CM桩三维高强复合地基在地基处理中的应用

CM桩三维高强复合地基在地基处理中的应用

李冬梅

（中铁上海工程局集团建筑工程有限公司，上海200431）

摘要：CM桩三维高强复合地基由C桩（刚性桩）、M桩（散体材料桩、柔性桩、亚刚性桩）、桩间土（天然地基土）和褥垫层（级配碎石）四部分组成。CM复合地基适用于处理淤泥质土、粉土、砂土、粘性土和自重固结已完成的素填土、杂填土等地基。理论和实践均表明：CM桩复合地基充分发挥了桩间土、C桩和M桩三者的作用，不仅可以大幅度提高地基承载力，减少地基沉降，且具有很好的经济效益和社会效益。该复合地基技术体系，桩只承担了建筑的部分荷载，另外一部分荷载由桩间土来承担，提高土体承载能力达20～50%，这样，在保证同等承载力的条件下，可以适当降低桩的承载要求，节约部分桩体费用，同时能加快施工进度。

关键词：复合地基；CM桩；褥垫层；桩间土

前言

随着城市的不断改造和发展，城市可利用土地显得越来越少，导致高层、超高层不断出现，甚至有些高层建筑不得不建在地质条件较差的地基上，这对地基承载力和变形提出了更高的要求。为适应不断发展的社会需求，倡导国家节能减排政策方针，建设节约性社会，地基的处理方法、手段也更加科学化、精细化，优化设计、优化施工、优化管理将成为复合地基发展的必然趋势。因此，传统的单一桩型，单一的地基加固处理方式已不能满足实际工程的需要，急需推广和运用更经济、安全而又更加合理的地基处理方法。CM桩复合地基可以有效提高地基承载力，减小建筑物沉降量，降低差异沉降。这种复合地基的设计及应用具有很好的理论价值和应用价值。本文结合实际，简单阐述了CM桩在高层建筑基础施工中的技术研究。

1CM桩的设计理论

根据复合地基增强体的力学性能，CM桩桩体分C桩，M桩两类。M桩包括散体材料、柔性桩、亚刚性桩。散体材料桩：如碎石桩、砂桩等，其竖向承载力主要取决于桩间土的不排水抗剪强度。柔性桩：如石灰桩、二灰剂密桩、水泥土搅拌桩等，其立方体强度fcu不大于3Mpa，其有效桩长为20～25倍桩外径；亚刚性桩：如高压旋喷水泥桩、水泥粉煤灰碎石桩等，其立方体强度fcu为3～10Mpa，其有效桩长为25～35倍桩体外径。C桩即刚性桩，如各类混凝土灌注桩、预制混凝土桩、预应力管桩等，其立方体强度fcu为大于10Mpa，有效桩长可达80～100倍桩体外径。

M桩主要用来提高地基承载力，加固桩间土，增加C桩桩体摩阻力等。C桩的作用不仅是提高地基承载力，且可通过桩身将荷载向地基深处传送，减少压缩层变形，因此C桩一般选用刚性桩；筏板基础CM桩位布置如图1，图2所示。

CM桩复合地基可通过调整C桩和M桩的长度、刚度、布置形式、布置间距及褥垫层厚度等参数来满足地基承载力和沉降量的要求，具有较大的灵活性。

基底以下存在两层理想的桩端持力层时，在复合地基合理桩距范围内，若采用短桩方案，将桩端放在上层持力层，即使复合地基承载力能满足设计要求，由于加固区较浅，沉降结果一般偏大；若采用长桩方案，将桩端放在下层持力层，复合地基承载力、变形计算均能满足设计要求，但地基处理工作量大，费用较高。因此，此时可考虑将短桩的桩端落在上层持力层上，长桩的桩端落在下层持力层上，形成长短桩的复合地基，这样既提高了地基承载力、满足沉降变形，又可充分发挥桩间土的潜能，以降低造价。

2CM复合地基中的褥垫层

CM桩复合地基的C桩、M桩及桩间土的刚度相差较大，为消除桩顶应力集中现象，需在基础下设置一层褥垫层，褥垫层厚度一般取20～40cm为宜，当桩间距过大时，褥垫层厚度可适当加大。褥垫层采用粗砂、碎石、级配砂石，并应限制最大粒径。其主要作用如下：

（1）褥垫层为颗粒性材料，可有效减弱桩顶的应力集中现象；

（2）可有效减小C桩、M桩的桩土应力比，减小桩体中轴向应力，充分发挥桩间土的潜能；

（3）使桩间土竖向应力增大，相应桩间土水平向应力也增大，可大大减小桩体中的主应力差，有效改善桩体的受力状态，减小桩体上端被剪坏的可能；使CM桩复合地基变成三维高强复合地基，极大的提高了复合地基承载能力。

（4）可以减小地基的不均匀沉降。

另一方面，褥垫层抗剪能力差，可能存在会使刚性桩体产生向上刺入变形，使桩体上端存在负摩阻力区，针对此问题，根据现有的工程经验，在刚性桩的顶部安装一个能受压变形的桩帽，桩帽的压缩模量与地基土相当，它的外形与刚性桩端面相配（可略大于刚性桩端面），厚度在5～50mm（最佳范围为10～30mm），可采用挤塑泡沫制造或类似的材料制造，同时为了防止褥垫层刺破挤塑泡沫体制造的桩帽，采用在挤塑泡沫体上部与褥垫层之间加装簿钢板耐压体，耐压体可采用厚度不小于1.0mm的钢板制造。

3CM桩复合地基工作原理

当结构的重量通过褥垫层传递到复合地基的第一加载阶段，由于弹性桩帽传递力的延缓作用，结构重量先传递到复合地基的天然土中，使天然土压实沉降，下降量相当于桩帽的变形量，此时，刚性桩基本上不承担荷载。此后的第二加载阶段，地基附加荷载继续增加，刚性桩与桩间土共同承担荷载，在桩土共同承载的阶段，刚性桩由于其刚度大大高于桩间土，所以刚性桩承担了绝大部分的荷载。常规的刚性桩复合地基，不存在上述的第一阶段，所以，传统复合地基其桩间土的载力发挥度与采用CM桩的复合地地基相比要低很多。如图3所示。

CM桩三维高强复合地基提高天然地基土的承载力达20～50%，同时使刚性桩在地其沉降过程中产生下刺入作用咬合提高刚性桩的承载力和稳定性。

4CM桩实际应用情况

我公司施工的镇江市孟家湾安置房项目，地质勘探报告显示，土质以粉质粘土为主，局部存在淤泥质土，厚度不均匀。该项目的第12#楼，邻近御带河，下部有老河道，淤泥层较厚。本栋楼东西两侧层数相差两层，东侧二个单元28层，西侧二个单元26层。原设计为钻孔灌注桩、梁筏基础，桩直径φ800mm，桩长为38～43m，121根，见表1。基础梁尺寸1m（宽）*1.5m（高），筏板厚400mm。

预应力管桩顶端1m进行填芯处理，如图4。顶部采用30mm厚与地基压缩模量相近的无空隙挤塑泡沫板做桩帽，桩帽顶采用2mm厚钢板承压板，防止桩帽被刺穿。桩顶和基础之间满铺级配砂石褥垫层，配比为碎石：石屑：砂=5：3：1，碎石粒径不大于20mm，厚200mm，褥垫层用来改善基础荷载对预应管桩、石灰桩、桩间土的传递特性，充分发挥桩间土的作用，使得管桩、石灰桩、桩间土共同形成三维复合高强地基，这与灌注桩的工况相比，节约了工期，减少了造价，取得了良好的经济效益。

5结语

CM桩复合地基是由天然地基土体、C桩、M桩和褥垫层组成的人工地基。实践中考虑不同桩型、桩长、桩径、桩距等设计组合使复合地基显示出极强的经适用性和济性。根据荷载分布规律，基础荷载产生的附加应力随着深度的不断增加，因应力扩散而逐渐减小，需要的桩土刚度也相应减少，而刚性长桩与柔性短桩组合的复合地基刚度随深度增加而降低的分布模式符合基础荷载产生的附加应力在地基中对桩土刚度的分布原理，所以CM长短桩体复合地基不仅能充分发挥桩体的承载力，同时能积极调动桩间不同深度的土体共同参与工作，使得该种复合地基承载力显著提高。CM桩由于施工灵活，经济性也具有很大优势，会广泛应用于高层或超高层建筑地基处理中。

参考文献：

[1]龚晓南．复合地基理论与工程应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2002

[2]闫明礼，张东刚．CFG桩复合地基技术及工程实践[M]．北京：中国水利水电出版社，2006

[3]辛公锋，彭桂超，张忠苗．不同褥垫层刚一柔性桩复合地基试验研究[J]．施工技术，2005（9）

[4]杨敏，杨桦，王伟．长短桩组合桩基础设计思想及其变形特性分析[J]．土木工程学报，2005（12）

作者简介：

李冬梅（1973-），男，工程师，1999年毕业于上海铁道大学。