古兰芳 邓继键 奚贤慧 沙祥林
广州中技建筑工程有限公司 广州 510663
摘要：随着对复合地基理论认识的逐步提高和实践经验的不断积累，基于对复合地基桩体的荷载传递规律和对变形控制的认识，以及对复合地基应力场和位移场特性的研究，不同桩型、桩长的多元组合型复合地基也应运而生，本文将以CM三维高强复合地基为研究对象，结合广东省清远市敏捷东城水岸8#楼CM桩高强复合地基工程实例，重点研究深厚软土区大置率CM三维高强复合地基的作用机制。
关键词：深厚软土；大置换率；CM三维；高强复合地基；数值分析
前言
随着我国社会经济的快速发展，各类工程建设正如火如荼的进行，房屋建筑越来越多，各种基础类型都得到有效的应用和长足的发展。当天然地基强度不能够满足建筑物对地基承载力和变形控制要求时，则必须对天然地基进行处理。随着地基处理技术的不断提高和发展，复合地基在工程建设中也得到了越来越多的应用。
随着对复合地基理论认识的逐步提高和实践经验的不断积累，基于对复合地基桩体的荷载传递规律和对变形控制的认识，以及对复合地基应力场和位移场特性的研究，不同桩型、桩长的多元组合型复合地基也应运而生，本文将以CM三维长短桩高强复合地基为研究对象，结合广东省清远市敏捷东城水岸8#楼CM桩高强复合地基工程实例，重点研究深厚软土区大置率CM三维高强复合地基的作用机制。
1.软土的工程特性分析
软土广泛分布于我国东南沿海、珠江三角洲和内陆江河湖泊等地区，这种土具有天然孔隙比大、天然含水量高、抗剪强度低、固结时间长、压缩性高、透水性差、扰动性大、灵敏度高、有机质含量高，土层层状之间分布比较复杂、各层土之间的物理和力学性质差别比较大等特征。
1）天然含水率和空隙比大：一般含水量为35%～80%，软土的天然空隙率一般大于1，多数值在1.0～2.0之间；
2）渗透系数小：软土透水性差，亲水性强，方向性比较明显，软土中有机质的含量、粘粒含量及液限越大，渗透系数就越小，软土的渗透系数一般约为1×10-8～1×10-6cm/s；
3）压缩性高：软土因为其孔隙比较大，土粒之间结构连接不稳定，压缩性很高，且压缩性随液限增大而增加，一般正常固结的软土的压缩系数约为a1-2=0.5～1.5MPa-1，最大可达a1-2=4.5MPa-1，压缩指数约为Cc=0.35～0.75；
4）抗剪强度低：在不排水条件下剪切时，内摩擦角几乎接近于零，一般情况时，我国软土的天然不排水抗剪强度一般小于20kPa，排水剪切时，抗剪强度随固结程度增大而增大；
5）结构性明显和灵敏性高：软土一般呈絮状结构，尤以海相粘土表现更为明显。这种类型的土未被破坏以前具有一定的结构强度，一旦受到扰动，土的强度明显降低，甚至出现流态。我国沿海地区软土灵敏度大致为4～10属高灵敏度土，因此，在软土层中施工，特别是进行基坑开挖或者地基处理，如果不注意软土的原有结构，就会导致土体变形加重，地基土强度降低，从而严重影响了地基处理的效果；
6）触变性和蠕动性明显：有荷载作用时，软土承受剪切应力而产生较为缓慢的剪切变形，并可能会使抗剪强度发生衰减，在主固结沉降完毕之后还可能继续产生可观的次固结沉降，但随静置时间增加，强度将逐渐恢复。
敏捷东城水岸项目位于广东省清远市清城区，地处于珠江三角洲北江流系附近，该场区淤泥厚度为5.10m～17.40m，平均厚度达12.17m。
2.Midas GTS有限元软件及材料本构的选取
Midas GTS是针对岩土及隧道领域的结构分析与设计而开发的专用有限元分析软件，Midas GTS的有限元法，是用有限个三边形或四边形单元体组成的离散化结构，代替原来的连续体结构来分析应力和变形，而这些单元体只在节点处有力的联系。
本文研究的大置换率CM三维高强复合地基模型由基础、刚性长桩、亚刚性短桩、桩间土及褥垫层五个部分组成，根据Midas GTS材料库中提供的各种材料模型，本文将基础和刚性长桩视为各向同性的线弹性材料，基础采用实体单元模拟，刚性长桩采用梁单元模拟；将亚刚性短桩、桩间土及褥垫层均视为Drucker-Prager弹塑性材料，采用实体单元模拟；而桩与桩间土之间相互作用界面均设置 Goodman三维接触单元。
3.工程概况
3.1工程概况和复合地基设计要求
敏捷东城水岸项目位于广东省清远市清城区东城大道北侧，项目主要为8栋28～32层高层住宅楼群和11栋20～32层商住楼群，其中8#住宅楼建筑层数为32层，设置1层地下室，采用框-剪结构。
本工程项目地处石灰岩地层，基岩面起伏较大，钻孔揭露有溶洞和土洞，见洞率约为25%，岩溶较发育。基底以下主要土层为流塑状淤泥层，层厚5.1～17.4m，平均厚度为12.2m，淤泥层天然含水率为67%，最大值高达76%，孔隙比为1.57～1.96，为高灵敏度、高压缩性、低强度和低渗透性土层。
由于该地层的特殊性，若采用管桩基础，深厚淤泥层对桩侧约束小，部分管桩穿过淤泥层后直接落至岩面，桩体稳定性差；基岩倾角大，易出现桩端变形、桩头打碎、桩身断裂、桩身倾斜等破坏现象；管桩基础并未对土洞、溶洞进行处理，岩面上覆土层会通过开口溶洞的通道流失，土洞会继续发育，桩端会短时间丧失稳定性，存在潜在的安全隐患。
若采用冲（钻）孔灌注桩，岩层倾角过大，会使冲孔困难，需经石块或砼块填平后继续冲孔；在岩溶发育的情况下，冲（钻）孔桩施工入岩难掌握，端承力难以保证；泥浆遇到土洞、溶洞易漏浆，泥浆护壁困难；且施工成本和工期不可控制。
本工程地基基础的处理选择综合考虑多种因素后决定采用大置换率CM三维高强复合地基地基处理技术+筏板基础方案，刚性长桩采用长螺旋素混凝土桩，亚刚性短桩采用大直径水泥搅拌桩。根据设计院提供的上部结构标准组合荷载值，要求处理后的复合地基承载力特征值不小于500kPa，据此确定本深厚软土区大置换率CM三维高强复合地基项目设计情况具体如下：刚性长桩采用C25素混凝土桩，成桩直径D=500mm，桩间距为1.6m，以风化岩面为桩端持力层，有效桩长在13.5m～16.7m之间，平均有效桩长约为14.5m；亚刚性短桩成桩直径D=1300mm，桩间距为1.6m，有效桩长以穿透淤泥层进入砂砾或卵石层1m为准，平均有效桩长在13.5m。
3.2场地工程地质条件
场地地貌属于珠江三角洲冲积平原的地貌单元，原为耕地，经人工回填后地形平坦开阔。根据钻探取芯、原位测试及室内土工试验成果综合分析，在勘探深度范围内，按岩土特征、成因和形成时代的不同可划分为10层，现自上而下分述如下：
①素填土：本层广泛分布，呈灰色，灰黄色，松散状，湿，主要由粘性土组成，为附近的石灰岩残积土新近人工回填而成。层厚0.40～1.90m，平均厚度0.77m。
②粘土：本层各钻孔均有揭露，呈灰黄色，灰色，很湿，软塑-可塑状，粘性较强，主要由粘粒组成。层厚1.60～13.70m，平均厚度3.60m。
③淤泥：本层各钻孔均有揭露，呈深灰色，灰黑色，饱和，流塑状，含较多的有机物，土芯难直立。有腥味。层厚5.10～17.40m，平均厚度12.17m。实测标贯击数1～2击，平均击数N=1.3击，其天然含水率平均值66.4%。
④粘土：本层部分钻孔有揭露，灰黄色，灰色，很湿，软塑-可塑状，粘性较强，主要由粘粒组成。层厚1.10～3.50m，平均厚度1.76m。
⑤砾砂：本层部分钻孔有揭露，呈深灰色夹灰白色，砾径不均，呈砂夹土状，砾径多在2～6mm之间，砾石由石英组成，磨园度差，呈次棱角状，稍密-中密状。含较多卵石。层厚0.50～5.80m，平均厚度2.05m。
⑥粘土：场区内共1个钻孔可见。灰黄色，饱和，可塑状，粘性较强，局部渐变为粉质粘土。
⑦卵石：本层部分钻孔有揭露，深灰色，夹灰白色，卵径不均，呈砂夹土状，常见粒径可达20～50mm之间，个别大于80mm，卵石由石英组成，磨园度差，呈次棱角状，稍密-中密状，含较多粘土及砂砾。层厚0.50～5.80m，平均厚度2.05m。
⑧粉质粘土：本层部分钻孔有揭露，呈红褐色，褐黄色，灰色，稍湿，可塑状-硬塑状，为灰岩风化残积土，局部夹有强风化碎块。层厚0.70～11.25m，平均厚度3.19m。
⑨强风化石灰岩：本层部分钻孔有揭露，呈褐黄色，灰黄色，灰色，岩芯呈半岩半土状，裂隙稍发育，岩质较软，遇水易散，钻进较快。夹有较多卵砾及块石。层厚0.30～6.30m，平均厚度2.12m。
⑩中风化石灰岩：本层各孔均有揭露，呈深灰色，青灰色，灰色间褐红色，岩芯多呈短柱状，少量为长柱状、块状。裂隙稍发育，岩芯柱面可见较多方解石脉，岩质较硬，敲击声脆，锤击易折断。钻进速度较慢。层厚3.10～31.10m，平均厚度7.05m。
该场区8#住宅楼典型地质剖面图，如图1所示。
图2 大置换率CM三维高强复合地基的组成
大置换率CM三维高强复合地基运用“缺多少补多少”的补偿概念充分发挥天然地基土承载力的基础上，采用刚性桩、亚刚性桩、桩间土和桩顶垫层共同协调的方式来提高地基的整体强度。同时利用复合地基附加应力随深度增加逐渐扩散减小的特点，在深度上设置了长短不一的加强桩体形成竖向三个刚度梯度的地基，有效减小了地基的沉降。该种大置换率CM三维高强复合地基组成形式能达到如下作用：
（1）桩体作用：由于复合地基中桩体的刚度较桩间土体大，在刚性基础下等量变形时，地基中应力将按材料模量进行分布。因此，桩体上产生应力集中现象，大部分荷载将由桩体承担，桩间土上应力相应减小，这样使得复合地基承载力较原地基有较大提高，沉降量有所减小。因大置换率CM三维高强复合地中亚刚性桩桩体刚度较普通搅拌桩有较大提高，该种复合地基桩体作用发挥更加明显。
（2）垫层作用：促使桩土均衡应力分配，协调沉降变形，保证桩土共同协调作用。桩与桩间土复合地基由于其性能优于原天然地基，它可起到类似垫层的换土，均匀地基应力和增大应力扩散角度作用。在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中垫层作用尤其明显。
（3）加速固结作用：除散体材料桩具有良好的透水特性，可加速地基的固结外，水泥土类和混凝土类等刚性桩在某种程度上也可加速地基固结。因为地基固结不但与地基土的排水性能有关，而且还与地基上的变形特性有关。从固结系数Cv的计算公式反映出来（Cv=k（1+eo）/r?a），虽然刚性桩会降低地基土的渗透系数k，但它同样会减小地基土的压缩系数a，而通常后者的减小幅度要较前者为大，同样可起到加速固结的作用，因此，增大桩与桩间土的模量之比对加速地基固结是有利的。
（4）挤密作用：如素混凝土桩和预制桩等刚性桩在施工过程中由于振动、挤压、排土等原因，可对桩间土起到一定的挤密和围箍作用。对深层搅拌桩，同样存在排土问题。
（5）加筋作用：各种桩土复合地基除了可提高地基的承载力外，还可用来提高土体的抗剪强度，刚性桩复合地基效果更为明显，其作用相当于在土体中加筋。
5.大置换率CM三维高强复合地基设计思路
大置换率CM三维高强复合地基运用“缺多少补多少”的补偿概念充分发挥天然地基土承载力的基础上，采用桩、桩间土和桩顶垫层有机配置的方式来提高整体持力层地基的强度。重点在于处理深厚的流塑状淤泥。
为了要稳定淤泥，限制淤泥的流动性，提高土层承载强度和降低其压缩性，常规的方法是将流塑状淤泥划分封闭的小单元采用水泥土桩网格式布置以约束淤泥，或是加大水泥土桩的置换率来固结淤泥。本工程综合考虑后采用大置换率CM三维高强复合地基的方法处理。
由于大置换率的水泥土桩在固结淤泥的同时也可约束淤泥的流动。采用大置换率CM三维高强复合地基，在垂直荷载加载后，由于褥垫层的变形调整作用，桩间土表面沉降会大于桩顶沉降，而淤泥被约束其中，侧向变形收到限制，则必然使桩间土水平附加应力增加，增加了桩间土对桩侧的正应力，从而提高桩的侧摩阻力，提高桩的单桩承载力。且由于水泥土的抗压强度是随着围压的增加而增加的，所以采用大置换率复合地基也可提高水泥土的抗压强度，增加水泥土桩顶部位抵抗受压破坏的能力。
①加大桩径：为了提高水泥土桩的置换率，采用了大直径水泥土桩代替小直径水泥土桩，一根1300mm直径的水泥土桩的置换面积约等同7根500mm直径的水泥土桩。大直径水泥土桩的水泥掺量相较于小直径水泥土桩并无增加（水泥用量仍为15%~18%），且施工速度和小直径水泥土桩接近，实质就缩短了工期、降低了造价。而且大直径水泥土桩的水化热能改善桩周土的状态，有利于提高桩侧摩阻力和桩间土承载力。
②提高桩身强度：为了得到更高的承载力，除了提高桩置换率，还需提高大直径水泥土桩桩身强度。桩身强度较小时，桩侧摩阻力和桩端反力取值较低，桩身强度较大时则可适当提高取值。且水泥土桩单桩承载力取值往往由桩身强度值控制，固提高桩身强度能提高水泥土桩单桩承载力取值。在施工过程中采用慢速施工使水泥与土充分搅拌均匀。
③提高抗变能力：大置换率CM三维高强复合地基中沉降主要为加固层变形量及下卧层变形量。复合地基附加应力随深度而减小，本工程风化岩面距基底约为15m，设计素混凝土桩桩端落至中、微风化岩面，下卧层变形量可忽略不计，主要控制加固层变形量。采用大置换率高强复合地基，桩和土形成的复合土体的压缩模量将大大提高，且桩对桩间土具有较大的阻止土体侧向变形的作用，在垂直荷载作用下，由于土体侧向变形的限制，减少了侧向变形，也就减小了垂直变形，故大置换率高强复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。
6.数值分析计算模型的设计方案
6.1模型方案
本文数值模拟计算模型的设计方案结合8#楼实际工程项目，基于对深厚软土区大置换率CM三维高强复合地基作用机制的研究，本章模型的建立尽可能符合工程实际情况，也要具有普遍适用性，才不会失去研究的意义。
根据8#住宅楼的设计情况，其建筑层数为32层，设置1层地下室，采用框架剪力墙结构，采用大置换率CM三维高强复合地基+筏板基础。设计要求复合地基承载力特征值不小于500kPa，本章数值模拟时取为500kPa。8#楼基础面积约为870m2，共布置295根素混凝土桩、335根大直径水泥土搅拌桩，根据桩的置换率，确定采用4根D=500mm的素混凝土桩和5根D=1300mm的大直径水泥土搅拌桩所组成的9桩模型，素混凝土桩与大直径水泥土搅拌桩的相互桩间距设置为1.2m。
由以上模型设计方案，确定大置换率CM三维高强复合地基计算模型示意图如图3。
图4 三维有限元整体模型图和桩身局部模型图
7.褥垫层模量变化对复合地基工作性状的影响分析
为了反映褥垫层模量的变化对复合地基工作性状的影响，在其它参数按上表1输入的情况下，对褥垫层的模量取5组不同模量进行计算分析，分别取褥垫层模量为40MPa、80MPa、120MPa、160MPa、200MPa进行对比，褥垫层厚度统一按300mm取值计算。
7.1 褥垫层模量对复合地基沉降的影响
图5 褥垫层模量对复合地基沉降的影响曲线图
褥垫层的模量对复合地基的整体沉降影响较大，模量越小，复合地基的沉降值越大，随着褥垫层的模量由40MPa-200 MPa变化的过程，沉降曲线变化幅度逐渐趋于平缓；在褥垫层弹性模量为160MPa和200MPa时，可以明显看出改变褥垫层模量对复合地基整体沉降影响已经不明显，其沉降值稳定在25mm左右。
7.2 褥垫层模量对桩身应力的影响
图6 荷载500kPa时褥垫层模量对长桩桩身应力的影响曲线图
由荷载500kPa时褥垫层模量对长桩桩身应力的影响曲线图可知：长桩桩身在桩长-2m处出现了较为明显的拐点，出现拐点是由于褥垫层的存在为长桩桩顶向上刺入提供了条件，褥垫层对长桩桩身应力的调节作用，在等沉面（拐点处）以上，桩身受负摩擦力作用，桩身应力逐渐增大；在等沉面以下，桩身受正摩擦力作用，桩身应力逐渐减小；在等沉面处桩身应力最大，桩身应力最大为5500kPa左右。
图7 荷载500kPa时褥垫层模量对短桩桩身应力的影响曲线图
由荷载500kPa时褥垫层模量对短桩桩身应力的影响曲线可知：短桩桩身应力随褥垫层模量增大反而减小，这异于长桩桩身应力变化，作者认为这是由于褥垫层对复合地基整体沉降变形的控制作用，褥垫层模量越大，短桩桩顶沉降越小，桩身压缩就小，故短桩桩身应力就小。当荷载500kPa时，桩身应力大小为700kPa左右。
7.3 褥垫层模量对桩顶应力的影响
图8 褥垫层模量对长桩桩顶应力的影响曲线图
褥垫层模量对长桩桩顶应力的影响曲线可知：随着褥垫层弹性模量的增大，长桩桩顶应力有明显增大趋势，当褥垫层模量为40MPa时，长桩桩顶应力明显比其他4条曲线小很多，说明褥垫层模量过小不利于长桩承载力得到充分发挥。
图10 褥垫层模量对土顶应力的影响曲线图
由褥垫层模量对桩间土土顶应力的影响曲线对比可知：随着褥垫层模量的增大，土顶应力明显减小，当褥垫层模量为120MPa、160MPa和200MPa时，土顶应力保持较为稳定状态，说明褥垫层模量越小，越有利于褥垫层材料向桩间土的流动补偿作用，就越有利于桩间土承载力的发挥，且桩间土承载力较天然地基土承载力有较大的提高，其最大值能达天然地基土承载力的2倍左右。
7.5 褥垫层模量对桩土荷载分担比的影响
图13 褥垫层模量对桩间土荷载分担比的影响曲线图
由以上褥垫层模量对桩土荷载分担比的影响曲线对比可知：褥垫层模量对长桩的荷载分担比有较大影响，随着褥垫层模量的增大，长桩承担荷载有明显增大；随着褥垫层模量的增大，短桩承担荷载有一定的减小，本深厚软土区大置换率CM三维高强复合地基模型长桩的置换率为4.91%，短桩的置换率为41.48%，短桩的置换率体现了本复合地基大置换率的核心，短桩为本复合地基的主要承载体系，故其承载了大部分的上部荷载，这也突破了常规直径的CM三维高强复合地基主要由长桩承担荷载；随着褥垫层模量的增大，桩间土承担荷载有明显减小，说明褥垫层模量越小，褥垫层向桩间土流动补偿的量越多，越利于桩间土承载力的发挥。
7.6 褥垫层模量对复合地基位移场的影响
图18 褥垫层模量200Mpa
在荷载500kPa时褥垫层模量对位移场的影响对比可知：褥垫层模量的变化对复合地基位移场影响较为明显，当褥垫层模量过小为40MPa和80MPa时，刚性长桩的作用发挥很小，随着垫层模量由120MPa加大200MPa，桩周土体调动的作用越来越明显，桩端向下的刺入量也开始加大，桩体的作用开始发挥。
7.7 褥垫层模量对复合地基应力场的影响
图23 褥垫层模量200Mpa
在荷载500kPa时褥垫层模量对应力场的影响对比可知：褥垫层模量的变化对复合地基应力场影响较为明显，随着褥垫层的模量的增大，桩顶和桩端的应力越来越大，桩体发挥的作用越来越大。
根据应力场的变化规律可知，由于褥垫层的存在，使得大置换率CM三维复合地基在竖直方向上应力的递减是非常明显的，这也充分证明长短桩相结合的复合地基极有利于调动浅层和深层土体的作用，使得原本基底很大的压力到桩端时已变成很小的附加应力。
8.褥垫层厚度变化对复合地基工作性状的影响分析
为了较好的反映褥垫层厚度的变化对复合地基工作性状的影响，在其它参数按上表1输入的情况下，对褥垫层的厚度取5组不同厚度进行计算分析，分别取褥垫层厚度为100mm、200mm、300mm、400mm、500mm进行对比，褥垫层模量统一按100MPa取值计算。
8.1 褥垫层厚度对复合地基沉降的影响
图24 褥垫层厚度对复合地基沉降的影响曲线图
褥垫层的厚度对复合地基的整体沉降影响不明显，褥垫层厚度越大，复合地基的沉降值越大，随着褥垫层的厚度由100mm-500mm变化的过程，沉降曲线逐渐逼近。在褥垫层厚度为300mm-500mm时，可以明显看出改变褥垫层厚度对复合地基整体沉降影响已经很小。
8.2 褥垫层厚度对桩身应力的影响
图25 荷载500kPa时褥垫层厚度对长桩桩身应力的
影响曲线图
由荷载500kPa时褥垫层厚度对长桩桩身应力的影响曲线可知：随着褥垫层厚度的增大，长桩桩身应力逐渐减小，但褥垫层厚度对桩身应力的调节作用不及褥垫层模量对桩身应力的影响明显。褥垫层厚度为400mm和500mm时，此两条曲线已经开始重合，说明改变褥垫层厚度对改变长桩桩身应力已经没有影响，并且说明褥垫层越厚不利于长桩承载力的发挥。
图26 荷载500kPa时褥垫层厚度对长桩桩身应力的
影响曲线图
在荷载500kPa时褥垫层厚度对短桩桩身应力的影响曲线对比可知：短桩桩身应力沿桩长分布较均匀，桩身最大应力出现在桩顶以下3m左右，桩身最大应力大小约为700 kPa左右。
8.3 褥垫层厚度对桩顶应力的影响
图29 褥垫层厚度对土顶应力的影响曲线图
褥垫层厚度对土顶应力的影响曲线可知：随着褥垫层厚度的增大，土顶应力有增大趋势，但增幅不大；当褥垫层厚度为300mm、400mm和500mm时，土顶应力变化已不明显，说明桩间土的承载力已接近平衡状态，且复合地基桩间土承载力较天然地基土承载力有较大提高，当上部荷载达500kPa时，复合地基桩间土承载力可达天然地基土承载力2倍左右。
8.5 褥垫层厚度对桩土荷载分担比的影响
图31 褥垫层厚度对短桩荷载分担比的影响曲线图
图32 褥垫层厚度对桩间土荷载分担比的影响曲线图
由以上褥垫层厚度对桩土荷载分担比的影响曲线对比可知：褥垫层厚度对长桩的荷载分担比有较大影响，随着褥垫层厚度的增大，长桩承担荷载有明显减小；随着褥垫层厚度的增大，短桩承担荷载有一定的增大，短桩为本复合地基的主要承载体系，故其承载了大部分的上部荷载；随着褥垫层厚度的增大，桩间土承担荷载有明显增大，说明褥垫层厚度越大，越利于桩间土承载力的发挥。
8.6 褥垫层厚度对复合地基位移场的影响
图37 褥垫层厚度500mm
在荷载500kPa时褥垫层厚度对位移场的影响对比可知：当褥垫层由200mm-500mm变化时，桩顶的刺入作用较为明显，褥垫层的厚度越大，其流动补偿作用越明显，从而调动桩周土体发挥作用，桩周土体位移也越来越明显。
8.7 褥垫层厚度对复合地基应力场的影响
图42 褥垫层厚度500mm
在荷载500kPa时褥垫层厚度对应力场的影响对比可知：随着褥垫层厚度的加大，复合地基对桩周土体及深层土体的调动作用越来越明显，当褥垫层厚度由300mm-500mm变化时，垫层厚度对复合地基应力场的改变已经不明显，说明过厚的褥垫层对复合地基工作性状的影响已经很小。
9.深厚软土区大置换率CM三维高强复合地基载荷试验结果与数值计算结果对比分析
本工程8#楼复合地基项目现场载荷试验进行了3根C桩单桩承载力试验、3根M桩单桩承载力试验、3组4桩（2根C桩和2根M桩）复合地基压板试验共计9次载荷试验。具体载荷试验数据汇总如表2所示。
表2 载荷试验检测数据汇总
9.1 C桩单桩承载力试验结果分析
表3 C桩单桩承载力试验结果汇总表
由以上三组复合地基压板试验结果可知：承载力特征值对应沉降量分别为3.93mm、2.60mm、3.06mm；极限荷载作用下，最大沉降量分别为7.20mm、8.25mm、17.77mm，上述三组CM桩复合地基压板试验结果反映承载力特征值对应的相对变形值（s/b）不超过0.2%，小于规范规定值1%；极限荷载值对应的相对变形值不超过0.4%，即使按照建设单位要求，将极限荷载加大到设计荷载的2.5倍，其对应的相对变形值也不超过0.5%，其变形量极小，说明CM桩复合地基承载力特征值按照500 kPa设计确定是有足够安全储备的。
9.4深厚软土区大置换率CM三维高强复合地基载荷试验结果与数值计算结果对比分析
根据以上有限元模型分别对C桩208#、M桩48#以及压板试验一进行分析计算，C桩208#、M桩48#以及压板试验一的数值计算结果Q-s曲线与试验结果的Q-s曲线对比，详见下图43、图44及图45所示。
图44 计算与试验M桩Q-s曲线对比
图45 计算与压板试验一Q-s曲线对比
C桩载荷试验数值模拟结果最大沉降值为2.99mm，与实际监测结果2.35mm基本吻合；M桩载荷试验数值模拟结果最大沉降值为55.64mm，与实际监测结果50.20mm较为接近；压板试验一载荷试验数值模拟结果最大沉降值为10.37mm，与实际监测结果7.20mm基本接近。由三组数值模拟计算结果曲线与试验结果曲线对比可知，三组结果的曲线总体趋势均与实际监测结果较为吻合。
10.深厚软土区大置换率CM三维高强复合地基建筑物沉降观测结果
敏捷东城水岸8#楼地上32层，地下1层，现已建至第31层，8#楼共布置11个沉降观测点，其累计沉降量为7.47mm-8.50mm，最大累计沉降量为8.5mm，建筑物沉降观测结果与数值模拟计算结果（10.37mm）较为接近，也证明了数值计算结果的准确性和可行性。下图为最新的沉降观测记录。
图46 8#楼沉降观测结果
11.深厚软土区大置换率CM三维高强复合地基的优化设计建议及结论
根据本文中对深厚软土区大置换率CM三维高强复合地基的作用机制数值计算分析，得出以下优化设计建议：
（1）深厚软土区复合地基工程中，采用大直径搅拌桩，可限制淤泥的流动性，提高土层承载强度和降底其压缩性，且因大直径搅拌桩身强度较普通直径搅拌桩有大幅提高，从而采用大直径搅拌桩可使深厚软土的整体强度得到较大提高，到目前为止，采用大置换率CM三维高强复合地基已将原本天然地基承载力只有40kPa流塑状淤泥成功提高至625kPa，且处理后建筑物平均稳定沉降控制在10mm以内。
（2）深厚软土区复合地基工程中，采用大置换率CM三维高强复合地基的设计方法，大直径搅拌桩短桩可对深厚软土进行加固处理，明显提高浅层地基土强度，素混凝土长桩将应力向土体深部传递，从而使桩间土的作用得到极大的调用发挥。因此，采用大置换率CM三维高强复合地基既可以满足浅部地基对承载力的要求，又可以满足整个地基对沉降的要求。
（3）褥垫层模量对复合地基的工作性状有较大影响。根据本文计算结果，当褥垫层模量为40MPa时，极不利于长桩承载力的发挥；褥垫层模量大于200MPa时，不利于短桩和桩间土承载力的发挥；综合考虑长桩、短桩和桩间土的协调作用，建议褥垫层模量取120-200MPa，最佳模量取160MPa。根据相关资料，中密粗砂褥垫层模量为40-80MPa，密实粗砂模量为80-120MPa，中密粗砂石模量为120-160MPa，密实砂石模量可达160-200MPa，碎石模量可达200 MPa以上。所以根据本文研究结果，褥垫层宜采用密实度较好、级配良好的砂石垫层。
（4）褥垫层厚度不及褥垫层模量对复合地基的工作性状影响大。根据本文计算结果，当褥垫层厚度为100mm，长桩承载力发挥较大，但短桩和桩间土承载力的发挥很小，复合地基共同作用机制没有得到发挥；当褥垫层厚度大于200mm时，短桩和桩间土的承载力得到较为明显的发挥；当褥垫层厚度大于400mm时，褥垫层厚度对改变复合地基桩土协调作用不太明显且不利于长桩承载力的发挥；综合考虑经济因素，深厚软土区大置率CM三维高强复合地基褥垫层厚度宜取200mm-400mm，褥垫层最佳厚度宜取300mm。
（5）在褥垫层施工时，若采用的砂石垫层材料较为干燥时，可在褥垫层虚铺后适量浇水再进行稍加碾压夯实，以保证褥垫层的密实度。
（6）因褥垫层对桩土应力的调节作用，且对长桩桩身应力调节作用十分明显，导致长桩桩身应力最大值不出现在桩顶，而出现在桩顶以下2m～3m的位置，且当上部荷载大于500kPa时，长桩桩身应力最大可达6000kPa。
（7）褥垫层模量越小厚度越大，越有利于刚性长桩桩顶和亚刚性性短桩桩顶向褥垫层的刺入作用，同时有利于褥垫层材料向桩间土的流动补偿作用，使得更多的上部荷载由刚性长桩向亚刚性短桩和桩间土转移，桩间土的承载力最大可达到天然地基土承载力的2倍，最终达到均衡应力分配，协调沉降变形的目的。
（8）当上部荷载达到高强复合地基承载力的500kPa时，大直径亚刚性短桩桩身应力最大值不大于0.8MPa，根据亚刚性短桩桩身抽芯强度不足90天龄期平均值已大于2.4MPa，采用大直径搅拌桩有别于普通搅拌桩（普通搅拌桩其90天龄期抽芯强度一般小于0.8 MPa），其桩身因强度不足而破坏的可能性较小。采用大直径搅拌桩体现了本复合地基大置换率的核心，其突破了采用普通直径的CM三维复合地基主要由刚性长桩承担荷载的常规，亚刚性大直径短桩为本复合地基的主要载体系，故其承载了大部分的上部荷载。
论文作者:古兰芳,邓继键,奚贤慧,沙祥林
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/17
标签：褥垫论文; 地基论文; 应力论文; 荷载论文; 厚度论文; 承载力论文; 刚性论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;