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CFG桩复合地基技术及工程应用

  • 发布日期:2017-03-31
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第 1 章 绪论 
 
1.1 选题依据及研究意义
最近连年来,地基处理技术的不停发展和地基处理方法更多的推广应用。它是一种高粘结强度桩复合地基,与桩间土以及褥垫层共同形成复合地基,共同发挥作用[1]。 在 1992 年,住房和城乡建设部审核并通过了 CFG 桩这项复合地基处理的新技术,给 CFG 桩复合地基的开始广泛应用带来了福音[2]。在 1994 年,CFG 桩复合地基技术成为国家要重点推广的工程项目,这为 CFG 桩复合地基的发展创造了有利的环境。在 1997 年,CFG 桩复合地基处理这项技术被正式的写入国家级工程做法,并且形成了相应的企业标准[3]。紧接着在 1998 年,CFG 桩的试验研究被住房和城乡建设部列为重大的“七五”研究课题,CFG 桩复合地基处理技术在土木工程界得到广泛运用。在 2002 年,《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)的发布,给 CFG 桩复合地基处理技术应用奠定了坚实的基础。在 2013 年,这部规范得到了重新的修订,修订后更加符合实际的工程特征[4]。 CFG 桩是高粘结强度桩,本身具备一定的强度;形成的 CFG 桩复合地基具有独特的工程特性。承载能力大幅度提高,具有很强的可控性,可适用各种概况的土质类型,施工技术相对成熟。通过近几年不断有深度的科学探索研究和工程有利实践,CFG 桩复合地基技术已经成为广泛应用于各种式结构的建筑,逐渐发展成为不仅可以大范围的提高地基承载力,而且可以很好地控制建筑物的变形沉降的地基处理新技术。 
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1.2 国内外研究现状 
1824 年,英国著名专家 Joseph Aspdin 发现快硬硅酸盐水泥用在地基土的浅层处理可以取得很好的效果;接着“现代地基处理技术”的概念由欧洲提出[5]。 1835 年,碎石桩的概念第一次由法国研究人员提了出来,到了 1930 年之后,地基处理技术才得到了一定的发展[6]。在 1940 年之后,砂石桩处理应用技术在苏联有了很好的发展,并且提出了振动沉管法和锤击法[7]。 1957 年,英国工程师对振冲器开始了研究与使用,在加固软土和粉土地基得到了运用,并相继在德国、日本等国家开始大范围的推广使用[8]。 1962 年,日本工程界在砂桩处理地基的实验中研究地基滑动的数学计算,提出砂桩桩体与土体共同承担荷载作用的工作分析模型,由此提出了复合地基的概念[9]。这使得砂桩处理软弱地基的应用提高到一个更高的层次,复合地基基础理论的研究同时也加快了复合地基处理技术的步伐,为复合地基处理的概念思想提供了重要科学依据。 1970 年前后,日本研究人员将高压喷射技术成功运用到地基土体加固以及防水帷幕的工序中[10]。 1977  年,英国工程师们在桩体与土体相互共同作用的理论研究中指出,当天然土体能满足承载力的要求但变形沉降量不能满足时,在天然地基中布置一定数量的桩就可以很好的减小沉降[11]。  1979 年,Hooper 教授[12]根据数值分析结果得到,当桩土复合模量较大时,当进一步增加桩数的减小沉降的作用效果也并不显著。 1980 年初,瑞典科研专家进行了减小地基变形沉降的模拟试验,以及对桩基所依据理论研究的原位试验,得到一定的成果[13]。 近年来,不少的学者、教授、工程研究人员在前人的基础上做了大胆的假设,并采取了一定的研究方法,借助有限元等程序,得到了荷载与沉降的关系,变形与剪应力的关系。 
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第 2 章  CFG 桩复合地基工作机理
 
2.1 复合地基的几个概念
复合地基的概念是由于原来土体的承载力或者沉降不能满足要求而在土体中设置增强体,并由土体和增强体二者共同承担作用的荷载,减小沉降的地基处理方法。一般将纵向增强体称作桩,比如碎石桩、CFG 桩、水泥土桩等,这些增强体的模量和强度要高于天然土体地基。 但需要指出的是,这里所说的桩与桩基础中的基桩是两种不同的概念。前者是和桩间土共同负担上部结构传来的荷载,共同发挥作用,属于地基范畴;而后者却是深基础的组成部分,属于基础范畴。 随着复合地基技术在我国的科学探索研究与快速发展,针对不同的实际工程概况、地质报告、现场的施工环境、地基处理技术设计的要求形成了多种地基处理技术方法。经过大量的室内外实验印证以及工程案例应用的具体实践,依据组成桩体的不同材料、施工技术做法以及桩体在复合地基中的受力承载工作性能,复合地基进行如下分类[32]。 依据基础刚度可以分为:刚性基础下的复合地基、柔性基础下的复合地基。 依据桩体本身的强度与原土的关系可以分为:与原土无关的复合地基、与原土相关的复合地基。这两种复合地基的区别在于增强体的强度与地基土的分层有没有关系;需要说明的是后者在其相应桩长范围内,增强体的强度与土的成层性质有着密不可分的关系。 CFG 桩复合地基是在合理厚度、合适刚度的褥垫层作用下,对桩土荷载分担比进行调整达到一个合理的范围取值,才能达到设计的工作效果。
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2.2 CFG 桩及其他桩型复合地基的特性对比
碎石桩复合地基的组成桩体的主要材料是碎石,按成桩工艺主要是振动挤密碎石桩。成桩方法多采用振动成桩,通过加密桩间土来提高复合地基的承载力,对于松散的粉土、细砂、素填土均可以取得很好的效果。但是振动成桩施工工艺会产生很大的噪音,故在居民区需慎重采取此做法。 碎石桩属于散体桩,没有一定的粘结强度,通过实验得到桩体的应力应变关系:当其他条件相同时,周围压力越大,大小主应力的差值也越大,此时土对桩的侧向周围约束也是越大,桩的承载能力也就越高;围压影响着桩的承载能力和桩体的变形。竖向荷载施加下的桩体会产生一个压胀区。所谓的压胀区是指在一定程度上能够承担承担上部荷载一个范围。基础的尺寸大小与压胀区深度有着密切的关系。 石灰桩复合地基的桩体构成材料主要是固化剂生石灰和具有活性的粉煤灰或火山灰组成。 石灰桩桩体中的生石灰,吸水膨胀后有挤密土的作用,且吸水膨胀系数与桩体所承担的荷载有很大的关系。但是在地表的膨胀作用可能会产生地面局部隆起,造成桩间土的强度有所降低。桩体中的粉煤灰不仅降低了桩体的重度,而且也提供了良好的排水路径。 按成桩施工工艺和桩体构成材料主要分为:由洛阳铲成孔的石灰桩、振动沉管石灰桩。要针对特定地区特定的工程,因为生石灰粉和粉煤灰粉要防止扬尘,做相应的处理。挤土成桩工艺可以分为在管内投料、在管外投料的方式,此工艺多在南方地区采用。 
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第 3 章  CFG 桩复合地基设计 ........ 12
3.1 CFG 桩复合地基设计对勘察的要求 ......... 12 
3.2 CFG 桩复合地基承载力计算 ........... 12 
3.3 CFG 桩复合地基的设计 ......... 16
3.4 CFG 桩复合地基的沉降计算 ........... 19 
3.4.1 CFG 桩复合地基的变形特征 ............. 19 
3.4.2 CFG 桩复合地基的变形计算 ............. 20 
3.5  本章小结 ............. 24 
第 4 章  CFG 桩与土共同作用的数值模拟 ........ 25 
4.1 有限元法的介绍 ............ 25
4.2 ABAQUS 软件基础 ....... 28
4.3 ABAQUS 软件数值模拟 ......... 29
4.4  各个参数的模量对复合地基的影响分析 ........... 31
4.5  本章小结 ............. 46 
第 5 章  CFG 桩复合地基施工技术 .......... 47
5.1 CFG 桩的施工技术简介 ......... 47 
5.2  几种常见的施工工艺 ............. 47 
5.3 振动沉管灌注成桩施工工艺 ............ 47 
 
第5章 CFG 桩复合地基施工技术 
 
5.1 CFG 桩的施工技术简介 
目前 CFG 桩复合地基技术在全国的大范围内得到推广,特别是 2010 年提出“建筑业十项新技术”之后,CFG 桩复合地基处理技术的应用更是得到了广大工程人员的认可[56]。通过大量的工程经验表明,CFG 桩复合地基的设计一般偏于保守,故其设计的承载能力和变形沉降能够满足勘察的要求,而导致可能出现问题的就是 CFG 桩复合地基的施工阶段。因此,CFG 桩复合地基处理施工技术工艺的选择是保证结构安全的另一个重要要素,也是 CFG 桩复合地基技术处理结果的直接体现,其重要性足以引起重视。CFG 桩复合地基技术在工程中的应用,包括振动沉管灌注成桩、长螺旋钻孔灌注成桩、长螺旋钻孔中心压灌成桩和泥浆护壁成孔灌注成桩;施工中经常采用的是前两种,本章中主要介绍前两种常见的施工工艺流程。不同的土质、不同的结构、不同的设计参数、不同的施工环境等都影响着地基处理施工工艺的选择[57]。 
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结论 
 
本文主要取得的结论如下。 
(1)CFG 桩复合地基是高粘结强度桩的复合地基,可以全桩长发挥桩的侧阻效应,有很强的置换作用,处理后的地基复合模量高,承载力提高范围大,地基沉降变形小,工程造价经济。通过褥垫层的合理设置,可以使桩间土和 CFG 桩形成复合地基,共同分担上部结构传下来的荷载。 
(2)通过 CFG 桩复合地基的设计流程,介绍了设计对勘察的相关要求,总结了设计时承载力常用的计算方法和沉降的计算表达公式,得到在计算沉降的最具适用性方法是经验公式法;采用了 ABAQUS 软件进行建模分析处理,得到了基础刚度、CFG 桩的模量、褥垫层的模量、土的强度的变化对褥垫层下水平向表面土体应力和位移、桩身应力和位移、桩间土竖向应力和位移影响。 
(3)CFG 桩复合地基的施工工艺主要包括振动沉管灌注成桩、长螺旋钻孔灌注成桩、长螺旋钻中心压灌成桩和泥浆护壁成孔灌注成桩;详细的阐述了振动沉管灌注成桩和长螺旋钻孔灌注成桩的准备工作、施工过程、注意事项和质量控制等。  
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