CFG桩沉降控制桩沉降分析

在工程中采用桩基础主要有两个原因：一是提高地基承载力;二是减小工后沉降。就目前而言，设计桩基础时都假设绝大多数荷载由桩承担，而桩间土只承担一小部分或不承担荷载。鉴于实际工程中存在大量天然地基的承载能力充足，但若采用常规的桩基础设计方法，沉桩数量增多会使地基产生过大的沉降(超过容许沉降量)，且基础工程造价过高。因此产生了一种新型基础形式——沉降控制桩基础，它以沉降控制为基础，用于天然地基承载力能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况。在这种基础形式中，桩可视为减少沉降的措施或减少沉降的构件来使用。与传统的桩基础设计方法相比，沉降控制桩基础具有桩间距大、用桩数量少的特点。

1. 沉降控制桩的原理

沉降控制桩基础是指按控制地基沉降的原则设计的桩基础，其核心思想是根据建筑物允许产生一定沉降的观点，利用桩间土的承载能力，使单桩承受的荷载超过承载力设计值，进而减少一部分桩数，使建筑物的沉降量控制在合理的范围内，也即在设计时由基础的沉降控制值来确定桩数和桩长。若

基础的沉降量比较大，则可以通过调整桩的数量使得基础的沉降量控制在规范允许的范围内。究其根本为根据基础沉降控制的要求来确定桩数和桩长。

2. CFG桩与桩基的受力性能比较

普通桩基与CFG桩复合地基中桩、土的受力特性的不同如下。

普通桩基，基础直接与桩和桩间土接触，在给定荷载作用的情况下，桩承受较多的荷载，但随着时间的增长，桩发生的沉降大于承台发生的沉降，最终导致承台下土承担的荷载增加，而桩承担的荷载减少，也即形成了一个桩承担的荷载逐渐向承台下地基土转移的过程。

CFG桩复合地基，当承受荷载作用时，桩和桩间土均要发生变形，因桩的模量要远大于土的模量，使得桩的变形要小于土的变形。并且借助于褥垫层的调整作用，可保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。在给定荷载作用下，随着时间的增长，尽管桩间土表面的变形不断增加，但是桩和土的荷载分担不会随时间的变化而变化。

普通桩基，随着荷载的增加，桩承担的荷载占总荷载的百分比逐渐减小，土承担的荷载则相反。

CFG桩复合地基，随着荷载的增加，桩承担的荷载占总荷载的百分比逐渐增加，土承担的荷载相反。

普通桩基，桩与承台一般为刚性连接。垂直荷载作用下，桩顶、桩间土表面以及承台三者的沉降均相等。桩的最大轴力发生在桩的顶部。

CFG桩复合地基，在任一荷载作用下，桩顶、桩间土表面以及承台三者的沉降均不相等，如图1示。CFG桩复合地基最大轴力发生在中性点处。

桩、土及基础p-s曲线

图1 桩、土及基础p-s曲线

3. CFG桩的优点

相较于常规桩基础，沉降控制桩基础的优点为：按极限承载力设计单桩，使桩的承载能力得到充分的发挥;桩控制基础沉降的能力得到充分的利用;减少用桩数量(约可减少30%以上)，降低基础工程的造价;减少对周围环境的不利影响;质量控制可得到较好的保证。由以上各优点可以看出，沉降控制桩基础具有十分广泛的应用前景。

而相较于普通桩基，CFG桩的优点为：CFG桩为素混凝土桩，桩体利用工业废料粉煤灰来作为掺加料，而普通桩基为钢筋混凝土桩，且CFG桩相较于普通桩基其桩径小、桩长短，可节约造价;普通桩基传递水平荷载的能力远小于其传递垂直荷载的能力，因此让其承受水平荷载为用其短处，而CFG桩通过褥垫层将桩与承台断开，充分利用桩间土承担水平荷载的承载能力，使得桩仅用来承受一小部分的水平荷载;CFG 桩首先利用桩间土的承载能力，不足的部分由桩来承担，而普通桩基则完全利用桩的承载能力，可以看出CFG桩的数量会大大减少，从而大大节约了工程造价。

鉴于以上常规桩基础与沉降控制桩基础的比较以及普通桩基与CFG桩的比较，可以看到，采用CFG桩沉降控制桩桩长、桩数会大大减少，节约工程造价。因此，在实际工程中，用CFG桩沉降控制桩基础来处理天然地基承载力满足要求而沉降不满足要求的地基基础，具有广泛的应用前景。

4. CFG桩复合地基的变形特性

在相同的地质条件下，当荷载一定时，桩越长，桩间土的荷载分担比越小，其所受荷载越小，桩长范围内土的压缩量越小，下卧层的压缩量越小，总的压缩量越小，桩越短则完全相反。

同一桩长下，加固区的压缩量和下卧层的压缩量占总压缩量的比例随着荷载的增加，几乎没有大的变化。同一荷载下，加固区的压缩量占总压缩量的比例随着桩长的增加而增加，下卧层的压缩量则正好相反。

桩会对桩间土变形产生一定的影响，如下：

①由于桩的存在，使得桩间土的变形受到桩的约束，即侧向变形受到限制，最终导致土的垂直变形减小。且桩对桩间土的约束与桩的数量有很大关系，桩数越多，约束作用越大。

②由于褥垫层的设置，桩存在一个负摩擦区，在此区内，桩对桩间土产生向上的作用，阻止桩间土的变形。荷载较小时，因主要是桩侧阻力的发挥，导致应力面积的总和为负值，其总体效应使得桩间土的变形减小。荷载较大时，桩端阻力发挥较大，应力面积总和为正值，其总体效应使桩间土变形加大。

5. CFG桩沉降计算

CFG桩地基的变形包括三方面：加固区范围内的压缩变形;桩端下卧层变形;褥垫层的变形，其中，褥垫层的变形较小，可忽略不计。

CFG桩复合地基变形的假设：

①复合地基的应力分布按半无限空间弹性体计算;

②桩间土的变形由桩间土所受的荷载引起;

③桩间下卧层的变形由复合地基的总荷载引起。

复合地基的总变形包括两部分：桩长范围内桩间土的变形，下卧层的变形。

CFG 桩的最终沉降计算公式：

式中，x为加固区土的模量提高系数。

计算过程中应注意两个问题：

①变形模量的选取。复合地基应按照复合模量来计算。

②附加压力的计算。计算桩长范围内的桩间土的变形时，将桩间土的平均应力作为基底的附加应力。

6. CFG桩沉降控制桩设计过程

根据上述分析过程可得出，CFG桩的沉降量与桩长有密切关系。CFG桩沉降控制桩的设计过程如下：先假定基本设计参数，如桩长、桩径、桩间距、桩体强度、褥垫层的厚度等，将桩长设定为变量，通过调整这一变量来调整桩数。实际计算时，对桩数n进行循环，得出桩数n与沉降量s的关系，即n~s曲线，如图2所示。根据此曲线确定该工程的布置桩数n。

桩数n与沉降量s的关系曲线