的影响，并间接影响复合地基承载力的确定。

刚性桩复合地基顶设置褥垫层有利于协调桩、土变形，并影响复合地基的整体沉降。但由于目前常采用的将复合地基视为一种复合土体的复合模量法，采用复合模量来评价其压缩性，并采用分层总和法计算复合地基的压缩量。这样的方法显然是无法反映出褥垫层对复合地基沉降的影响。

在刚性桩复合地基沉降计算中，要考虑褥垫层在上部荷载作用下桩体的刺入所产生的局部压缩变形，而将其叠加至桩的P-S曲线中，而传统理论假定和计算模型中存在很大的局限性，如通常假设褥垫层的压缩变形量计算式为：

其中：ΔS褥垫层的压缩变形量；E为褥垫层的变形模量；P为上部荷载；h为褥垫层厚度。

传统的计算公式为线性计算公式，而实际工程中，褥垫层发挥作用，桩顶向上刺入褥垫层，褥垫层必然会产生不可恢复的塑性变形。由于褥垫层刚度并不是线弹性的变化过程，因此传统的线性计算公式将不再能反映实际沉降变形情况。因此设置有褥垫层的复合地基的沉降量的计算是有待研究思考的。

4大型水池在软弱地基中的刚性桩复合地基

在给排水处理厂工程建设中，由于盛水的大型池体较多，工程设计中所面临的主要问题有二个：一是软弱地基的处理问题，二是超大型钢筋混凝土构筑物的抗渗抗裂问题。因此，加强软弱地基的处理是工程建设的首要问题。

由于大型水池其体量较大，平面尺寸往往比较大，对不均匀沉降很敏感，尤其是对地基的不均匀沉降变形控制要求更高。由于大型水池在结构设计中，正常施用极限状态起控制作用，通过进行承载力、稳定、变形、抗裂度、裂缝宽度等方面的计算和验算来实现并确保其正常使用的功能。因此给排水工程中大型水池在建设中采用技术先进、经济合理的地基处理方法对于确保工程质量和节约造价是十分重要的。

4.1软土中施工CFG桩复合地基应注意的事项

在大型水池地基处理设计中除应满足复合地基承载力和变形条件外，还应综合分析并考虑以下因素来确定设计参数。

（1）桩端应进入持力层一定的深度，一般不小于1.0m；

（2）建议桩身强度不宜过高，在C5～C10左右。桩体受桩身周围土体的约束作用，桩身强度明显的提高；

（3）应根据地勘报告揭示的地质情况，选择合适的打桩顺序，不能千篇一律的按照一个模式进行。对于较密土层，不合理打桩顺序会出现断桩现象，后打的桩对土体的挤压力会传至先打的邻近桩，尤其是应在打桩时保证桩身要有两个以上的临空面，以便于打桩时桩间土的挤压应力的释放；

（4）应做好排水沟和集水井等排水系统，尤其是雨期施工时，以便能及时将桩孔周围的积水排走，以确保场地内无积水；

（5）设计确定施工工艺时，应结合场地周围环境情况。当场地离居民区较近或者有对振动比较敏感的生产设备及管线时，应选择螺旋钻管内泵压CFG桩工艺；若场地位于空旷区域，并且地基土主要为松散的粉细砂或填时土，则可选用振动成桩工艺。

5结束语

（1）在软土地基上建设给排水工程大型水池类构筑物，地基处理至关重要。需综合分析各种地基处理方法，通过论证，确认优化的处理方法。

（2）CFG桩根据桩土应力比，具有刚性桩和柔性桩共有的的性状特征，因此可以调节桩土应力比使其适用于多种土层施工。

（3）当水池平面尺寸较大时，在软土地基中沉降计算起控制作用，而不是地基承载力采用。CFG桩复合地基承载力提高幅度大，沉降量小，对于大型水池类加固软土地基效果显著，具有广泛的适应性。

参考文献：

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