CFG桩桩土应力比及褥垫层厚度研究

杨素春

(北京市勘察设计研究院　北京　100038)

　　摘　要:通过CFG桩单桩及三桩复合地基原位试验,对CFG桩桩土应力比及褥垫层厚度进行研究。三桩试验的褥垫层厚度为20cm,试验加载为设计荷载的2倍,加载至设计荷载时,桩间土压力为230kPa,大于原状土承载力160kPa,桩土应力比为1413,远远小于设计值,说明20cm厚的褥垫层使桩间土的承载力发挥过大。

CFG桩的反向刺入使天然土的承载力得以发挥,合理厚度的褥垫层应使桩土应力比接近计算值。试验研究表

明:褥垫层5cm厚时的变形明显小于20cm厚时,加载至115倍设计荷载时桩头均未破坏,桩体的反向刺入均大于115cm,说明5cm厚的褥垫层已足以使桩间土发挥作用,且有利于控制沉降。　　关键词:CFG桩　桩土应力比　褥垫层厚度

RESEARCHONTHICKNESSOFCUSHIONANDPILE2SOILSTRESSRATIOOFCFGPILE

YangSuchun

(BeijingInstituteofProspectingandDesignResearch　Beijing　100038)

Abstract:Therelativebetweenstressratioofpile2soilandthethicknessofcushionisresearchedbyexperimentalandtheoreticalanalyses.7experimentswereconducted,includingtestson3pilesandsingle2pilecomposite2foundations.Thedistributionofstressanddeformationinthecomposite2foundationweremeasured.Thethicknessofthecushionfortestof3pileswas20cmandthetestloadingwas2timesofthedesignedone.Whenloadingtoethedesignedloadthepressurebetweenthepileswas230kPawhichis160kPahigherthanthebearingcapacityoftheoriginalsoil.Thestressratioofpile2soilwas14.3,muchlessthantheassumedstressratio.Whenthethicknessofcushionwassuitable,thestressratioisneartotheassumedratio.Accordingtothesemeasurements,whenthethicknessofcushionwas5cm,thedeformationwaslessthantheoneof20cm.Whichwasfavorableforcontrollingsettlement.Keywords:CFGpile　pile2soilstressratio　thicknessofcushion

　　CFG桩复合地基在北京地区已得到了广泛应用,取得了较好的技术、经济效益,在设计、施工方面也取得了很多经验。但对于复合地基的理论研究目前还相对滞后,作者试图通过现场试验研究,揭示桩土应力比与褥垫层厚度的关系。1　试验场地的水文地质概况

土③层;2)标高27150m以下为褐黄色的粉质粘土、

粘质粉土④层,粘土、重粉质粘土④1层;3)标高26100m以下为灰色的粘质粉土、粉质粘土⑤层;4)

标高22100m以下为褐黄色的粉质粘土、粘质粉土⑥层和粘质粉土、砂质粉土⑥1层;5)标高19100m以下为褐黄色的粉质粘土、粘质粉土⑦层和粘土、重粉质粘土⑦1层,砂质粉土⑦2层;6)标高11154～14110m以下为细砂、粉砂⑧层和圆砾⑧1层。

2000年6～9月勘探时实测地下水水位有两层:

1)台地潜水、静止水位埋深0170～3140m,标高34189～37170m。2)承压水,静止水位埋深24100～26180m,标高11178～14148m。

试验研究对象为望京地区某24层全现浇剪力墙结构住宅楼复合地基,场区基底以下土质情况为:　

1)人工堆积层;2)第四纪沉积的粘土、重粉质粘土②层,粘质粉土、砂质粉土②1层,粉质粘土②2层,砂质粉土②3层。

基底以下土质全部为第四纪沉积层,土层分布大致如下:

1)局部为粘土、重粉质粘土②层,大部分为灰色的粉质粘土、重粉质粘土③粘质粉1层,粉质粘土、

　44　IndustrialConstructionVol134,No16,2004

设计要求地基承载力为400kPa,建筑物最终沉

降6cm,采用CFG桩复合地基进行处理,以弥补天然

作　　者:杨素春　女　1966年3月出生　硕士　高级工程师　副总工程师

收稿日期:2003-10-10

工业建筑　2004年第34卷第6期

地基承载力的不足,同时控制建筑物的变形。

正式施工前,在该场区进行了一系列的前期试验,除单桩静载试验、单桩复合地基静载试验、取芯、低应变动载试验外,重点进行了一组大尺寸载荷板、三桩复合地基静载试验,压板下CFG桩布置与设计参数相同,按设计置换率计算,确定压板面积为7106m2

。压板下埋设压力盒5个,随静载试验全程

量测桩间土的实际压力,以确定采用20cm的褥垫层后,复合地基实际的桩土应力比;对单桩复合地基静载试验,分别采用了不同的褥垫层厚度,通过对其变形特性的研究,确定最合理的褥垫层厚度。2　复合地基设计参数211　CFG桩设计参数

CFG桩有效桩长为16m,桩身直径为<400,桩间

距为1158m×1152m,矩形布置,面积置换率为01052,设计单桩承载力特征值为650kN。212　桩身强度

混凝土养护时间达到28d后,对521号、522号楼分别取试桩进行取芯,取芯直径<55,522号楼试桩取芯总长17160m,从桩顶到桩底并达到桩底土层;521号楼取芯总长9195m,因取芯钻机与桩体均存在竖向偏差,使钻机在9195m处偏出桩身。岩芯连续性良好,取芯率达到100%,外观光洁致密,无孔洞。

为检验混凝土强度,在不同深度内截取试样进行抗压强度试验,试件直径55mm,高55mm,521号楼内试桩取芯位置在桩顶以下015、517、816m处;522号楼试桩在桩顶以下015、515、1015、16m处。

7组岩样抗压强度平均值为22107MPa,表明强

度是满足设计要求的。

3　试验结果分析311　桩身质量检测结果

首先采用低应变动测技术,对各试验桩的桩身质量完整性进行检验,另对其中的两根桩进行了取芯检验,证明桩身质量完好,混凝土强度满足设计要求。

312　承载力检测结果

各试验点主要测试成果及分析结果如表2所示。

表2中“按强度控制承载力特征值”取各试验点

最大试验荷载或极限荷载(4号试验桩)的015倍,单桩承载力特征值平均为Ra=683kN,略大于单桩承载力设计值,说明原设计取值比较合理。

CFG桩桩土应力比及褥垫层厚度研究———杨素春

表2　静载试验结果

试验点号最大荷载Π最大沉降按强度控制承按沉降控制承

kN量Πmm载力特征值ΠkN载力特征值ΠkN

三桩复合650032504450(919kPa)46152(460kPa)(630kPa)单桩1号

170034146750650单桩2号130014187650740单桩3号130016129650590单桩复合115001011400kPa>600kPa单桩复合2150019184400kPa400kPa单桩复合3

1500

23100

400kPa

400kPa

　　根据《建筑地基处理规范》(JGJ79-2002)复合

地基承载力计算公式推算,复合地基承载力特征值为436kPa;三桩复合地基静载试验结果为:复合地

基承载力特征值为460kPa,大于由单桩承载力特征

值推算的复合地基承载力特征值,由此可以推断,桩间土在工作状态下发挥更大的作用。313　承载力取值原则探讨

根据《建筑地基处理规范》(JGJ79-2002)规定,表中“按沉降控制承载力特征值”取各试验点沉降值

为01008倍桩径(或压板直径)所对应的荷载值(sΠd=01008)。

单桩承载力特征值平均为Ra=660kN,与“按强度控制承载力特征值”确定的单桩承载力特征值比较接近,可以证明,两种确定方法均较为合理。单桩静载试验曲线见图1。

—◇—单桩1;—△—单桩2;—󰂳—单桩3

图1　单桩静载试验曲线

按sΠd=01008确定的单桩复合地基承载力特征

值比较离散,且差别很大,不宜采用。单桩复合地基静载试验曲线见图2。对于三桩复合地基静载试验,按sΠd=01008确定的复合地基承载力为630kPa,远大于由“按强度控制承载力特征值”确定的复合地基

—△—单桩复合1;—□—单桩复合2;—󰂳—单桩复合3

图2　单桩复合地基静载试验曲线

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承载力特征值(460kPa),该结果同样说明对于复合地基静载试验,sΠd=01008的取值不尽合理。4　桩土应力比计算与分析411　桩间土应力测试结果

在进行三桩复合地基静载试验的前期,在褥垫层

与天然土的交界处埋设了5个土压力盒,其量程为015MPa或110MPa,在静载试验期间进行不同荷载下桩间土的压力测试,每一级加载时均记录压力盒显示值,桩间土压力随压板压力的增长曲线如图3。

—◆—1号压力盒;—■—2号压力盒;—▲—3号压力盒;

—×—4号压力盒;—Ξ—5号压力盒图3　桩间土压力增长曲线

对5个压力盒的测试结果进行平均,桩间土压力平均值随压板压力的增长曲线见图4。

图4　桩间土压力平均值增长曲线

桩间土压力随压板沉降的加大而加大,其增长

曲线见图5。其增长规律是一条比较光滑的曲线,较图1、图2中的曲线更有规律性。因此,变形的发生是桩间土应力发挥的前提条件。

图5　桩间土压力增长曲线

412　桩土应力比计算41211　设计桩土应力比

桩间土应力:fsk=160kPa桩顶应力:fpk=RaΠAp=5175kPa桩土应力比:n=fpkΠfsk=3241212　实际的桩土应力比

桩间土应力:压力盒测试平均值;压板应力46

400kPa时,桩间土应力平均值为200kPa;压板应力920kPa时,桩间土应力平均值为400kPa。

桩顶应力:由压板压力及压力盒测试的桩间土

压力换算得出:

压板应力为400kPa时,fpk=3415kPa

压板应力为920kPa时,fpk=10143kPa桩土应力比:

压板应力为400kPa时,n1=fpkΠfsk=1418压板应力为920kPa时,n2=fpkΠfsk=2513413　桩土应力比变化规律

按上述相同的计算方法,计算出加载全过程不同时期的桩土应力比,桩土应力比随荷载的变化曲线见图6,随变形增长的变化曲线见图7。

图6　桩土应力比随荷载而变化的曲线

图7　桩土应力比随变形而变化的曲线

从图6、图7可以看出,应力比随变形而变化的

现象更具规律,在试验加载初期,由于桩顶以上的褥

垫层更易被压缩,因此前期CFG桩发挥了相对较大的作用,桩土应力比最大,随后由于褥垫层的作用,桩体发生反向刺入,桩间土发挥了较大的作用,桩土应力比逐渐减小,在试验变形在6mm左右时,应力比最小,随着加载的继续、变形的发展,应力比逐渐增大,且规律性较强,说明随着褥垫层压缩性的减小、桩体反向刺入已趋向于完成,桩体向下刺入变形开始占主导地位,使桩体承担的荷载逐渐加大。

根据以上土压力测试及计算结果,当压板荷载为设计值时桩土应力比为1418,应力比的平均值为19128,最大值为26155,均比理论计算值32小。可以推断,由于褥垫层的采用,复合地基充分发挥了天然地基土的潜力,使CFG桩分担的荷载减少,天然土承载力充分发挥的前提是CFG桩在褥垫层中发生反向刺入,而桩体的反向刺入同样表现为建筑物的沉降。根据本场区的试验结果,桩体的反向刺入值在1～2cm,因此,在今后类似工程的设计施工过程中,可尝试减小褥垫层的厚度,通过合理发挥桩体的承载能

工业建筑　2004年第34卷第6期

力,来有效控制建筑物的沉降。5　褥垫层厚度研究

CFG桩的反向刺入使天然土的承载力得以发

挥,合理厚度的褥垫层应使桩土应力比接近计算值,这样可使桩间土及桩的承载力同时得到有效发挥,在满足承载力要求的同时,最有效地控制沉降。

三桩复合地基试验压板下铺设了20cm厚褥垫层,土压力测试结果显示桩间土应力过大,说明褥垫层厚度可以减小。

褥垫层厚度的不同将直接影响桩的反向刺入程度,从而对沉降产生影响。因此可以从变形角度对褥垫层厚度进行研究。单桩复合地基静载试验过程中,压板下铺设了不同厚度的褥垫层,厚度分别为5、10、15cm,通过研究其p-s曲线,来寻找其内在的规律。从图8中的p-s曲线可以看出,褥垫层5cm厚时,其变形明显较小,变形曲线与单桩相似,说明CFG桩从始至终发挥着合适的作用,换言之,避免了出现桩间土作用发挥过大情况的发生。

图8　单桩复合地基静载试验曲线(褥垫层厚5cm)

图9为褥垫层厚度为10cm时的p-s曲线,从中可以看出,总变形由1011mm增大到19184mm,并且前期变形较大,曲线近似一条直线。

图9　单桩复合地基静载试验曲线(褥垫层厚10cm)

褥垫层厚度15cm时这种变化更加明显,从图10

可以看出其最大变形为23mm,前期变形同样增大较快。

图10　单桩复合地基静载试验曲线(褥垫层厚20cm)

除最大沉降及前期变形具有以上特性之外,从

CFG桩桩土应力比及褥垫层厚度研究———杨素春

图8～图10还可以看出,,随着褥垫层厚度的增加,卸载后的残余变形也在增加,图11为褥垫层厚度为0～20cm情况下,压板的最大变形及残余变形的变化规律。

卸载后的残余变形包含了褥垫层本身的压缩变形、桩体反向刺入所发生的变形、桩体向下刺入发生的变形、桩身压缩等,这其中桩体向下刺入发生的变形、桩身压缩是不可避免的,而褥垫层的压缩变形、桩体反向刺入所发生的变形则可以通过调整褥垫层的厚度来降低其数值,其结果将使总沉降减少。

1-残余沉降;2-最大沉降

图11　褥垫层厚度对复合地基沉降的影响

以上单桩复合地基静载试验结束后,进行了开

挖勘查,褥垫层去除后发现,三种褥垫层厚度情况下,桩头均未破坏,即未发生过大应力集中,桩体反向刺入均大于115cm,说明褥垫层均很好地发挥了调节桩土应力的作用。

由此可以看出,较薄的褥垫层亦可发挥桩间土作用,且其变形较小,即有利于控制沉降。6　结　论

1)桩间土压力随压板压力及沉降的加大而加

大,变形的发生是桩间土应力发挥的前提条件,因此桩间土压力的增长与沉降关系更为密切。

2)褥垫层厚20cm时,桩间土承载力过大,加载至设计荷载时,桩间土承载力是设计值的114倍,实测的桩土应力比远远小于设计计算的应力比。

3)采用5～20cm厚度的褥垫层进行试验发现,较薄的褥垫层变形明显较小,桩头未破坏,桩体反向刺入均大于115cm。说明褥垫层5cm厚时,未发生过大应力集中,因此可尝试减小褥垫层的厚度,通过合理利用桩体的承载能力,来有效控制建筑物的沉降。

4)按沉降控制原则确定承载力特征值时,sΠd=01008对应的承载力大于由强度控制确定的承载力,因此sΠd=01008的取值不一定合理,但根据目前仅有的一组试验数据,无法给出sΠd的合理取值。

参考文献

1　高大钊.地基加固新技术.第二版.北京:机械工业出版社,20022　《地基处理手册》编委会.地基处理手册.第二版.北京:中国建筑

工业出版社,2000

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