褥垫层在复合地基中的作用机理

　　摘要：褥垫层技术是CFG桩复合地基的一个核心技术，复合地基的很多特性都与之有关。通过褥垫层对复合地基受力的影响分析，对褥垫层的作用、褥垫层厚度的合理设计等问题作了探讨。

　　关键词：褥垫层,复合地基,CFG桩

　　1 前言

　　对于复合地基，一般设计都要求在进行基础施工前，先做10~30cm厚柔性好、密实度高的碎石垫层，以解决桩与土的沉降变形协调问题。通过基础下设置褥垫层，人为地为桩向上刺入提供条件，桩间土承载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使桩端落在好土层上，也能保证荷载通过褥垫作用到桩间土上，使桩土共同承担荷载。基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大，但不能将是否设置褥垫层作为形成复合地基的必要条件。本文对其在CFG桩复合地基中的应用作初步探讨。

　　2 褥垫层的作用

　　2.1 保证桩、土共同承担上部荷载

　　复合地基设计的一个基本思路是桩土共同承担荷载，桩土共同作用的条件是桩身的压缩量与桩端的刺入量之和等于桩间土的压缩量，即满足下式： 其中， 为桩身压缩量， 为桩端的刺入量， 为桩间土的压缩量。其中桩身的压缩量受桩身的强度和刚度影响，根据资料统计，碎石桩等柔性桩复合地基的桩土应力比 值一般在1.4~4.0之间，而CFG桩复合地基的 值高达25~35，甚至更大，反应出CFG桩的桩身强度和模量远高于桩间土。

　　2.2 减少基础底面的应力集中

　　由于CFG桩属于半刚性、刚性桩，当不设计褥垫层时，即褥垫层厚度 时，桩对基础的应力集中很明显，这时就需考虑桩对基础的冲切破坏，在进行基础设计时需考虑对基础进行冲切强度验算，必须增加基础的厚度和配筋，势必增加造价。当基础的刚度不够时，还可能导致桩头的压碎。然而，若设置了一定厚度的褥垫层，由于褥垫层能起到应力分散作用，使得基底应力扩散范围增大，应力集中现象减小，基础的厚度和配筋量可以相应缩小，同时，使桩头免除被压碎的危险。

　　一般来说，当褥垫层厚度 时，CFG桩对基础的应力很显著，基础设计时需考虑桩对基础的冲切破坏。当褥垫层厚度 在10~30cm时，桩体对基础产生的应力集中大幅降低，当褥垫层厚度 大于30cm，基础设计时可以将地基视为天然地基，不考虑桩体对基础的冲切破坏。

　　2.3 有效调整竖向桩土荷载的分担比

　　复合地基桩、土荷载分担，可用桩、土应力比 表示，也可用桩、土荷载分担比 、 表示。

　　当褥垫厚度 时，桩、土应力比很大，如图1(a)所示。在软土中，桩、土应力比 可以超过100，桩分担的荷载相当大。在 很大时，如图1(b)所示，桩、土应力比接近于1，此时桩的荷载分担比很小。随着垫层厚度增大，桩、土应力比减小，最后趋于一定值。通过调整垫层的模量和厚度可以调节桩、土应力比，较好地发挥桩和土的承载力达到降低工程造价的目的。

　　2.4 减少桩体承受的水平荷载

　　由于CFG桩为不配筋的素混凝土桩，因此其抵抗水平荷载的能力较一般加筋刚性桩(如钢筋混凝土桩)低许多。

　　在无埋深条件下，基础所受水平荷载 传到桩上的水平力为 ，传到桩间土上的水平力为 ，并有： ，又 ，式中 是基础与土之间摩擦系数， 多在0.25~0.45之间变化; 为桩间土分担的荷载。

　　图1 桩、土应力比随褥垫厚度的变化示意图

　　当时，很小，相应也很小，此时很大，水平荷载主要由桩来分担。但是，当在基础与CFG桩之间铺设了褥垫层以后，由于褥垫的作用，桩体本身与基础之间没有连接，基础受水平荷载作用力则由基础对面土抗力、侧面摩阻力及基底系数摩擦力来平衡，使得基础水平荷载传到桩体的水平荷载减少，水平位移减少。当 增大到一定数值时，作用在桩顶和桩间土上的剪应力不大，桩承受的水平荷载变得很小，水平荷载主要由桩间土承担。

　　3 褥垫层厚度的合理设计

　　由前面的讨论可知，褥垫层厚度过小，桩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，可能造成复合地基中桩发生断裂。褥垫厚度大，能够充分发挥桩间土的承载能力。若褥垫厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近于1。此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去意义。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。

　　实际设计中，垫层厚度该取多少主要是根据桩间土的性质决定的。当桩间土性质好时，为了更多地发挥土的作用，则垫层厚度做厚一些;当桩间土性质较差时，为了更多地发挥桩的作用，则垫层厚度做薄一些。实践表明，当垫层厚度大于10cm时，桩顶应力集中现象显著降低。

　　综合以上分析，综合大量的工程实践的总结，考虑到技术上可靠、经济上合理，褥垫层厚度一般可取0.45~0.50倍桩径为宜。

　　4 结语

　　通过以上分析及工程实践可知，在CFG桩复合地基中通过褥垫层技术可以有效改善复合地基工作性状，提高复合地基承载力，减小复合地基沉降。使桩和桩间土的应力达到合适的调节和改善，减少了基础底面和桩顶应力集中的现象。同时，由于褥垫层的原因，复合地基充分发挥了桩间土的作用，降低了工程造价。

　　参考文献

　　[1] 阎明礼，张东刚. CFG桩复合地基技术及工程实践 [M]. 中国水利水电出版社，2006.

　　[2] 李晓岑等. 褥垫层在CFG复合地基中机理的探讨 [J]. 四川建筑 第22卷3期

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