探讨CFG桩复合地基褥垫层作用机理及数值模拟

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研究与探讨
部分，则桩难以有效发挥承载力。这两种情况都有违设 （ａ）所示。在软土中，桩土应力比 ｎ 可以超过 １００，桩分
置褥垫层的目的，而在这两者之间，必然存在适当“刚 担的荷载相当大。当 ΔＨ 很大时，桩土应力比接近 １。此
度”的褥垫层，能使桩间土充分发挥作用。所谓适当“刚 时桩的荷载分担比很小，并有，如图 １（ｂ）所示。
的特点是：土承担的荷载随时间增加逐渐增加；桩承担
的荷载随时间增加逐渐减小。
2.2 调整桩土荷载分担比
图 2 β 值与褥垫层厚度关系曲线图
复合地基桩、土荷载分担，可用桩、土应力比 ｎ 表 示，也可以用桩、土荷载分担比 δＰ、δｓ 表示。
当褥垫厚度 ΔＨ＝０ 时，桩土应力比很大，如图 １
2.4 调整桩、土水平荷载的分担
由褥垫层的工程经验取值范围，陈键［８］建议一种带
经验系数的褥垫层厚度设计公式如下：
- - ｄ＝ ２ ５
ｒｐ ｅｘｐ
π ２
ｔａｎφ
ｔａｎφ
（式 ４）
由式（４）计算得到的所有褥垫层厚度设计值基本符
合工程经验的取值范围，即 １００～３００ｍｍ 故其建议的经
验式（３）是合理的。
4 褥垫层的数值模拟
周爱利用软件 ＡＮＳＹＳ 建立桩、土、垫层作用的三维 有限元接触单元的数值模型，对竖向荷载作用下褥垫层 的作用机制进行分析。在建立有限元模型时对土体、桩 体、垫层均采用三维 ８ 节点实体单元—— —Ｓｏｌｉｄ４５ 单元 模拟，同时在桩体与桩问土、桩体与垫层之间均设置了 接触单元。刚性面与接触单元分别选用 Ｔａｒｇｅｔ１７０ 和 Ｃｏｎｔａ１７３ 单元模拟，考虑了桩体与桩问土之间的滑移 摩擦。桩体采用弹性材料。
关键词：ＣＦＧ 桩复合地基；褥垫层；厚度；数值模拟
1 引言
ＣＦＧ 桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称 （ 即 Ｃｅｍｅｎｔ Ｆｌｙｉｎｇ－ａｓｈＧｒａｖｅｌ ｐｉｌｅ）。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，在软弱地基处理发挥着重要的作用，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 桩复合地基的一项核心技术，
（ａ）
（ｂ）
图 1 桩土应力比随褥垫厚度的变化示意图
Ｐｓ— ——桩间土分担的荷载； μ—— —基础和土之间的摩擦系数，μ 多在 ０．２５～
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０．４５ 之间变化。当 ΔＨ ＝０ 时，Ｐｓ 较小，则 Ｑｓ 也很小，此 时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失
例大体与面积置换率相当，即此时桩受的水平荷载很 小，水平荷载主要由桩间土承担。
2.4.2 单桩水平荷载试验分析
图 ３ 中曲线 １ 和 ２ 是桩顶无竖向荷载条件下水平 静载试验结果。当荷载 Ｑ 达到某一数值时 （例如 ４～ ５ｋＮ），桩的水平位移急剧增加，此时桩已破坏。曲线 ３ 是桩顶施加 ３０ｋＮ 竖向荷载条件下的水平静载试验结 果，与曲线 １、２ 显然不同，当水平荷载加到 ４～５ｋＮ 时， 桩并未发生破坏。随着水平荷载的增加，Ｑｐ－ｕ 曲线仍呈 非线性发展。由此可知，ＣＦＧ 桩复合地基中的桩，由于桩 顶作用着竖向荷载，桩抵抗水平荷载的能力要比自由单 桩大得多。由此表明，褥垫层厚度越大，桩顶水平位移越 小，即桩顶承受的水平荷载越小。
导致基础加厚。如果基础受水平荷载作用，可能造成复
合地基中桩发生断裂。由于褥垫层厚度过小，桩间土承 载能力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然 要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。而其带来 的唯一好处是建筑物的沉降量小。褥垫层厚度大，桩对 基础产生的应力集中很小，可不考虑桩对基础的冲切作 用，即使基础受水平荷载的作用，也不会发生桩的折断。 褥垫层厚度大，能够充分发挥桩问土的承载能力。若褥 垫层厚度过大，会导致桩土应力比等于或接近于 １。此
时水平荷载主要由桩来分担，ＱＰ 很大。当褥垫层厚度 去意义。这样设计的复合地基，其承载力不会比天然地
ΔＨ 增大到一定数值时，作用在桩顶和桩间土上的剪应 基承载力有较大的提高，而且建筑物的沉降也大。在工
力 τｐ 和 τｓ 不大，桩顶受的剪力 ＱＰ＝ｍＡτｐ （ｍ 为置换 程实践，同时考虑到技术上可靠、经济上合理，褥垫层厚 率；Ａ 为基础面积；τｐ 为桩顶剪应力） 占水平荷载的比 度取 １０～３０ｃｍ 为宜。
度”，关键是要达到两个目的：①保证在桩顶应力的作用 下桩能“适度”刺入褥垫层中；②使褥垫层在桩顶应力以 作用下不产生过大的压缩变形，防止桩顶“不收敛”地刺 入褥垫层。桩的竖向刚度、褥垫层厚度、密实度及侧向约 束条件对桩 － 土协同分担外载造成影响。例如，当桩较 短（或竖向刚度相对较小），而褥垫层又较薄时，则较可
3.1 褥垫层的最小厚度的确定
周龙翔［１０］提出褥垫层最小厚度的公式，由于在深层 搅拌桩桩顶平面（即褥垫层底面）桩问土的沉降大于桩 顶面的沉降，从而使桩间土上部褥垫层的沉降也大于桩 顶上 ｉ 部褥垫层的沉降，此差异沉降随距离桩顶平面高 度的增加而减小。在某一高度处，此差异沉降减小为 ０［１１］。
此高度即为褥垫层的最小厚度。褥垫层的最小厚度 应按照褥垫层顶面为均匀沉降面来确定，即由于褥垫层 的调节作用，使褥垫层顶面各点沉降量相等，从而使其 上的结构层均匀沉降。
３０
１４３ １７２ ２００ ２２９ ２５７ ２８６
３５
２１０ ２５２ ２９４ ３００ ３００ ３００
取桩顶上直径与桩相同，高度为 ｈ 的褥垫层土柱为 隔离体研究对象，如图 ４ 所示。
3 褥垫层的最小厚度以及合理厚度
前面的讨论可知，褥垫层厚度过小，桩对基础将产
生很显著的应力集中，需考虑桩对基础的冲切，这势必
图 4 深层搅拌桩顶褥垫层柱状隔离体受力分析
求解可得褥垫层顶面处荷载均布时，顶面均匀沉降
的褥垫层最小厚度计算公式：
- - ｈ＝
ｎ １＋ｍ -ｎ－１
-ｄ
２ｋｐ ｔａｎφ
（式 ３）
上式适合碎石桩、ＣＦＧ 桩、素混凝土桩复合地基。
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褥垫层合理厚度的经验公式
复合地基的许多特性都与褥垫层有关。褥垫层设计是否 合理，对 ＣＦＧ 桩复合地基的承载力和沉降变形都将产生 较大的影响。褥垫层的设置可以保证桩土共同承担荷 载、调整桩土荷载分担比、减小基础底面的应力集中以 及调整桩土水平荷载的分担等。
基于对褥垫层作用的理解，对褥垫层进行分析，当 其处于两种极端情况时，对桩 － 土协同分担外载不利。 一是若褥垫层为绝对刚性，垫层就成为基础的一部分； 二是若褥垫层为绝对柔性，则褥垫层又成为桩间土的一
2 褥垫层的作用
表 １ 给出了在不同荷载水平、不同褥垫层厚度的情 况下，桩承担的荷载占总荷载百分比的变化情况，可以 看到，桩、土荷载分担与褥垫层厚度密切相关。
2.3 减小基础底面的应力集中
当褥垫层厚度 ΔＨ＝０ 时，桩对基础的应力集中很显 著，和桩基础一样，需要考虑桩对基础的冲切破坏。当 ΔＨ 大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分
3.2 褥垫层合理厚度的经验公式
试验结果表明，褥垫层厚度越大，桩顶水平位移越
小，即桩顶承受的水平荷载越小。大量工程实践和室内
外试验表明，褥垫层厚度不小于 １０ｃｍ，桩体不会发生水
平折断，桩在复合地基中不会失去工作能力。结合工程
实践，同时考虑到技术上可靠、经济上合理，褥垫层厚度
取 １０～３０ｃｍ 为宜。
褥垫层技术是 ＣＦＧ 桩复合地基的一个核心技术， 布。桩顶对应的基础底面测得的反力与桩间土对应的基
复合地基的许多特性都与褥垫层有关。这里所说的褥垫 础底面测得的反力之比用 β 表示，β 值随褥垫层厚度
层不是基础施工中经常浇筑的 １０ｃｍ 厚的素混凝土垫 ΔＨ 的变化如图 ２ 所示。当褥垫层厚度大于 １０ｃｍ 时，桩
准为：必须记录护栏的最大变形 Ｄ 及工作宽度 Ｗ，工作 宽度 Ｗ 是车体或护栏在碰撞过程中最内缘到最外缘的 最大动态距离。Ｗ 根据变形大小分 ８ 个等级，见表 ６。
表 6 BSEN1317- 2：1998 规定的护栏横向动态变形标准
标准工作宽度等级
标准工作宽度（ｍ）
Ｗ１
ＷＮ≤０．６
Ｗ２
ＷＮ≤０．８
Ｗ３
层，而是由粒状材料组成的散体垫层。
对基础底面产生的应力集中已显著降低，当 ΔＨ 为
2.1 保证桩土共同承担荷载
３０ｃｍ 时，β 值已经很小［６］。
若基础下面不设置褥垫层，基础直接与桩和桩间土
接触，在竖向荷载作用下其承载特性和桩基差不多。在
给定荷载作用下，桩承受较多的荷载，随着时间的增加，
桩发生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。其时程曲线
ＷＮ≤１．０
Ｗ４
ＷＮ≤１．３
Ｗ５
ＷＮ≤１．７
Ｗ６
ＷＮ≤２．１
Ｗ７
ＷＮ≤２．５
Ｗ８
ＷＮ≤３．５
注：１、在特殊情况下，可以指定低于 Ｗ１ 的工作宽度等级。 ２、动态变形、工作宽度及车辆侵入是每种安全护栏安装的决定条件，同 时，也定义了能使防护系统发挥良好作用的距离。 ３、变形取决于系统类型及碰撞试验条件。
表 1 桩承担荷载占总荷载百分比
Ｐｐ／Ｐ（％）
Hale Waihona Puke 垫层厚度 （ｃｍ） ２ １０ ３０
备注
荷载 ｐ（ＫＰａ）
２０
６５ ２７ １３ 桩长 ２．２５ｍ，桩
６０
７２ ３２ ２６ 径 １６ｃｍ，荷载板
１００
７５ ３９ ３８ １．０５ｍ×１．０５ｍ
能接近第 １ 种极端情况；反之，当桩很长（或竖向刚度很 大），而褥垫层又很厚，且侧向约束条件差（如窄的条基 下褥垫层）时，则可能接近第 ２ 种极端情况。相对来说， 出现第 ２ 种极端情况更为不利。在实际工程中，当桩间 土软弱时，桩顶平面标高以下常常铺设一定厚度的褥垫 层，即相当于桩顶进入褥垫层一定厚度。