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中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：
1. 序言
复合地基是在软弱地基中采用置换或增强的方法在土中设置由散体材料(土砂碎石等)或弱胶结材料(石灰土、水泥土等)构成加固桩柱体(也称增强体)，与桩间土(也称桩周土)共同承担建筑物或构筑物的基础传来的荷载，有时桩间土的性质在增强体设置的过程中也受到不同程度的改善，从而使地基的强度与刚度得以提高，这类由两种不同强度的介质组成的人工地基，称为复合地基[[ 杨顺安，冯晓腊，张聪辰.软土理论与工程[M].北京:地质出版社,2000.]]。
该项目所处地区属热带雨林气候，年均降雨量3000mm左右，平均海拔1800 m，地下水主要为存在于冲洪积层和崩积层中，地下水埋深为0.6~1m，随季节变化不大，补给来源为大气降水，在工程中如果遇到了这类软土地基，其很低的强度、对扰动十分敏感、压缩性大的缺点就很大程度上限制了建筑结构并且对施工带来很大难度，所以要满足建筑结构对地基的要求就必须采取一定的加固措施。一般所采取的加固措施都是围绕着控制变形和提高稳定性两个问题进行的，但是就大面积内软土层较厚的地区，软土地基在施工过程中地基下沉预测问题以及如何控制工后沉降量则是工程施工的难点所在。本工程选用CFG桩复合地基对于软土地基进行加固，在工程施工之前采用有限元软件对加固能力和效果进行了预测和分析，为工程施工提供了有效的指导。
本工程地基勘测结果如下表所示。
2. 软土地基沉降特点
大量的实践证明，软土地基的沉降主要有主固结沉降、次固结沉降及瞬时沉降三种沉降特点。
2.1 主固結沉降
主固结沉降主要是指土中有一定量的水自孔隙往外流，从而使土的总体积变小，地基沉降，水流快慢由孔隙大小、压力轻重、渗透性好坏及压缩性来共同决定，此类沉降就是主固结沉降。水的流速会随着空隙压力的减小而减慢，直至空隙压力完全消失，达到稳态。
2.2 次固结沉降
主固结后，有效应力达到稳态，沉降与时间成一定关系，土的体积仍随时间流逝而变化的沉降即为次固结沉降。在此过程中，依然有微小的超孔隙压力推动土粒间的水流动。但由于水流速很小，此超孔隙压力细微到无法测量。因此得出结论，次固结沉降的体积变化率与孔隙水流速及与土层的厚薄程度无直接关系。主固结完成之后，如图1所示。次固结引起的孔隙比变化如下式:
(1)
其中 Ca—取半固结系数的前期直线部分斜率作为其数值，称为次固结系数；
t1—当主固结过程完成时所需要的时间；
t2—当次固结过程进行时所需要固结度对应的时间。
所以在次固结过程中的下沉理论计算公式为:
(2)
上述次固结系数Ca的大小主要视土的种类而定。
2.3 瞬间沉降
加载瞬间产生的沉降称为瞬间沉降，有两种情况。在单向压缩情况下，土中的微量空气压缩及颗粒的局部重排促进土的压缩；在现场，土体在总体积不变的的情况下会出现侧向变形，于是产生瞬间沉降。瞬时沉降是土体体积无改变的畸变的结果，它发生得极迅速。我们不考虑水从土中流出使沉降产生需要一定时间，而把瞬时沉降当一个粗略概念，当作土的体积不变。若基础中的软土很厚，在基础表面作用的荷载可以理想化为规则形状侧均布荷载时，地基沉降初期值可按(3)进行：
(3)
其中：i—均布荷载；
L—规则荷载的尺寸，圆取其半径，矩形取其宽度计算；
Td—计算参数，在进行初始沉降计算时与荷载布设位置、种类以及计算点位置有关,见表1；
E、ν—计算区土体的弹性模量与泊松比。
表1式3中的Td取值（10-2）
3．CFG桩加固机理
CFG 桩板结构是一种新型的结构型式，主要由CFG 桩、钢筋混凝土桩和钢筋混凝土承载板共同构成，对处理厚且深的松软土地基非常适用，它的主要工作机理是：上部荷载经过承台板传递到桩体，桩体再将荷载向桩间土、下卧层或者桩基底的岩石层扩散开，以掌控松软土地基的沉降与变形破坏[ 何结兵.CFG 桩复合地基桩土应力比数值分析[J].扬州大学学报,2004.1]。
本文将CFG 桩板结构的复合地基的加固原理总结为以下几部分：
3.1 桩体的置换作用
CFG 桩中的水泥在水解和水化以及与粉煤灰的凝硬反应之后，生成了以铝酸钙水化物、钙铝黄长石水化物和硅酸钙水化物等无水溶性的稳定的结晶化合物为主要成分的物质，这些物质为纤维状的结晶，还会不断向周围生长延展，从而能填充进碎石和石屑的缝隙里，彼此交织构成空间网状构架，将原本的点—点接触和点—面接触的骨料紧密粘结到一块，结果桩体的抗剪强度大幅增强，变形模量大大增大，桩体作用更好的发挥出来。
3.2 桩-土-板的协调作用
荷载竖向作用下，桩板构架里的承载板底面层土、桩间的土、桩端下的土全都参与进来，承载板、桩群与土共同组成一个相互影响、协调分配的大体系。当桩顶慢慢受到上部荷载作用时，桩身上部受挤压，于是会相对于桩周土向下移动一定距离，此时桩侧外表面承受着土向上的摩阻力作用，结果是桩身荷载及桩身挤压形变依深度的加大而递减。
3.3 挤密及加筋作用
CFG 在成桩所有环节中，不需要向地基中注进任何附加的水，桩体中粉煤灰和水泥粉在水化作用的时候会对周围软土造成吸水、生热或膨胀等影响，令周围的土体达到挤密状态。CFG 桩除了能够帮助提高地基承载力，也能提高土体抗剪的强度，让软土地基填筑更具稳定性。
3.4 桩体的排水作用
因为沉管和拔管会振动，CFG 桩在饱和粉土混合砂土中施工的时候，土体会生成超孔隙水压。对于透水层较好，上面却有着透水性较差的土层的情况下，刚刚完工的CFG桩必定是个很好的排水渠道。孔隙水可以沿桩体向上排清，一直到 CFG 桩硬结，一般如此排水能延续几小时。
4 有限元计算模型的建立
4.1 模型的假设
为了在使用有限元分析问题的时候让问题既简化又真实反映问题本质，在分析过程中进行了如下的处理和简化：
(1)将土体假设为理想弹塑性体；
(2)假设桩体与承载板都是线弹性体，满足广义虎克定律条件；
(3)假设在垂直荷载作用下，承载板与地基土间，桩与桩周土间都不会发生相对滑动，接触面上的点在变形时一直保持着接触状态；
(4)假设承载板、桩、土均是均质的、异向同性的材料。
4.2 模型加载方案
CFG桩板结构解决地基问题时通常用矩形、正方形排列或正三角形排列，计算时，可将承受轴对称垂直载荷作用下的CFG桩板结构复合地基看成轴对称情况，把问题简化到平面问题再求解。
外力作用一般要借助荷载板以施加到承台板，选取边长为 500mm×500mm的荷载板，面积为 0.25m2的刚性压板来完成天然地基的静载试验。模型的计算深度总值是22米。有限元模拟运用逐步施加均布荷载的方法，总加载300kPa，每次50kPa，等到沉降稳定下来之后再进行下一级荷载的施加。软土在外荷载作用下发生形变，软土自重计加载板自身重力较小，不过从贴近实际状况方面考虑，还是要把自重的影响加进来为宜。按s/d=0.01~0.015 的标准要求找出天然地基承载力的极限值。
4.3 材料特性的选取
模型中所用材料特性见表2。
表2 材料特性表
4.4 边界条件
假定模型的底面是刚性的，没有发生形变。模型四周朝水平方向没有发生侧向的位移，但竖直方向发生了位移形变。
4.5 有限元模型
模型在粘土和淤泥质土体中增加CFG桩，桩体直径为0.5m,长度为21m，间距1m，桩体材料参数：模量200MPa，泊松比为0.20，渗透系数为1.0e-6m/d。CFG复合地基模型见图1，有限元网格划分图见图2。
图5-1 CFG桩复合地基模型图5-2 网格划分
4.6 计算结果分析
采用CFG桩加固模型计算所得的各加载阶段的应力云图见图3至图7。
图3 地应力平衡结果应力云图 图4 第一阶段堆载加载固结完成后应力云图
图5 第二阶段堆载加载固结完成后应力云图图6 第三阶段堆载加载固结完成后应力云图
图7 第四阶段堆载加载固结完成后应力云图
采用CFG桩加固软土地基后加载的应力云图图3至图7，参照应力云图对比，可得布设CFG桩后与未布置前同层土质的受力后应力监测对比图8、图9，显示出：采用CFG桩加固软土地基后，其地基上部荷载直接经桩体传递至底层粉质土层，中间部位粘土和淤泥质高压缩率土层应力不大，可以保证基础上结构的安全。
图8 距地表6m处测量点应力对比 图9 距地表12m处测量点应力对比
5 结语
在工程实践中如何采用合适的计算方法对软土地基的沉降进行精确的计算以便指导工程采用更为合理的软土如理方法是非常关键的，本文针对工程实践中存在的问题，通过调查研究、现场测试、数值分析，对某海外房建工程软土的复合地基处治开展研究，主要有以下几方面结论：
(1)通过软土工程特性研究，分析了本工程软土地基的工程特性，选定适宜的沉降预测方法。
(2)建立有限元计算模型对本工程的软土地基进行计算并与实际测量结果进行比对，计算结果与实际工程沉降过程较为吻合，其精度可以满足工程需要。
(3)通过本工程的实践，验证了有限元方法和CFG复合地基在软土地基房建工程施工中的可行性。
1. 序言
复合地基是在软弱地基中采用置换或增强的方法在土中设置由散体材料(土砂碎石等)或弱胶结材料(石灰土、水泥土等)构成加固桩柱体(也称增强体)，与桩间土(也称桩周土)共同承担建筑物或构筑物的基础传来的荷载，有时桩间土的性质在增强体设置的过程中也受到不同程度的改善，从而使地基的强度与刚度得以提高，这类由两种不同强度的介质组成的人工地基，称为复合地基[[ 杨顺安，冯晓腊，张聪辰.软土理论与工程[M].北京:地质出版社,2000.]]。
该项目所处地区属热带雨林气候，年均降雨量3000mm左右，平均海拔1800 m，地下水主要为存在于冲洪积层和崩积层中，地下水埋深为0.6~1m，随季节变化不大，补给来源为大气降水，在工程中如果遇到了这类软土地基，其很低的强度、对扰动十分敏感、压缩性大的缺点就很大程度上限制了建筑结构并且对施工带来很大难度，所以要满足建筑结构对地基的要求就必须采取一定的加固措施。一般所采取的加固措施都是围绕着控制变形和提高稳定性两个问题进行的，但是就大面积内软土层较厚的地区，软土地基在施工过程中地基下沉预测问题以及如何控制工后沉降量则是工程施工的难点所在。本工程选用CFG桩复合地基对于软土地基进行加固，在工程施工之前采用有限元软件对加固能力和效果进行了预测和分析，为工程施工提供了有效的指导。
本工程地基勘测结果如下表所示。
2. 软土地基沉降特点
大量的实践证明，软土地基的沉降主要有主固结沉降、次固结沉降及瞬时沉降三种沉降特点。
2.1 主固結沉降
主固结沉降主要是指土中有一定量的水自孔隙往外流，从而使土的总体积变小，地基沉降，水流快慢由孔隙大小、压力轻重、渗透性好坏及压缩性来共同决定，此类沉降就是主固结沉降。水的流速会随着空隙压力的减小而减慢，直至空隙压力完全消失，达到稳态。
2.2 次固结沉降
主固结后，有效应力达到稳态，沉降与时间成一定关系，土的体积仍随时间流逝而变化的沉降即为次固结沉降。在此过程中，依然有微小的超孔隙压力推动土粒间的水流动。但由于水流速很小，此超孔隙压力细微到无法测量。因此得出结论，次固结沉降的体积变化率与孔隙水流速及与土层的厚薄程度无直接关系。主固结完成之后，如图1所示。次固结引起的孔隙比变化如下式:
(1)
其中 Ca—取半固结系数的前期直线部分斜率作为其数值，称为次固结系数；
t1—当主固结过程完成时所需要的时间；
t2—当次固结过程进行时所需要固结度对应的时间。
所以在次固结过程中的下沉理论计算公式为:
(2)
上述次固结系数Ca的大小主要视土的种类而定。
2.3 瞬间沉降
加载瞬间产生的沉降称为瞬间沉降，有两种情况。在单向压缩情况下，土中的微量空气压缩及颗粒的局部重排促进土的压缩；在现场，土体在总体积不变的的情况下会出现侧向变形，于是产生瞬间沉降。瞬时沉降是土体体积无改变的畸变的结果，它发生得极迅速。我们不考虑水从土中流出使沉降产生需要一定时间，而把瞬时沉降当一个粗略概念，当作土的体积不变。若基础中的软土很厚，在基础表面作用的荷载可以理想化为规则形状侧均布荷载时，地基沉降初期值可按(3)进行：
(3)
其中：i—均布荷载；
L—规则荷载的尺寸，圆取其半径，矩形取其宽度计算；
Td—计算参数，在进行初始沉降计算时与荷载布设位置、种类以及计算点位置有关,见表1；
E、ν—计算区土体的弹性模量与泊松比。
表1式3中的Td取值（10-2）
3．CFG桩加固机理
CFG 桩板结构是一种新型的结构型式，主要由CFG 桩、钢筋混凝土桩和钢筋混凝土承载板共同构成，对处理厚且深的松软土地基非常适用，它的主要工作机理是：上部荷载经过承台板传递到桩体，桩体再将荷载向桩间土、下卧层或者桩基底的岩石层扩散开，以掌控松软土地基的沉降与变形破坏[ 何结兵.CFG 桩复合地基桩土应力比数值分析[J].扬州大学学报,2004.1]。
本文将CFG 桩板结构的复合地基的加固原理总结为以下几部分：
3.1 桩体的置换作用
CFG 桩中的水泥在水解和水化以及与粉煤灰的凝硬反应之后，生成了以铝酸钙水化物、钙铝黄长石水化物和硅酸钙水化物等无水溶性的稳定的结晶化合物为主要成分的物质，这些物质为纤维状的结晶，还会不断向周围生长延展，从而能填充进碎石和石屑的缝隙里，彼此交织构成空间网状构架，将原本的点—点接触和点—面接触的骨料紧密粘结到一块，结果桩体的抗剪强度大幅增强，变形模量大大增大，桩体作用更好的发挥出来。
3.2 桩-土-板的协调作用
荷载竖向作用下，桩板构架里的承载板底面层土、桩间的土、桩端下的土全都参与进来，承载板、桩群与土共同组成一个相互影响、协调分配的大体系。当桩顶慢慢受到上部荷载作用时，桩身上部受挤压，于是会相对于桩周土向下移动一定距离，此时桩侧外表面承受着土向上的摩阻力作用，结果是桩身荷载及桩身挤压形变依深度的加大而递减。
3.3 挤密及加筋作用
CFG 在成桩所有环节中，不需要向地基中注进任何附加的水，桩体中粉煤灰和水泥粉在水化作用的时候会对周围软土造成吸水、生热或膨胀等影响，令周围的土体达到挤密状态。CFG 桩除了能够帮助提高地基承载力，也能提高土体抗剪的强度，让软土地基填筑更具稳定性。
3.4 桩体的排水作用
因为沉管和拔管会振动，CFG 桩在饱和粉土混合砂土中施工的时候，土体会生成超孔隙水压。对于透水层较好，上面却有着透水性较差的土层的情况下，刚刚完工的CFG桩必定是个很好的排水渠道。孔隙水可以沿桩体向上排清，一直到 CFG 桩硬结，一般如此排水能延续几小时。
4 有限元计算模型的建立
4.1 模型的假设
为了在使用有限元分析问题的时候让问题既简化又真实反映问题本质，在分析过程中进行了如下的处理和简化：
(1)将土体假设为理想弹塑性体；
(2)假设桩体与承载板都是线弹性体，满足广义虎克定律条件；
(3)假设在垂直荷载作用下，承载板与地基土间，桩与桩周土间都不会发生相对滑动，接触面上的点在变形时一直保持着接触状态；
(4)假设承载板、桩、土均是均质的、异向同性的材料。
4.2 模型加载方案
CFG桩板结构解决地基问题时通常用矩形、正方形排列或正三角形排列，计算时，可将承受轴对称垂直载荷作用下的CFG桩板结构复合地基看成轴对称情况，把问题简化到平面问题再求解。
外力作用一般要借助荷载板以施加到承台板，选取边长为 500mm×500mm的荷载板，面积为 0.25m2的刚性压板来完成天然地基的静载试验。模型的计算深度总值是22米。有限元模拟运用逐步施加均布荷载的方法，总加载300kPa，每次50kPa，等到沉降稳定下来之后再进行下一级荷载的施加。软土在外荷载作用下发生形变，软土自重计加载板自身重力较小，不过从贴近实际状况方面考虑，还是要把自重的影响加进来为宜。按s/d=0.01~0.015 的标准要求找出天然地基承载力的极限值。
4.3 材料特性的选取
模型中所用材料特性见表2。
表2 材料特性表
4.4 边界条件
假定模型的底面是刚性的，没有发生形变。模型四周朝水平方向没有发生侧向的位移，但竖直方向发生了位移形变。
4.5 有限元模型
模型在粘土和淤泥质土体中增加CFG桩，桩体直径为0.5m,长度为21m，间距1m，桩体材料参数：模量200MPa，泊松比为0.20，渗透系数为1.0e-6m/d。CFG复合地基模型见图1，有限元网格划分图见图2。
图5-1 CFG桩复合地基模型图5-2 网格划分
4.6 计算结果分析
采用CFG桩加固模型计算所得的各加载阶段的应力云图见图3至图7。
图3 地应力平衡结果应力云图 图4 第一阶段堆载加载固结完成后应力云图
图5 第二阶段堆载加载固结完成后应力云图图6 第三阶段堆载加载固结完成后应力云图
图7 第四阶段堆载加载固结完成后应力云图
采用CFG桩加固软土地基后加载的应力云图图3至图7，参照应力云图对比，可得布设CFG桩后与未布置前同层土质的受力后应力监测对比图8、图9，显示出：采用CFG桩加固软土地基后，其地基上部荷载直接经桩体传递至底层粉质土层，中间部位粘土和淤泥质高压缩率土层应力不大，可以保证基础上结构的安全。
图8 距地表6m处测量点应力对比 图9 距地表12m处测量点应力对比
5 结语
在工程实践中如何采用合适的计算方法对软土地基的沉降进行精确的计算以便指导工程采用更为合理的软土如理方法是非常关键的，本文针对工程实践中存在的问题，通过调查研究、现场测试、数值分析，对某海外房建工程软土的复合地基处治开展研究，主要有以下几方面结论：
(1)通过软土工程特性研究，分析了本工程软土地基的工程特性，选定适宜的沉降预测方法。
(2)建立有限元计算模型对本工程的软土地基进行计算并与实际测量结果进行比对，计算结果与实际工程沉降过程较为吻合，其精度可以满足工程需要。
(3)通过本工程的实践，验证了有限元方法和CFG复合地基在软土地基房建工程施工中的可行性。