夯扩载体CFG桩复合地基工程特性研究中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文13608053247Email-kangjing007@vip.sina.com2006.10.16内容纲要1.工程基本情况2.夯扩载体CFG桩设计与施工3.工程特性测试及分析4.数值模拟分析中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文1.1工程概况川北医学院附属医院住院楼位于南充市川北医学院附属医院内，总占地面积约2000m2，总建筑面积为27577m2，框架剪力墙结构，建筑物高度为69.3m，层数为20层，设一层地下室，基础埋深在自然地坪以下6.60～7.50m，筏板基础。在该大楼施工之前，在旁边已经有一栋14层的住院楼于1997年投入使用，采用的是沉管灌注桩基础。按照建设单位对新建住院大楼的建筑要求，新建住院大楼建成以后应与已有住院大楼连成一体，作为一栋整体的住院大楼使用。为了能够有效解决两栋建筑物的差异沉降，设计单位和建设单位从勘察工作开始到基础选型、地基处理方法的选择、施工工艺、施工质量的检测和监测手段提出了严格的技术要求。如采用复合地基，设计单位要求复合地基的承载力标准值为500～600kPa，地基沉降差不大于10mm。受建设单位的委托，我院承担了该住院楼的勘察、天然地基和复合地基的可行性论证、复合地基的设计、施工和复合地基在建筑荷载作用下的应力测试与试验研究。中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文新旧建筑物相互关系平面示意图1.2地层分布建筑场地上覆土层主要由第四系全新统冲洪积成因的粘性土及砂卵石组成，下卧基岩为侏罗系遂宁组泥岩，现将各地基土构成和特征自上而下分述如下：素填土①：主要由粘性土及少量建筑垃圾组成，遍布场地，层厚1.0～3.4m。粉土②：夹较多粉细砂薄层或透镜体，全场地分布，层厚5.6～12.10m。粉砂③：充填较多粘性土，夹较多粉土透镜体，层厚为0.2～5.0m。粉质粘土④：呈薄层式尖灭状分布，层厚0.4～2.4m。砾砂⑤：呈透镜体状分布于卵石层中，含约10～20%砾、卵石，层厚0.5～2.6m。园砾⑥：亚园形，微风化，充填约20%粉细砂，含约10%卵石，呈薄层或透镜体状分布于卵石层中，其代表值为2.6击，厚度为0.5～2.6m。卵石⑦：卵石粒径一般为2～5cm，最大达15cm。充填约15%粘性土和中、细砂，层厚为1.2～4.1m，顶板埋深为11.9～14.4，其代表值为4.2击。泥岩：顶板埋深为17.40～18.60m，依据其风化程度的差异可分为两个亚层：强风化泥岩8-1，厚度为1.5～2.0m;中风化泥岩8-2,勘察最大揭露厚度为4.6m，据区域资料，厚度大于5.0m。中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文1.3地基处理方案的选择住院楼设计一层地下室,开挖深度约6.5m，则此层位组成基础持力层的地基土主要为粉土②。该层强度低，压缩性大，不能满足拟建住院楼对承载力和变形要求，故不宜采用天然地基基础方案。(1)钻(冲)孔灌注桩属机械成孔，优点是可以在地下水下施工，同时，可方便的穿透卵石层、强风化泥岩，而进入中风化泥岩一定深度内，但大量泥浆排放困难，特别是在闹市区施工，将严重污染环境，同时因桩端沉碴的存在将极大影响桩端阻力的发挥，且其费用高，工期长。(2)沉管灌注桩虽不存在泥浆排放、接桩、桩端沉碴等问题，可在地下水下施工时，尤其在软塑～流塑的粉土、松散粉砂地层条件下，无数工程实例表明，成孔困难，缩颈、断桩现象严重，有时难以控制桩身质量，而且施工噪音大，将极大地影响闹市区周围居民（特别是病人）的正常生活。(3)人工挖孔桩具有施工简单、无噪音和造价低等特点，可大面积展开，进而缩短工期，更重要的是桩身质量容易得到保证，桩底土层观察验槽工作易于进行和清底干净，易于扩底，可以充分发挥桩端阻力等优点，其缺点是施工时需降低场地地下水，特别是采用嵌岩桩方案时，降水难度相当大。(4)结合小幅度减低地下水,以冲击方式取土成孔，再将低标号干性砼利用重锤夯击挤入孔中及孔下和周围土中，进而形成直径约400～600mm的低标号素砼桩(CFG桩)，一方面，通过夯击形成的CFG桩具有较强的挤密作用，另一方面在粘性土中设置具有一定孔隙的碎石，可在原地基中形成一个良好的排水通道。中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文1.4夯扩载体CFG桩复合地基现场试验(1)天然地基承载力试验试验采用0.7070.707承压板，面积为0.5。本次试验采用s/b=0.015对应的荷载值为天然地基土的承载力基本值。(2)单桩承载力试验夯扩载体CFG桩采用取土成孔先夯扩后灌注的工艺施工，桩身混凝土强度等级为C15，碎石粒径20～30，夯扩段桩径700，灌注段桩径600，桩长8～11m，桩端持力层为中密卵石层。试验采用堆重加载方式，总共进行13组单桩静载试验，根据规范取最大加载量的二分之一作为单桩的基本承载力，即为810kN。(3)复合地基承载力试验试验采用1.3x1.3m刚性压板，试验方式和加载方式与单桩试验类似。共进行了6组复合地基静载荷试验。压板底面处的桩间地基土为第②层粉质粘土。根据变形协调原则，并结合其P～S曲线，得到夯扩载体CFG桩复合地基承载力为600kPa。根据现场试验表明，拟建物采用夯扩载体CFG桩复合地基，能够满足设计要求。中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文2.1复合地基承载力要求分区中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文(1)计算结果：I区：面积置换率m=0.108；II区：面积置换率m=0.116；III区：面积置换率m=0.120；IV区：面积置换率m=0.130；(2)桩距S根据场地地质条件及施工工艺要求，按等腰三角形布桩I区：S=1.38；II区：S=1.36III区：S=1.35；IV区：S=1.28；(3)桩体抗压强度:上部灌注段桩体混凝土强度等级为C15，下部夯扩段桩体混凝土强度等级为C20。(4)在IV区紧邻原14层住院大楼部位CFG桩之间插入高压旋喷桩形成组合式复合地基。中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文夯扩载体CFG桩施工工艺桩布置平面示意图中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文2.2夯扩载体CFG桩施工设备及结果中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文2.3效果检验及检测(1)开挖检验(2)桩身强度检验(3)桩身完整性检测(4)复合地基承载力检测(桩承载力+土承载力)中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文3.1应力监测方式3.2短期应力监测-载荷试验期间桩与土分担的荷载与时间的关系桩与土荷载分担比与荷载的关系中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文3.3长期监测-施工期间应力和建筑物沉降桩顶所受的荷载随时间变化桩间土承受的荷载随时间变化（1）褥垫层可以起到了扩散荷载协调桩土变形的作用。试验表明，经30cm厚的褥垫层扩散后，桩对应的褥垫层表面上下与桩间土所承受的荷载比值为前者约为后者的2.7～3倍。（2）桩土荷载比随外荷载的增加而增加，当外荷载小于某一值时，荷载比增加较为缓慢，当外荷载超过这一值时，荷载比会急剧增长。通常这一值与桩间土的极限承载力相关当荷载超过这一值时，土体软化，承载能力略有下降，后期增长的荷载基本上由桩来承担。中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文（3）桩身轴力在加载初期，桩顶以下两米范围内出现了负摩擦区，轴力沿桩的埋深增加，随外荷载的增加及加载时间的延长，桩头部位负摩擦区逐渐消失，而桩的中部又会出现负摩擦区，随外荷载的继续增加，该负摩擦区也逐步消失。主要原因是加载初期由于褥垫层的作用，使得桩间土受力，产生的竖向变形大于桩的变形，故产生负摩擦，随着荷载增大，桩的受力也增长，其变形逐渐增大，当其值大于桩间土的沉降时，负摩擦消失。桩顶的轴力最大，轴力沿桩身衰减，桩顶至桩顶以下2米范围内衰减速度较快，下部衰减较慢，底部轴力不为零。桩身轴力沿深度方向的变化中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文（4）桩端反力将每根桩上埋置深度测出的轴力近似的视为桩端反力，借此分析桩端阻力的发挥。从图上可以看出，桩端反力随外荷载的增大而增大，但增长的速率随外荷载的增大而减小。夯扩载体CFG桩复合地基中桩端阻力承担比基本在20%～40%，一般为30%左右，可见桩端反力在桩的承载力中占有重要作用。桩端反力随时间变化中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文(5)建筑物沉降观测中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文4.1土工有限元软件GEO-SLOP的验证在国际上众多的软件系统中，较著名并为我国科学工作者所熟悉的有NASTRAN，ANSYS，I-DEAS，ADINA，SAP，ABAQUS，MARC，DYNA3D，FLAC，2D-等。另近十余年来，我国亦自主开发了一大批通用有限元软件，如JIGFEX，HAJIF和YIDOYU等系统。本课题使用的商用专业软件为GEO-SLOPE?，该软件为GEO-SLOPEInternationalLtd.出品的土工有限元专业软件，它采用既容易理解，又容易操作的基本概念和方法，将有限元的快速建模、网格的自动生成、分析结果的可视化及可操作性有机结合起来，实现了有限元分析的高度自动化，用户能借助它方便地进行土体结构的应力、变形等分析。该软件可模拟多种土的本构模型，不但可用于解决简单的线弹性变形分析，而且可以解决相当复杂的非线性的弹塑性有效应力分析等。中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文条形均布荷载下的计算图示条形均布荷载作用下地基垂直附加应力等值线图垂直面上附加应力分布垂直面上附加应力分布地表点与荷载中心点竖向位移差中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文4.2夯扩载体CFG桩的数值模型中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文4.3计算结果(1)下卧层变形模量的影响变形模量相差10倍时竖向应力等值线图中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文变形模量相差10倍时竖向位移等值线图中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文随下卧层变形模量增加①桩顶与桩间土表面的应力比基本不变，约为15（实测值约为11）；②最大剪应力减小，减小幅度逐渐趋缓；最大剪应变减小，减小幅度不大；③桩顶与桩间土表面的竖向平均沉降均减小，超过某值前，二者减小幅度较大，之后减小幅度趋小；④最大水平位移值将减小，减小幅度逐渐变小。中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文(2)桩间距的影响桩间距0.9m、2.1m时竖向应力等值线图中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会中国建筑西南勘察设计研究院康景文桩间距0.9m、2.1m时竖向位移等值线图Sheet3
Sheet2
Sheet1
Chart1
沉降观测点号
起始高程值（m）
最终高程值(m)
沉降量(mm)
备注
S-1
至第13期
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至第18期
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至第12期
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至第15期
S-9
至第17期
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沉降观测点号
起始高程值（m）
最终高程值(m)
沉降量(mm)
备注
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至第13期
沉降观测点号
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至第18期
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至第18期
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至第12期
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至第18期
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至第18期
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至第18期
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至第15期
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至第17期
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至第18期
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至第15期
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沉降量(mm)
观测点号
沉降量(mm)
各观测点沉降量(mm)
沉降量(mm)
观测点号
沉降量(mm)
各观测点沉降量(mm)
S-1
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