水泥粉煤灰碎石桩cfg复合地基施工及监测技术研究

水泥粉煤灰碎石桩cfg复合地基施工及监测技术研究内容摘要：

桩与承台刚性连接，在正常情况下，受垂直荷载后桩顶 的沉降、桩间土 表面的沉降以及承台的沉降都相等，桩顶以下桩各 部位的位移都大于相应部位土的位移。 桩侧土体对桩产生与桩位移 方向相反的侧阻力，即正摩擦力。 桩的最大轴力发生在桩的顶部。 CFG 桩复合地基则不同，任一荷载下桩顶的沉降、桩间土表面 的沉降以及基础的沉降均不相同，如图 17 所示。 在某一深度 q 范围同内，土的位移大于桩的位移（见图 18)。 土对桩产生的摩擦力方向是与被沉降方向一致的，即所谓的负摩擦 不同（见图 16), — 般是角桩受力最大，边中桩次之，中心柱最 图 17 桩、土及基础PS 曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 10 页 力（见图 19)。 处驻的位移和土的位移相等，该断面所处位置为 中性点。 当时，柱的位移大于土的位移，土对桩产生的是正 摩擦阻力 图 18桩土位移示意图 图 19桩的轴力随深度的变化示意图 在中性点以上，桩的轴向应力随着深度的增加而增大，中性点以 下桩的轴向应力随着深度的增加而减小 9 桩的最大轴向应力就在中 性点处。 由于祷塾层的设置，无论桩端落在软土层还是硬土层上，从加 荷一开始桩就存在一个负摩擦区。 桩基中，在某些特殊情况下，比 如桩穿越欠固结土层或由于土性的变化，也可以引起土对披的负摩 擦作用。 对桩基，负摩擦对桩的承载能力产生不利的影响。 而 CFG 桩复合地基土 对桩的负摩擦作用，对复合地基并非有害，它对提高 桩间土的承载力、减少复合土层的变形起着有益的作用。 . 柱间土应力分布 刚性基础下柱间土上的应力分布如图 110 所示。 在基础边缘应 力较大，在基础中间部分比较小。 如按图 110 将桩间士的应力分为 内外区，用 0， 1 表示外区的平均应力， 7 S2 表示内区的平均应力，则 0 0 ,2多在 〜 1,45 之间变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 10 页 TTTT) 图 111 复合地基变形示意图 加荷后 （ P 0 )桩顶发生沉降 Sp， 桩间土表面发生沉降知，柱 端处扭的沉降为 s/ 由于抽体的模量很大，在通常荷载水平下， 轴向力引起桩的压缩变形很小，可以忽略不计“这样，桩任一断面 处的位移可认为与桩顶的位移相等，便有 s / = Sp。 桩端处土的位移 用 S.39。 表示。 由于桩间土表面的沉降大于桩顶的沉降，桩顶的一部 分进入到祷塾层中，称之为上刺 入变形，以表示： 图 110 刚性基础下桩间土应力分布图 .4. 2 复合地基变形特性 . 4. 2. 1 变形模式 图 111 给出了复合地基变形示意图。 图 1 1 1 (a )代表荷载 P^O 时酌状态。 ________________西南交通大学硕士研究生学位论文 第贡 A 上 =s•— Sp 在桩端处，桩的沉降大于土的沉降，即产生下剌入变形，用 At 表示： 柱长 （ 190。 )范围内土的压缩量 Si 等于上刺入量与下刺入量之和，即 Si=A 上 柱间 zt 表面总沉降量 amp。 减去加固范围 （ 190。 ) 土的压缩量 Si,即为下 卧层的压缩变 S2= S“一 Si 若用幻表示褥塾层压缩量‚邦 『 HO，则基础总的沉降量为 S = S i + S 2 + S 3 (1 4) 这就是说，基础总沉降 S 由三部分组成，其一为桩 长范围土层的压 缩量S 丨；其二为下卧层的压缩量幻；其三为祷塾层的压缩量幻“ 1 . 4 . 2 , 2驻长对变形的影响 如地质条件相同，当荷载一定时，桩越长，上刺入量 Ai 和下剌 入量 At 越小，桩长范围内土的压缩变形量 st 也就越小；桩越短， A_t、AT、 SI 也就越大。 桩长不同，同一荷载水平桩、土荷载分担 比不同，桩越短，桩间土荷载分担比越髙，柱间土受的荷载越大， 柱间土的压缩变形越大，桩长范围土的压缩变形也越大：反之，柱 越长，土的荷载分担比越小，土的压缩变形越小， S|也越小。 ’ 当然，影响和 At 大小的因素不仅仅是 桩长，褥塾层的厚度 和下卧层土性对上、下刺入变形均有很大影响。 祷塾层越薄，驻承 担的荷载越多，Ai 也就越小，下卧层土越硬，桩向下刺入越困难， 下刺入变形量 At 也越小，桩长范围土的压缩量 Si 也越小。 同样，桩越长，总的沉降 S 也越小，下卧层压缩变形幻也越 小， 令 5 i=si/s’ 5 2=S2/S, 6 3=S3/s； 171。 2 , S3 分别表示驻长 范围土的压缩量、下卧层土的压缩量和褥垫层的压缩量占总压缩 变形量的百分比。 当桩长一定时、 52 随荷载增加变化不大，即加固区的压缩 变形和下卧层的压缩变形占总压缩变 形量的比例基本没有大的变 化。 当荷载大小一定时，桩越长，加固区的压缩变形量占总压缩变 形量的比例越大，下卧层 压缩变形量占总压缩变形量的比例越小。 由于搏塾层的厚度一般均不大（ 30~60cm)， 压缩变形量很小， _______________ 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 15 页 通常可以忽略不计。 这样，总的沉降量为加固区和下卧层压缩变形 之和，即 S=S|+S2 1 5) . 基础宽度对变形的影响 复合地基与天然地基一样，当置换率、桩长及土性相同时，给 定荷载下加固区压缩变形 S 丨、下卧层压缩变形幻以及总压缩量 S 都 随基 础宽度增加而增大。 综合考虑桩长和基础宽度两个因素的影响，用 //6(/为桩长， b 为基础宽度）作为参量，其它条件相同时， //A 越大，总的沉降变形 越小，当//b 动时 ,下 amp。 层压缩变形量占总压缩变形量的百分比很 小。 t . 4 . 2 . 4 深层变形性状 将复合地基荷载试验时测得的桩间土表面的平均应力和士表面 的变形，与相同荷载下天然地基的土表面变形作一比较，结果无论 是单桩复合地基还是群桩复合地基，在荷载 0，较小时，复合地基桩 间土表面的变形都小于天然地基的变形。 随着荷载的增加，两者的 变形相等，之后则有复合地基的 变形大于天然地基的变形。 在桩端 处复合地基下卧层的压缩变形大于同一深度天然地基的压缩变形。 显然，这是由于复合地基中扭将一部分荷载传递到深层的结果， 复合地基和天然地基 amp。 曲线之间的差异，主要来自于桩的参 与。 一般可以认为桩对桩间土变形的影响有两个方面 1) 复合地基中桩的存在，使披间土的变形受到桩的约束，侧向 变形受到限制，从而使土的垂直变形减小。 桩对被间土的约束作用 与基础下桩的数量有关。 单柱复合地基，柱的约束作用最小，群桩 复合地基，桩数越多，约束作用越大。 2) 由于褥势层的设置，复合地基中，桩存在 负摩擦区。 在该区， 桩给桩间土一个向上的作用力，其作用是阻止桩间土的变形。 当荷 载较小时，被的端阻作用发挥较少，桩侧阻力是主要的。 . 复合地基中桩的变形性状 群桩复合地基静载试验表明，刚性基础下不同位置桩的沉降变 形基本相等。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 16 贡 荷载相同，复合地基中桩的变形比自由单桩的变形大，除了复 合地基群桩效应，其它桩的桩荷载对该桩的影响外，由于褥塾层的 设置而始终存在的土对桩的负摩擦作用导致桩沉降加大，也是一个 重要頂因。 复合地基中桩数越少，这些作用的影响越小。 单桩复合地基没 有其它桩荷载应力叠加的影响，负摩擦对被的作用是主要的。 在群桩复合地基中，随着荷载的增加，桩间土分担的荷载增加， 桩间 db 应力 a ,在不同深度产生的附加应力使桩周围正应力有较大 的增量，柱侧阻力相应增大。 桩的端阻作用加强。 CFG 桩复合地基褥塾层技术 祷塾层技术是 CFG 桩复合地基的核心技术，复合地基的许多特 性都与祷塾层有关。 CFG 桩复合地基的褥塾层是指由粒秋材料经级 配组成的散体塾层。 . 1 褥塾层的作用 1) 保证桩、土共同承担荷载 . 若基础下面不设置祷塾层，基础直接与桩和桩间土接触，在垂 直荷载作用下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，柱发生一定的沉降，荷载逐渐向土 体转移。 其时程曲线的特点是：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少。 如果桩端落在坚硬土层或岩石上，桩的沉降很小，柱上的荷载 向土上转移数量很小，桩间土承载力很少发挥。 在基础下设置一定 厚度的祷垫层，情况就不同了，即使桩端落在好的土层上，也能保 证一部分荷 载通过褥塾作用在桩间土上，借助褥塾层的调整作用， 使给定荷载作用下桩、土受力时程曲线均为常值。 2) 调整柱、土荷载分担比 复合地基桩、土荷载分担，可用桩土应力比 n 表示，也可用桩、土 荷载分担比 Sp、 表示。 当褥塗层厚度 AH=()时，桩、土应力比很大，在软土中，桩、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 17 页 土应力比 n 可以超过 100，桩分担的荷载相当大。 在 AH 很大时， 桩、土应力比接近于 1 “此时桩的荷载分担比很小，并有 m 187。 桩、丄荷载分担与褥垫层厚度密切相关。 3) 减小基础底面的应力集中 当祷塾层厚 度 AH=O 时，桩对基础的应力集中很显著，和柱基 础一样，需要考虑桩对基础的冲切破坏。 当 AH 大到一定程度后， 基底反力即为天然地基的反力分布 桩顶对应的基础底面测得的反力 0 iip 与桩间土对应的基础底面 测得的反力 OR,之比用 e 表示 （ 0Ij^p/OR,)。 当褥垫层厚度大于 10cm时，桩对基础底面产生的应力集中己显著降低，当 AH为 30cm 时，P 值已经很小， 4) 调整桩、土水平荷载的分担 (1)桩、土水平荷载时分担 当褥垫层厚度 AH=0 时，桩在垂直荷载 P 作用下荷载分担比很大， 而土的荷载分担比 5 s 很小。 在无埋深条件下，荷载 Q 传到桩上的 水平力为 （ 190。 ，传到土上的水平力为 Q,， 并有 Q^Qp +Q, (16) (1 7) 式中 — 桩间土分担的荷载； U — 基础和土之间的摩擦系数， 11 多在 ~ 之间变化。 由于 AH=0 时 P， 较小，则 CJ， 也很小，此时水平荷载主要由桩来分担， A 很大。 当褥垫层厚度 ah 增大到一定数值时，作用在桩顶和桩间 土上的剪应力 Tp 和 T， 相差不大，桩顶受的剪力为置 换率： A 为基础面积；Tp 为桩顶剪应力）占水平荷载的比例大体与 . 面积置换率 m 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)单桩水平荷载试验分析 根据静载试验，在桩顶无垂直荷载条件下，当水平荷载 Q 达到 某一数值时，（比如 4〜 5kN)， 桩的水平位移急剧增加，此时桩已破 坏。 而在桩顶施加一较小（如 30kN)垂直荷载，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，水平荷载 Q 与 桩顶水平位移间呈非线性发展关系。 由此可知， CFG 桩复合地基 _______________ 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 中的枯由于柱顶作用着垂直荷载，柱抵抗水平荷载的能力要比自由 单柱大得多。 (3)复合地基水平荷载试验 试验表明， 搏塾层厚度越大，桩顶水平位移越小，即柱顶承受 的水平荷载越小 .大量工程实践和室内外试验表明，祷塾层厚度不 小于 lOOmm,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。 . 2 褥垫层的合理厚度 由前面的讨论可知，搏垫层厚度过小，栋对基础将产生很显著 的应力集中，需考虑桩对基础的冲切，这势必导致基础加厚。 如果 基础承受水平荷载作用，还可能造成复合地基中桩发生断裂。 由于搏垫层厚度过小，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。 .若裤塗层厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近 1。 此时 桩承担的荷载太少，实际上复合地基中柱的设置己失去了意义。 这 样设计的复合地基承载力，不会比天然地基有较大的提高，而且建 筑物的变形也大， 综合以上分析，结合大量的工程实践的总结，即考虑到技术上 可靠、经济上合理，搏塾层厚度取 100〜 300mni 为宜，如在本工程中 褥垫层厚度取 300inm。 几种典型桩型复合地基的特性比较 碎石桩复合地基是散体桩复合地基的代表，桩体材料由碎石组 成。 按成桩工艺可分为以下几种： U 振冲碎石柱，■ 2) 振动沉管挤密碎石桩。 3) 干法振动挤密碎石桩。 碎石桩桩体及复合地基有如下的主 要特点： (1)柱体本身没有粘结强度，围压对碎石桩体破坏时的主应力 差有着显著的影响，围压越大，桩体传递垂直荷载的能力越强。 ________________西南交通大学硕士研究生学位论文 第 19 页 (2) 试验表明，驻顶承受垂直荷载后，桩顶以下一个不大的 范围产生压胀 E， 压胀区的大小与基础尺寸有关 .当桩长大于压胀 区深庋后，靠增加桩 长来提高单桩承载力是很困难的。 (3) 施工一般采用振动成桩工艺，主要靠施工设备产生的振 动力，。