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摘要:本文介绍了褥垫层在CFG桩复合地基中的承载机理和特征，阐述了褥垫层是CFG桩复合地基中重要而关键的技术。并结合工程实例，通过现场原位实测，验证了褥垫层可有效提高复合地基的承载力。
关键词:CFG桩 褥垫层 复合地基
Abstract: this paper introduces the serveral problems in CFG pile composite foundation bearing mechanism and characteristics of, this paper expounds the serveral problems is CFG pile composite foundation is important and key technology. And combined with engineering example, and through the field in situ measured, and verifies the serveral problems can effectively improve the bearing capacity of compound foundation.
Keywords: CFG pile composite foundation serveral problems
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
一、引 言
随着科学技术的迅速发展，各种类型的人工地基日趋多样，CFG桩复合地基，因其充分发挥了桩间土和桩的共同作用以及相对低廉的工程造价，在当下建设工程中得到了广泛的应用。CFG桩复合地基由于设置了褥垫层，有效提高了桩间土的地基承载力，从而极大地提高了CFG桩在复合地基中的承载力和抗变形能力，对建筑结构的安全稳定有着非常重要的意义。
二、褥垫层的作用机理
目前，在我国CFG桩复合地基多用于高层建筑中。CFG桩是水泥、粉煤灰、碎石桩的简称（即cement flying-ash gravel pile），它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂子适量加水搅拌而成的高粘结强度桩，它在桩间土和褥垫层的共同作用下形成了人工复合地基。在CFG桩复合地基设计中，褥垫层是复合地基的一项关键技术，其基本设计原理阐述如下。
（一）桩与桩间土的共同作用
CFG桩属于刚性桩，与桩间土的变形模量差别很大，而复合地基在刚性基础下等量变形时，地基土应力将按材料模量（即刚度）进行分布，故桩顶范围内应力集中，并随荷载的增大而加剧，而桩间土的承载力却难以发挥。
试验资料表明，复合地基在基础荷载作用下，桩体范围内应力集中，受力状态近似于桩基础，而桩间土上的反力却保持着类似于天然地基时的马鞍形分布。当铺设一定厚度的褥垫层后，基础荷载通过褥垫层向桩间土分布和扩散，桩体承担竖向荷载的比例得到了有效的调整，由此产生桩体与桩间土共同承担上部荷载的作用。在CFG桩复合地基不设置褥垫层和设置褥垫层的情况下，其桩间土的受力状态有着明显的变化，如图1所示。
（二）地基应力的均匀分布
当CFG桩复合地基不设褥垫层（H＝0）时，CFG桩对基础产生很大的集中应力，桩与桩间土的应力比很大，并随荷载的增加呈线性增长；当CFG桩复合地基设置褥垫层（H>0）时，桩与桩间土的应力比就会产生变化，在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，这种变化尤其明显。在荷载作用初期，垫层将荷载比较均匀地传递给桩和桩间土，随着桩和桩间土变形，桩间土的应力逐渐向桩体汇集，桩与桩间土的应力比随之增大，近于呈线性增长。在荷载作用后期，随着荷载继续增大，桩体首先进入塑性状态，桩上应力又会逐渐向桩间土传递，桩与桩间土应力比开始减小，直至桩和桩间土共同进入塑性状态，最终趋于某一定值。
通过对一组CFG桩复合地基的检测试验结果表明，β与H成反比。当褥垫层的设置厚度H＝0时，β值很大；当H>100mm时，β值显著降低；当H＝300mm时，β值很小。
β为桩顶所对应的基础底面的反力与桩间土所对应的基础底面的反力的比值，用下式表示：
β＝σRP/σRS
式中：σRP ——樁顶所对应的基础底面的反力。
σRS——桩间土所对应的基础底面的反力。
可见，褥垫层对CFG桩复合地基应力的均匀分布及调整变形有着不可替代的作用，如图2所示。
（三）减小地基的沉降值
从理论上讲，褥垫层不属于桩体的加固范围，但属于地基的压缩层范围。在地基沉降计算中，把褥垫层看作压缩层的第一层土，可减小沉降值。如采用分层总和法计算，把褥垫层作为一层土单独计算，与合并到原土层中计算，沉降值有一定的差别，其原因是褥垫层的压缩模量比天然土的压缩模量要大得多。
三、褥垫层的设计与施工
根据本人的经验和体会，褥垫层是否产生应有作用，关键在于其厚度的确定和施工质量的控制。根据《建筑地基处理技术规范》要求，褥垫层厚度宜选取150-300mm，在施工中，应根据复合地基的置换率及桩间土的特征来确定，而非简单地在150-300mm之间选用某一值。否则，可能给工程带来浪费或造成褥垫层效果不佳。
（一）影响褥垫层厚度确定的主要因素
1桩间土的特征因素：对于承载力较低的桩间土，褥垫层铺设不宜太厚，以使桩体更多地承担荷载；对于承载力较高的桩间土，褥垫层铺设应适当加厚，以让桩间土多分担荷载，减少桩的应力集中。
2桩端土的特征因素：当桩端进入承载力较高的土层，而桩间土承载力又较低时，褥垫层厚度应适当减小，以尽量让桩承担更多的荷载；当桩端未进入承载力较高的土层，而桩间土承载力又较高时，应适当增大褥垫层的厚度，以让桩间土分担荷载。
3置换率的大小因素：置换率小，则单桩承载力大，为发挥桩间土的承载作用，褥垫层应适当加厚；相反，褥垫层厚度予以减薄。
（二）褥垫层的质量控制
1褥垫层的原材料控制：应采用人工级配良好的砂石或碎石，最大粒径不宜超过20mm，不宜采用天然砂卵石。
2桩间土为中高灵敏度土或饱和土时，褥垫层应进行静压密实，不得进行震动夯实。
3褥垫层的铺设，最少应保证桩体嵌入褥垫层30-50mm。
4按下列公式严格控制褥垫层的夯填度
h=H/λ
式中：λ——夯填度，一般取0.87-0.9（≤0.9）；
H——设计褥垫层厚度（mm）;
h——褥垫层虚铺厚度（mm）；
5褥垫层施工前，桩间的浮（松）土必须清理干净。褥垫层应设在同一标高上，如深度不同，可挖成退台状或斜坡搭接，搭接处应充分夯实，并按先深后浅，依次进行。
6褥垫层分段施工时，接头处应做成斜坡，每层错开0.5-1.0m。
四、工程实例
我们参与的北京经济技术开发区新基铂尔曼酒店（原新城大厦）工程，采用了CFG桩复合地基，取得了良好的效果。
（一）桩与桩间土的共同作用
该工程地基土承载力为160kPa，设计要求复合地基承载力552.5kPa、单桩承载力为1168kN、置换率为0.08、单桩承担加固面积为2.83m2、桩顶应力4102.6kPa、桩土应力比25.9。竣工后实测结果显示：单桩承载力（无褥垫层）为2452.8kN，复合地基承载力576.8kPa。由此推算，桩体承受荷载没有增加，而桩间土的承载力得到了90%以上的发挥。
（二）均匀地基应力减小变形
该工程基础下第一层土为粉质黏土，层厚2.35m。
1计算方法1
把褥垫层和第一层土分开，计算如下：
2砂卵石褥垫层
基础长宽比：A/B＝50/25＝2.0；
该土层顶面及底面至基础底面的距离Z0＝0、Z1＝0.3m；
该层土厚度与基础宽度之比：Z0/B=0、Z1/B=0.3/25=0.012;
分层土的压缩模量Esi，其砂卵石褥垫层的压缩模量：Esi＝50 MPa
平均附加应力系数：C0=0.25及C1=0.25
平均附加应力：P0＝552.5KPa;
沉降值：△S1=P0/Esi(C1Z1-C0Z0)=0.083cm
（1）原粉质黏土层
基础长宽比：A/B=50/25=2.0
该土层顶面及底面至基础底面的距离：Z1=0.3m及Z2=2.35m
该层土厚度与基础宽度之比：Z1/B=0.012及Z2/B=0.094
平均附加应力系数：C1=0.25及C2=0.249 9
原粉质黏土层压缩模量：Es2=6.6MPa
桩间土强度提高系数：ζ＝3.49
沉降值：△S2＝P0/Es2/ζ(C2Z2-C1Z1)=1.23cm。
（2）褥垫层与粉质黏土层沉降值相加，即0.083+1.23＝1.313cm.
3计算方法2
褥垫层与粉质黏土层作为一层土，计算如下：
基础长宽比：A/B=50/25=2.0
该层土计算点至基础底面的距离：Z0=0及Z1=2.35m
该层土厚度与基础宽度之比：Z0/B=0及Z1/B =0.094
平均附加应力系数：C0=0.25及C1=0.249 9
压缩模量：Es1=6.6MPa
桩间土强度提高系数：ζ=3.49
沉降值：△S1=P0/Es1/ζ(C1Z1-C0Z0)=1.41cm
4用计算方法1与计算方法２进行比较
两项计算结果相比，把褥垫层作为基础下第一层土计算，比不把褥垫层作为基础下第一层土计算，沉降值小0.18cm，其原因是褥垫层的压缩模量比天然土的压缩模量要大得多，尽管天然土压缩模量进行了调整（ζ），而褥垫层并未进行调整。
（三）现场原位实测结果
在北京新基铂尔曼酒店工程CFG桩复合地基处理中，布置的桩距是1.80m、置换率0.08、单桩承担加固面积2.83m2、布桩总数为565根、褥垫层厚度为300mm、填度要求0.88。比相邻同条件、同期施工的其它工程少布桩２9根，工程直接造价降低了8.5万元，并提前3天完成工期。
施工完毕后，对沉降量进行了静压检测，而相邻同条件、同期施工的其它工程沉降量却大了6mm，且桩顶出现破坏性裂缝。分析认为，这是由于褥垫层铺设不合理，或褥垫层施工质量控制不严，导致CFG桩体应力集中过大所致。
五、结束语
CFG桩复合地基的褥垫层，它不同于一般意义上的垫层或找平层，是CFG桩复合地基不可缺少的重要组成部分，CFG桩复合地基则必须依靠褥垫层才能形成完整的复合地基。合理设置褥垫层，对提高复合地基承载力和减小地基的沉降变形是非常重要的。在CFG桩复合地基单桩设计时，桩间土承载力的折减系数可在β＝0.75--0.95之间取高值，即可减少樁的总数量，以达到降低工程造价之目的。
责任编辑 郭 博
唐宝庚，男，浙江金华工程师，北京市，中铁十九局集团公司，北京亦庄经济技术开发区荣华南路19号，100176
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词:CFG桩 褥垫层 复合地基
Abstract: this paper introduces the serveral problems in CFG pile composite foundation bearing mechanism and characteristics of, this paper expounds the serveral problems is CFG pile composite foundation is important and key technology. And combined with engineering example, and through the field in situ measured, and verifies the serveral problems can effectively improve the bearing capacity of compound foundation.
Keywords: CFG pile composite foundation serveral problems
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
一、引 言
随着科学技术的迅速发展，各种类型的人工地基日趋多样，CFG桩复合地基，因其充分发挥了桩间土和桩的共同作用以及相对低廉的工程造价，在当下建设工程中得到了广泛的应用。CFG桩复合地基由于设置了褥垫层，有效提高了桩间土的地基承载力，从而极大地提高了CFG桩在复合地基中的承载力和抗变形能力，对建筑结构的安全稳定有着非常重要的意义。
二、褥垫层的作用机理
目前，在我国CFG桩复合地基多用于高层建筑中。CFG桩是水泥、粉煤灰、碎石桩的简称（即cement flying-ash gravel pile），它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂子适量加水搅拌而成的高粘结强度桩，它在桩间土和褥垫层的共同作用下形成了人工复合地基。在CFG桩复合地基设计中，褥垫层是复合地基的一项关键技术，其基本设计原理阐述如下。
（一）桩与桩间土的共同作用
CFG桩属于刚性桩，与桩间土的变形模量差别很大，而复合地基在刚性基础下等量变形时，地基土应力将按材料模量（即刚度）进行分布，故桩顶范围内应力集中，并随荷载的增大而加剧，而桩间土的承载力却难以发挥。
试验资料表明，复合地基在基础荷载作用下，桩体范围内应力集中，受力状态近似于桩基础，而桩间土上的反力却保持着类似于天然地基时的马鞍形分布。当铺设一定厚度的褥垫层后，基础荷载通过褥垫层向桩间土分布和扩散，桩体承担竖向荷载的比例得到了有效的调整，由此产生桩体与桩间土共同承担上部荷载的作用。在CFG桩复合地基不设置褥垫层和设置褥垫层的情况下，其桩间土的受力状态有着明显的变化，如图1所示。
（二）地基应力的均匀分布
当CFG桩复合地基不设褥垫层（H＝0）时，CFG桩对基础产生很大的集中应力，桩与桩间土的应力比很大，并随荷载的增加呈线性增长；当CFG桩复合地基设置褥垫层（H>0）时，桩与桩间土的应力比就会产生变化，在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，这种变化尤其明显。在荷载作用初期，垫层将荷载比较均匀地传递给桩和桩间土，随着桩和桩间土变形，桩间土的应力逐渐向桩体汇集，桩与桩间土的应力比随之增大，近于呈线性增长。在荷载作用后期，随着荷载继续增大，桩体首先进入塑性状态，桩上应力又会逐渐向桩间土传递，桩与桩间土应力比开始减小，直至桩和桩间土共同进入塑性状态，最终趋于某一定值。
通过对一组CFG桩复合地基的检测试验结果表明，β与H成反比。当褥垫层的设置厚度H＝0时，β值很大；当H>100mm时，β值显著降低；当H＝300mm时，β值很小。
β为桩顶所对应的基础底面的反力与桩间土所对应的基础底面的反力的比值，用下式表示：
β＝σRP/σRS
式中：σRP ——樁顶所对应的基础底面的反力。
σRS——桩间土所对应的基础底面的反力。
可见，褥垫层对CFG桩复合地基应力的均匀分布及调整变形有着不可替代的作用，如图2所示。
（三）减小地基的沉降值
从理论上讲，褥垫层不属于桩体的加固范围，但属于地基的压缩层范围。在地基沉降计算中，把褥垫层看作压缩层的第一层土，可减小沉降值。如采用分层总和法计算，把褥垫层作为一层土单独计算，与合并到原土层中计算，沉降值有一定的差别，其原因是褥垫层的压缩模量比天然土的压缩模量要大得多。
三、褥垫层的设计与施工
根据本人的经验和体会，褥垫层是否产生应有作用，关键在于其厚度的确定和施工质量的控制。根据《建筑地基处理技术规范》要求，褥垫层厚度宜选取150-300mm，在施工中，应根据复合地基的置换率及桩间土的特征来确定，而非简单地在150-300mm之间选用某一值。否则，可能给工程带来浪费或造成褥垫层效果不佳。
（一）影响褥垫层厚度确定的主要因素
1桩间土的特征因素：对于承载力较低的桩间土，褥垫层铺设不宜太厚，以使桩体更多地承担荷载；对于承载力较高的桩间土，褥垫层铺设应适当加厚，以让桩间土多分担荷载，减少桩的应力集中。
2桩端土的特征因素：当桩端进入承载力较高的土层，而桩间土承载力又较低时，褥垫层厚度应适当减小，以尽量让桩承担更多的荷载；当桩端未进入承载力较高的土层，而桩间土承载力又较高时，应适当增大褥垫层的厚度，以让桩间土分担荷载。
3置换率的大小因素：置换率小，则单桩承载力大，为发挥桩间土的承载作用，褥垫层应适当加厚；相反，褥垫层厚度予以减薄。
（二）褥垫层的质量控制
1褥垫层的原材料控制：应采用人工级配良好的砂石或碎石，最大粒径不宜超过20mm，不宜采用天然砂卵石。
2桩间土为中高灵敏度土或饱和土时，褥垫层应进行静压密实，不得进行震动夯实。
3褥垫层的铺设，最少应保证桩体嵌入褥垫层30-50mm。
4按下列公式严格控制褥垫层的夯填度
h=H/λ
式中：λ——夯填度，一般取0.87-0.9（≤0.9）；
H——设计褥垫层厚度（mm）;
h——褥垫层虚铺厚度（mm）；
5褥垫层施工前，桩间的浮（松）土必须清理干净。褥垫层应设在同一标高上，如深度不同，可挖成退台状或斜坡搭接，搭接处应充分夯实，并按先深后浅，依次进行。
6褥垫层分段施工时，接头处应做成斜坡，每层错开0.5-1.0m。
四、工程实例
我们参与的北京经济技术开发区新基铂尔曼酒店（原新城大厦）工程，采用了CFG桩复合地基，取得了良好的效果。
（一）桩与桩间土的共同作用
该工程地基土承载力为160kPa，设计要求复合地基承载力552.5kPa、单桩承载力为1168kN、置换率为0.08、单桩承担加固面积为2.83m2、桩顶应力4102.6kPa、桩土应力比25.9。竣工后实测结果显示：单桩承载力（无褥垫层）为2452.8kN，复合地基承载力576.8kPa。由此推算，桩体承受荷载没有增加，而桩间土的承载力得到了90%以上的发挥。
（二）均匀地基应力减小变形
该工程基础下第一层土为粉质黏土，层厚2.35m。
1计算方法1
把褥垫层和第一层土分开，计算如下：
2砂卵石褥垫层
基础长宽比：A/B＝50/25＝2.0；
该土层顶面及底面至基础底面的距离Z0＝0、Z1＝0.3m；
该层土厚度与基础宽度之比：Z0/B=0、Z1/B=0.3/25=0.012;
分层土的压缩模量Esi，其砂卵石褥垫层的压缩模量：Esi＝50 MPa
平均附加应力系数：C0=0.25及C1=0.25
平均附加应力：P0＝552.5KPa;
沉降值：△S1=P0/Esi(C1Z1-C0Z0)=0.083cm
（1）原粉质黏土层
基础长宽比：A/B=50/25=2.0
该土层顶面及底面至基础底面的距离：Z1=0.3m及Z2=2.35m
该层土厚度与基础宽度之比：Z1/B=0.012及Z2/B=0.094
平均附加应力系数：C1=0.25及C2=0.249 9
原粉质黏土层压缩模量：Es2=6.6MPa
桩间土强度提高系数：ζ＝3.49
沉降值：△S2＝P0/Es2/ζ(C2Z2-C1Z1)=1.23cm。
（2）褥垫层与粉质黏土层沉降值相加，即0.083+1.23＝1.313cm.
3计算方法2
褥垫层与粉质黏土层作为一层土，计算如下：
基础长宽比：A/B=50/25=2.0
该层土计算点至基础底面的距离：Z0=0及Z1=2.35m
该层土厚度与基础宽度之比：Z0/B=0及Z1/B =0.094
平均附加应力系数：C0=0.25及C1=0.249 9
压缩模量：Es1=6.6MPa
桩间土强度提高系数：ζ=3.49
沉降值：△S1=P0/Es1/ζ(C1Z1-C0Z0)=1.41cm
4用计算方法1与计算方法２进行比较
两项计算结果相比，把褥垫层作为基础下第一层土计算，比不把褥垫层作为基础下第一层土计算，沉降值小0.18cm，其原因是褥垫层的压缩模量比天然土的压缩模量要大得多，尽管天然土压缩模量进行了调整（ζ），而褥垫层并未进行调整。
（三）现场原位实测结果
在北京新基铂尔曼酒店工程CFG桩复合地基处理中，布置的桩距是1.80m、置换率0.08、单桩承担加固面积2.83m2、布桩总数为565根、褥垫层厚度为300mm、填度要求0.88。比相邻同条件、同期施工的其它工程少布桩２9根，工程直接造价降低了8.5万元，并提前3天完成工期。
施工完毕后，对沉降量进行了静压检测，而相邻同条件、同期施工的其它工程沉降量却大了6mm，且桩顶出现破坏性裂缝。分析认为，这是由于褥垫层铺设不合理，或褥垫层施工质量控制不严，导致CFG桩体应力集中过大所致。
五、结束语
CFG桩复合地基的褥垫层，它不同于一般意义上的垫层或找平层，是CFG桩复合地基不可缺少的重要组成部分，CFG桩复合地基则必须依靠褥垫层才能形成完整的复合地基。合理设置褥垫层，对提高复合地基承载力和减小地基的沉降变形是非常重要的。在CFG桩复合地基单桩设计时，桩间土承载力的折减系数可在β＝0.75--0.95之间取高值，即可减少樁的总数量，以达到降低工程造价之目的。
责任编辑 郭 博
唐宝庚，男，浙江金华工程师，北京市，中铁十九局集团公司，北京亦庄经济技术开发区荣华南路19号，100176
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。