CFG樁復合地基的室內模擬試驗分析

吳建奇，肖波

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州341000；2.景德鎮市建筑設計院贛州分院，江西贛州341000）

CFG樁復合地基的室內模擬試驗分析

吳建奇1，肖波2

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州341000；2.景德鎮市建筑設計院贛州分院，江西贛州341000）

室內模擬試驗是研究CFG樁復合地基的一種重要的科學手段，文中通過CFG樁復合地基的室內模擬實驗研究，分析了在幾何相似條件下不同樁長和不同樁間距的CFG樁復合地基樁體變形和單樁極限承載力特征，揭示了CFG樁樁土應力比大約在15～25，樁身應力隨上壓荷載的增加而增大等規律，特別是揭示了實際工程中難以做到的樁端持力層為軟弱土層的短樁復合地基的變形、樁土應力分布和承載力特征，運用該分析方法對樁土應力比影響因素的分析表明：選擇合理的樁間距、樁徑、樁長能充分發揮CFG樁復合地基的承載能力，對指導實際工程具有較重要的實用價值.

CFG樁；復合地基；模擬試驗

0 引言

CFG樁（Cement Flyash Gravel Pile）復合地基是由粉煤灰、砂、碎石和水泥夯擊形成的樁體、樁間土及褥墊層組成.該技術由中國建筑科學研究院地基研究所于20世紀80年代末開發并逐漸推廣應用.因其技術上的可靠性和經濟性被廣泛應用于填土、黏性土和松散砂土等軟弱和相對軟弱地基土的加固處理[1-4]，目前已經被廣泛應用于工程項目的各種地基處理中[5-13].

現場試驗是進行科學研究的一種重要的科學手段，通過現場試驗，可以得出我們在實踐工程中所研究對象的工程特征，總結我們的工程實踐經驗.同時，室內模擬試驗也是進行科學研究的一種重要的科學手段，特別是對于許多土力學應用型課題，除了現場試驗以外，室內模擬試驗是一種很重要的科學手段.但是由于現場施工環境和條件的制約性對室外試驗研究的干擾很大，主要體現在以下幾個方面:①試驗研究的方法和類型受到建設項目工期和質量要求的限制，有些試驗項目無法開展；②在試驗儀器的埋設過程中，受施工環境和工藝方法的影響，儀器保護較難控制，易出現埋設位置與設計偏差較大，埋設過程中儀器損壞等現象；③現場測試以及數據采集受外界環境影響較大，偶然性試驗誤差較大.為了對CFG樁復合地基現場試驗的不足進行補充，開展CFG樁復合地基室內模型試驗，從定性的角度進一步豐富和深入CFG樁加固軟基的機理、變形、荷載傳遞以及承載特性等方面的研究.為此，結合某高層建筑CFG樁復合地基上程，就CFG樁體、樁間土、褥墊層不同部位的應力隨建筑物荷重增加的變化特征等進行了室內模擬試驗研究，所得成果對CFG樁復合地基的應用、設計、施工及檢測等均有參考意義[14-20].

1 室內模擬試驗

1.1 模型試驗裝置介紹

CFG樁復合地基室內模擬試驗裝置是由模型箱、加載設備和測量設備組成.模型箱凈長2.0 m，凈寬1.5 m，高1.8 m，樁端持力層是由3 mm鋼板和彈簧共同來模擬，通過調節彈簧設置樁端持力層的承載力，用來模擬堅硬土層.試驗荷載由改裝后反力梁上的5 t液壓加載設備提供，該反力梁距模型槽上邊緣垂直高度為40 cm，可以沿模型槽長度和寬度方向移動至任意位置后固定加載.反力梁上的加載活塞可沿垂直方向伸出油缸35 cm，活塞末端安裝了傳感器，外接電子顯示器，測量設備由各種型號的土壓力盒、應變儀、百分表等組成.

本試驗的模型設備主要有以下功能：

（1）制成后的模型箱不僅可以做CFG樁復合地基試驗，而且可以做CFG樁的單樁試驗，并且對于其它復合地基也是適用的.

（2）在模型中可以進行樁的不同長徑比試驗、不同樁材的試驗和不同土性材料的試驗.

（3）采用人工填土模擬樁周土的工程性質，同時可以在樁端按彈性地基方式模擬樁端持力層的工程性質試驗.

（4）在模型試驗中，可實測每根試驗樁沿樁長不同位置的、樁側摩阻力軸向應力、樁端端承力和樁側極限摩阻力.

（5）在模型試驗過程中可隨時量測樁周土的垂直應力和水平應力，測定其單樁承載力，試驗方法參照文獻[21]及文獻[22]等有關規范.

模型箱布置如圖1所示.

圖1 模型試驗裝置

1.2 模型試驗內容

（1）在3 d和5 d的樁間距(d為單樁直徑)、樁長為0.75 m和1.5 m的條件下，研究樁變形規律、荷載傳遞以及承載力特.

（2）在3 d和5 d的樁間距、樁長為0.75 m和1.5 m的條件下，研究CFG樁復合地基樁、土應力分擔規律.

（3）對成樁過程中引起的土性變化規律進行研究.

2 模型試驗布置

2.1 CFG樁模型設計

為了能夠了解CFG樁復合地基在不同環境下的工作性能的差異，共設計了4組試驗模型，分別為（其中L1、L2、L3、L4為樁長）：

（1）CFG單樁復合地基Z1：d=50mm，L1=1500mm；承臺板尺寸為250mm×250mm，面積置換率為3.14%.

（2）CFG單樁復合地基Z2：d=50 mm，L2=750 mm，承臺板尺寸為250mm×250mm，面積置換率為3.14%.

（3）CFG群樁復合地基Z3：d=50mm，L3=1500mm，樁間距采用5倍樁徑組成，承臺板尺寸為500 mm×500 mm，面積置換率為3.14%，上部采用15 mm厚細砂作為褥墊層.

（4）CFG群樁復合地基Z4：d=50mm，L4=1500mm，樁間距采用3倍樁徑組成，承臺板尺寸為300 mm×300 mm，面積置換率為8.72%，上部采用15 mm厚細砂作為褥墊層.

由于CFG模型樁直徑較小，為了保持骨料與樁徑的比例與工程實際基本一致，采用水泥、粉煤灰、砂、細砂來模擬CFG樁樁身材料，其中水泥采用325普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用I級粉煤灰，砂替代工程實際中的粗骨料碎時，粒徑控制在2～5 mm之間，細砂是采用普通砂經過2 mm篩剔除粗顆粒的砂，以用來替代工程實際中的細骨料.采用重量配合比為1∶3∶5.5∶0.5∶0.85（水泥∶細砂∶砂∶粉煤灰∶水）來在室內按試驗要求制作CFG模型預制樁，其強度等級為C10.

將室外土經過室內風干碾碎以后，加水配置成為含水量為26%左右的濕土料，用來模擬CFG樁復合地基模擬試驗中的樁間軟土層.模型樁間土土體的性質指標見表1.

表1 模型土體的性質指標

在以上單樁復合地基試驗模型中，為了使單樁復合地基的試驗環境與現場條件相似，將相同條件的樁布置在試驗樁周圍，樁間距采用5 d，以保證試驗樁處于均勻的邊界條件中，長樁為1.5 m，達到軟土層底面，短樁為0.75 m，懸浮于軟土層中.

2.2 室內模型試驗的布置

（1）在CFG 試驗樁埋設之前先布置樁底壓應力傳感器和變形測量裝置在試驗樁底面，在底板上面鋪一層細砂，以確保感應面上受力均勻，變形測量系統是由底面預埋垂直變形測量裝置和板面變形測量裝置組成，與樁體等直徑的鋼板和固定在鋼板邊緣上的鋼絲組成了底面預埋垂直變形測量裝置，鋼絲由保護管引出地面后，通過滑輪轉換至讀數裝置上得到樁底的沉降量.

（2）將壓力感應器布置在CFG試驗樁的樁頂、樁間土和樁體的不同位置組成應力測量系統.壓力傳感器為應變計壓力盒，外形尺寸為Φ28 mm×8 mm，引出4芯線接靜電電阻應變儀測量.樁體應力測量點位于樁頂、樁底、中部和離樁頂1/4處，單樁模型試驗的樁間土應力測量布置在樁至荷載板邊緣的1/3和2/3處，樁復合地基試驗的樁間土應力測量系統點布置按載荷板中心至邊緣等距離分布.

（3）根據模擬試驗要求在模型箱里先立直徑為50 mm的不銹鋼管，作為成樁導管，再分層填土來模擬土層，土層厚度為10 cm，填土時控制土體密度和均勻性.樁的試驗布置如圖2所示.

圖2 模型試驗樁的布置大樣圖

3 試驗成果分析

在成樁后樁間土的物理指標和顆粒含量組成發生了明顯的變化，表2和表3分別為成樁前、后樁間土的物理性質指標和顆粒含量組成對比分析結果.

表2 成樁前、后樁間土主要性能參數變化對比

表3 成樁前、后樁間土顆粒組成變化對比

通過對表2分析可以看出，在成樁以后，樁間土主要性能發生了明顯的變化，孔隙比減少了3.14%，壓縮模量增加了17.01%，說明了CFG樁成樁后樁間土的抗壓強度明顯提高了.而樁間土的含水量也提高了1.12%，這是由于試驗條件而造成的，與土體排水固結效應等因素有關.對表3分析可以看出，樁間土在加固后，土的顆粒徑組成明顯的差異，主要是由于在樁的制作過程中，成樁的混和料中的漿液滲入到土體中，使土體發生了固結作用，從而造成樁間土的粒徑有了明顯的增大.

對4組試驗模型樁進行了加載試驗，采取各試驗樁的測試值，其中群樁復合地基Z3和群樁復合地基Z4的中測試值按文獻[21]有關規范，對群樁復合地基中4根單樁測定值取平均值，得到群樁中單樁測試值.對各測試值進行對比分析，得到關系曲線如圖3～圖14所示.

圖3 單樁Z1、Z2上壓荷載與沉降的關系曲線圖

從圖3～圖5中可以看出各曲線都有明顯的拐點，可以確定各自的極限承載力，單樁復合地基Z1的極限承載力大約為85.5 kPa，單樁復合地基Z2的極限承載力大約為41.8 kPa，群樁復合地基Z3中單樁極限承載力大約為63.7 kPa，群樁復合地基Z4中單樁的極限承載力大約為115.2 kPa.從圖3中可以看出，單樁復合地基Z2的樁端持力層為軟弱層，加載初期，樁頂、樁底沉降量差很小，隨著上壓荷載增加，其沉降量差逐漸增大，樁頂的沉降逐漸大于樁底的沉降，但其差值較小，說明樁本身的壓縮變形很小，沒有充分發揮樁身強度.而單樁復合地基Z1的樁端持力層為堅硬土層，在加載初期，其樁頂、樁底沉降差很小，隨著上壓荷載增加，其沉降差值越來越大，說明了樁本身產生了明顯的軸向壓縮變形，樁體承受了較大的上壓荷載，樁體發揮了承載力.通過圖3可以看出，樁徑、樁間距、上壓荷載、面積置換率相同，但樁長不同的單樁復合地基，持力層為堅硬層的長樁復合地基的極限承載力明顯大于持力層為軟弱層的短樁復合地基的極限承載力.

對圖4進行分析可以看出，樁長相同、樁徑相同、樁間距相同、下臥層相同的單樁復合地基Z1和群樁復合地基Z3，單樁復合地基的極限承載力比群樁復合地基中單樁的極限承載力要大，這充分體現了類似剛性樁基礎工作時的群樁效應，單樁復合地基Z1的極限承載力大約為85.5 kPa，而群樁復合地基Z3中單樁的極限承載力大約為63.7 kPa，由此可以推算群樁效應系數約為0.75，這就說明了在軟土地基中群樁效應對整個地基中的樁的承載能力起到減弱作用，出現這種現象的主要原因是在群樁復合地基中周圍樁體的存在限制了樁間土體的側向變形，這樣就使得樁間土能夠更多地參與到與樁一起來承擔上壓荷載，樁體承載力得到了抑制，未能像單樁復合地基那樣樁體承載力能得到充分的發揮.

圖4 單樁復合地基Z1群樁復合地基Z3上壓荷載與沉降關系曲線圖

圖5 群樁復合地基Z3、Z4上壓荷載與沉降關系曲線圖

對圖5進行分析可以看出，樁長相同、樁徑相同、下臥層相同但是面積置換率不同的群樁復合地基Z3和群樁復合地基Z4，群樁復合地基Z4的置換率是群樁復合地基Z3的2.78倍，群樁復合地基Z4的單樁極限承載力是群樁復合地基Z3的1.81倍，充分說明了置換率是影響復合地基單樁極限承載力的重要因素之一.

圖6 單樁復合地基Z1軸向應力與上壓荷載關系曲線圖

圖8 群樁復合地基Z3中單樁軸向應力與上壓荷載關系曲線圖

對圖6～圖9進行對比分析，所有模型試驗樁樁頂應力最大，并沿樁身逐漸遞減，樁底部應力最小，隨著荷載的增加，樁身各點應力也隨之增加，說明CFG樁樁身的摩擦作用是很顯著的.對圖6與圖7進行對比分析，在樁徑相同、樁間距相同、上壓荷載作用相同、樁長不同的條件下，短樁Z2中各測試點軸向應力都小于相應的長樁Z1中各測試點軸向應力，主要原因是樁身應力由樁頂荷載、樁側摩阻力和樁端阻力組成，由于單樁復合地基Z2與Z1的持力層的承載能力不同，單樁復合地基Z2主要是受到樁側土體的摩阻力，而樁端阻力對其阻力影響是很小.對圖6與圖8進行對比分析，在上壓荷載相等時單樁的樁身各點應力大于群樁，這與群樁效應有關，群樁復合地基中樁體對周圍土體的側向變形產生抑制作用，根據作用和反作用原理，這種抑制作用使得樁間土對樁體的側向摩阻力增大了，再加之樁間土更多地分擔了上部荷載，因此群樁復合地基中樁身應力小于單樁復合地基.對圖8與圖9進行對比分析，在上壓荷載相等、樁徑相同、樁長相同但是樁間距不同的群樁復合地基地基Z3、Z4，置換率大的群樁復合地基Z4中單樁軸向應力小于置換率小的群樁復合地基Z3中單樁軸向應力，主要原因是隨著置換率的提高，樁間土更多承擔了上壓荷載，因此置換率對群樁復合地基的單樁極限承載力的影響還是比較大的.從圖6～圖9中可以看出，所有模型試驗樁都沒有出現“兩頭小，中間大”現象，即不存在應力中性點，說明模型試驗中的樁體受到的樁側摩阻力均為正摩阻力，其主要原因是用于模擬現場碎石墊層的砂墊層厚度僅為15 mm，導致了砂墊層缺乏顆粒流動調整性，荷載作用下樁體和樁間土受力變形特點類似于樁基情況，樁體難以產生向上刺入墊層的變形.

圖7 單樁復合地基Z2軸向應力與上壓荷載關系曲線圖

圖9 群樁復合地基Z4中單樁軸向應力與上壓荷載關系曲線圖

模型試驗樁在上壓荷載作用過程中樁頂及樁間土不同測點的應力隨荷載的變化曲線間如

圖10 單樁復合地基Z1樁、樁間土測試點應力與上壓荷載關系曲線圖

圖12 群樁復合地基Z3中單樁、樁間土測試點應力與上壓荷載關系曲線圖

對圖10進行分析，對于持力層為堅硬土層的長樁復合地基Z1而言，在同一加荷范圍內開始時樁土應力比與單樁復合地基Z2相似，當上壓荷載達到一定限值時，樁體將產生較大的沉降變形，導致樁頂應力減少.由于下臥層是堅硬土層，當樁的沉降變形達到一定限值后，樁頂應力隨著上壓荷載的增加而增大，上部荷載主要是由樁體來承擔，此時樁土應力比隨著荷載的增加而減大，如圖14所示.對圖12和圖13進行對比分析，在相同上壓荷載作用下，群樁復合地基Z4的樁頂應力比群樁復合地基Z3普遍要小，從圖14中也可以看出，群樁復合地基Z3的樁土應力比普遍要比群樁復合地基圖10～圖14所示.對圖11進行分析，對于持力層為軟弱層的短樁復合地基Z2而言，由于樁體剛度遠大于樁間土，加荷后樁體應力集中，大部分荷載是由樁體承擔，樁間土承擔較小部分荷載，樁頂和樁間土隨著上壓荷載的增加而增大，由于持力層的承載能力很小，當上壓荷載達到一定限值后，樁體將產生較大的沉降變形，導致樁頂應力減少.由于樁體沉降導致樁頂應力增幅隨著上壓荷載增加而減少，而樁間土承擔的荷載隨著上壓荷載的增加而逐漸增大，因此在加載過程中樁土應力比是隨著上壓荷載的增加而逐漸較少的.Z4大，主要原因是樁間距的原因造成的，說明了樁間距較大時樁體應力集中現象比較明顯.

圖11 單樁復合地基Z2樁、樁間土測試點應力與上壓荷載關系曲線圖

圖13 單樁復合地基Z4中單樁、樁間土測試點應力與上壓荷載關系曲線圖

4 結語

（1）CFG樁振動沉管灌注施工時因混和料漿液滲入樁間土層，而影響了樁間土的顆粒組成和力學特征.

（2）面積置換率和樁長對CFG樁復合地基的單樁極限承載力具有決定性的影響.

（3）通過載荷試驗對CFG樁復合地基承載力進行檢測，得到單樁復合地基單樁極限承載力與群樁復合地基單樁極限承載力存在較大差距，單樁復合地基的單樁極限承載力大于群樁復合地基.

（4）CFG樁樁體強度大于樁間土，在上壓荷載作用下，樁體承受荷載遠大于樁間土，樁土應力比大約在15～25，樁身應力隨上壓荷載的增加而增大，說明了CFG樁能充分發揮其樁側摩阻力的作用.

（5）室內模型試驗從模型仿真的角度分析了在幾何相似條件下不同樁長和不同樁間距的CFG樁復合地基變形和承載力特征，特別是揭示了實際工程中難以做到的持力層為軟弱土層的短樁復合地基的樁體變形、樁土應力分布和承載力特征，對指導實際工程具有較重要的實用價值.

[1]鄧躍光，黃榮.CFG樁復合地基的原理與設計[J].地質災害與環境保護，2002，13（3）：69-73.

[2]林輝.CFG樁復合地基樁土分擔荷載比研究[J].土工基礎，2004，18（14）：50-53.

[3]閻明禮，張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2001：60-86.

[4]龔曉南.復合地基理論及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2002：3-6.

[5]劉俊飛，趙健，趙國堂，等.剛性樁樁網復合地基樁頂段樁間土附加應力分析[J].中國鐵道科學，2011，32（2）：15-19.

[6]丁銘績.高速鐵路CFG樁樁板復合地基工后沉降數值模擬[J].中國鐵道科學，2008，29（3）：1-6.

[7]王連俊，丁桂伶，劉升傳，等.鐵路柔性基礎下CFG樁復合地基承載力確定方法研究[J].中國鐵道科學，2008，29（6）：12-17.

[8]楊龍才，王炳龍，趙國堂，等.CFG樁網復合地基沉降計算方法研究[J].鐵道建筑，2009（7）：19-23.

[9]秦寶和.長螺旋法CFG樁在客運專線復合地基中的應用研究[J].鐵道工程學報，2007（5）：38-42.

[10]王河川.CFG樁復合地基在鐵路客運專線中的應用[J].鐵道工程學報，2009（7）：39-42.

[11]曾俊鋮，張繼文，童小東，等.高速鐵路CFG樁-筏復合地基沉降試驗研究[J].東南大學學報：自然科學版，2010，40（3）：570-574.

[12]王炳龍，楊龍才，周順華，等.CFG樁控制深厚層軟土地基沉降的試驗研究[J].鐵道學報，2006，28（6）：112-116.

[13]王月梅，賈群燕.長短樁復合地基沉降有限元分析與探討[J].江西理工大學學報，2009，30（3）：18-20.

[14]S Nagataki，H Gomi.Expansive admixtures[J].Cement and Concrete Composites，1998，20(2-3)：163-170.

[15]Ei-ichiTazawa，ShingoMiyazawa.Influenceofcementand admixture on autogenous shrinkage of cement paste[J].Cement and Concrete Research，1995，25(2)：282-287.

[16]Zhang F,Chang H Y.Research and development in web usage mining system-key issues and proposed solutions：a survey[C]//International Conference on Machine Learning and Cybernetics.Beijing，2002，12：986-990.

[17]Pal S K，Talwar V，Mitra P.Web mining in soft computing framework；relevance，state of the art and future directions[J].IEEE Transaction on Neural Network，2002，13(5)：1163-1177.

[18]Wang J C，Huang Y，Wu G S，et al.Web Mining：Knowledge Discovery on the Web[C]//Systems，Man and Cybernetics，IEEE SMC99 Conference Proceedings.Japan：IEEE，1999，2：137-141.

[19]Cooley R，Mobasher B，Srivastava J.Web mining：Information and pattern hiscovery on the World Wide Web[C]//Proceedings of the 9th IEEE International Conference on Tools with Artificial Intelligence.Newport Beach，1997：558-567.

[20]唐彤芝.CFG樁復合地基加固深厚軟基理論研究和工程應用[D].南京：南京水利科學研究院，2007.

[21]GB50007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[22]JGJ94-2008，建筑樁基技術規范[S].

Indoor simulation test study on CFG pile composite foundation

WU Jian-qi1，XIAO Bo2

（1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Ganzhou Branch of Jingdezhen City Architectural Design Institute，Ganzhou 341000,China）

A significant and scientific approach to the study of the cement flyash gravel（CFG）pile composite foundation is to employ indoor simulation tests.Based upon indoor simulation tests on CFG pile composite foundation,the features of CFG composite foundation deformation and bearing capacity on similar geometric condition,with different pile length and different pile span are analyzed.The analyses show that CFG pile-soil stress ratio is about 15～25,and pile stress increases with the increase of load.The study also manifests the characteristics of deformation,pile-to-soil stress distribution and bearing capacity of composite foundation with a cushion of soft underlying layer and short piles,which is hard to achieve in reality.The results of the influencing factors analysis on pile soil stress ratio adopting this method show that choosing the reasonable pile diameter，spacing and length of piles can give full play to the carrying capacity of CFG pile composition foundation,which is important to guide the actual projects．

CFG piles;composite foundation;simulation tests

U416.1

A

2012-06-27

江西省自科科學基金（20122BAB206035）

吳建奇（1980-），男，講師，主要從事土木工程等方面的研究，E-mail：wujq1980@163.com.

2095-3046（2012）05-0021-07