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多层建筑CFG桩复合地基研究汇报

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总工

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二.国内CFG桩复合地基抗震性能研究
1. 2000年江南大学王伟、杨尧志
(1) 在地震区域，CFG桩复合地基褥垫层的设置使CFG桩的每根柱相互独立，桩、桩间土和基础变形不同
步，出现负摩擦力而导致桩的沉降加大，并会产生较大的不均匀沉降，从而加重上部结构震害；
(2) 密实的褥垫层在地震荷载作用下，会发生剪胀、松散趋势，使垫层失去效用，反而成为引发严重震害的隐患部位。
(3) 褥垫层的存在，使CFG桩复合地基抗拔力根本不能发挥作用，建筑物的抗倾覆能力削减；
(4) 为增强CFG桩、基础与上部结构的整体性及抗震性能，将桩顶与基础连成一个整体，并加固连接处。

2. 2001浙江大学土木工程学系李海晓、龚晓南
利用土体的双曲线本构关系对复合地基进行了地震荷载作用下的动力反应分析。
（1）复合地基内土体的动态反应表现出较为一致的整体特性，反应参量的幅值改变较小，运动方向变化不频繁;
（2）复合地基边缘外侧对应于软、硬土体的接触地段，地震波在此区域内经过多次反射、折射后，地震波得到迭加并使振动幅值增大，造成复合地基外侧区域土体较强烈的地震动态反应—设置具有吸能性质的材料，降低动态反应强度，提高地基和建(构)筑物的抗震能力。
（3）复合地基在充分发挥天然地基承载力的同时，可作为建筑结构物较好的抗震预防措施。

3. 2003年河北理工学院韩银全，徐建生
1) 桩和上部结构的刚度相对褥垫层较大，褥垫层的振动效应最大，而上部结构振动效应降低，地震时传递给上部结构的地能降低，剪应力得到近一倍的衰减—提高了整体的抗震性能；
2) 桩间土除了协助桩体承受竖向力外，还在桩顶处承担下传的动剪力的1/13，虽比例较小，但也体现出了其比桩与承台刚性连接的情况的优越性—良好抗震性能；
3) 桩身弯矩最大值在桩身顶的1/10处，水平剪力最大值在桩顶，即在此段中，桩身侧面可能发生拉裂或剪坏；第二大弯矩值(负值) 约发生在桩身的1/2处，桩身以下逐渐衰减，桩身下半部的剪力相对值却很小—将桩身上段(尤其是桩顶)适当的加强（标号或添加材料），则整个CFG桩复合地基的抗震性能将明显的提高；
4) CFG桩复合地基的抗震性能优于普通碎石桩复合地基和天然地基，其褥垫层的存在，正体现了积极的隔震思想。

4. 2004年东北大学土木工程系王凤池等
对垫层桩基的减振机理研究上，分析了垫层桩基和复合地基的等效性及不同:
（1）复合地基桩的作用是提高地基的承载能力，但如果考虑垫层的减振效果时，必须设置护桩，使之在水平滑移时约束复合地基周围土体，保证基础始终位于复合地基上，防止基础倾斜；
( 2)基础周围填土由于被动土压力不会很大，因此对滑移不会产生多大作用，而垫层的减振作用主要是降低基础振幅，因此基础周围的填土应夯实；
( 3)褥垫层材料采用砾石、中粗砂，而粒径不宜过大，过大则粘塑性阻尼耗能性能较差；同时，粒径也不能过小，过小则地震时容易液化；
( 4) 在垫层桩基设计时没有考虑桩间土的承载能力，复合地基在设计时己经考虑了桩间土的承载能力，因此垫层桩基可不设置桩头承台。

2004年清华大学土木工程系徐自国、宋二祥
用三维有限元程序，以集中质量模拟上部结构的反馈作用，对单桩复合地基在实际地震作用下的响应进行了时域内的分析，研究了刚性桩复合地基的抗震性能
(1) 地震作用下刚性桩的最大弯矩及剪力均小于桩基础；
(2)地震动作用下，刚性桩复合地基单桩的最大弯矩出现在距桩顶(0.2-0.3 ) L处，桩越长，最大弯矩越大；
(3)桩身最大弯矩与地基土的性质有直接的关系，土层越弱，桩的最大弯矩和最大剪力也越大；
(4)硬土层与软土层的相对位置对刚性桩的地震响应有较大影响，硬土层位于桩身下部时，弯矩及剪力较大。

5. 2005年河北工业大学土木工程学院赵少伟等
通过室内基础下砂垫层隔震性能振动台模型试验，以刚体试块代替刚度较大的砌体建筑物，探讨了不同粒径砂垫层不同厚度下的隔震情况：
1）不同厚度的砂垫层，减震效果不同，砂垫层越厚，减震效果越好;
2)单一粒径的隔震效果相对连续级配的要好;
3)单一粒径5.0粒径比2.5的要好，无论垫层的厚度如何变化，5.0 mm粒径砂垫层总能获得较为理想的隔震效果—砂粒之间粘聚力较差的缘故，如果选用筛选的圆粒砂，将可能有更好的隔振效果;
4)由于采用砂垫层后，地震能量只是被减小或不放大，而并不是消除建筑物的地震反应，未消除的部分其地震反应仍对建筑物产生影响，故在结构设计时，仍应采取某些构造措施来减小剩余地震力的影响。

6. 2006年清华大学土木工程系刘光磊等
应用三维有限元方法分析了群桩刚性桩复合地基在地震作用下的动力反应，特别是桩体的内力反应。
(1)由于垫层的存在，复合地基桩桩顶内力显著减小，桩身最大弯矩及剪力也远小于桩基；
(2)对于不同桩长的复合地基桩，桩身弯矩最大值一般均出现在桩顶下2-3m处，且在其他条件相同的情况下，弯矩的大小相近，桩长越大，剪力沿桩身变化越平缓，当桩长达到一定程度时桩身剪力最大值趋于稳定；
(3)复合地基桩桩身内力主要由两部分组成，一部分由地层变形引起，另一部分由上部结构的地震惯性力引起，其中前者占主要地位；
(4)当地基土上下土层模量差异较大时，桩身内力可能增大很多，需注意验算桩身强度，或适当加筋处理；乔京生等应用数值模拟方法，对天然地基和复合地基在地震荷载作用下的附加沉降进行了计算和分析:
（1）采用复合地基可大大降低地基在地震作用下的附加沉降；
（2）复合地基在地震作用下的附加沉降在不同桩位有所不同，中桩沉降大于边、角桩，但此差异沉降相对于天然地基己大为改善。

7. 2007年江西理大学经济管理学院郑晓等应用Biot固结方程建立动力方程，采用有限元的方法，对地震荷载作用下CFG桩复合地基进行一维动力分析:
（1）复合地基的加速度在6s时的最大峰值有所提高，说明CFG桩的存在对整个地基来说是有利的；
（2）随着桩长的增加，最大加速度逐渐提高，但当桩长为12m时，与桩长为9m时相比，加速度变化幅度不
大—这与CFG桩复合地基存在临界桩长有关，当桩长超过临界桩长时，继续加大桩长对复合地基的承载力
及变形的影响不大，而此时对复合地基的抗震性能影响也不再增强。故对CFG桩复合地基进行抗震设计的时也应该考虑临界桩长的影响。

8. 2008年西安理工大学岩土工程研究所胡再强等
对于不同桩体复合地基在地震荷载作用下的动力响应问题进行分析:
（1）在自由场地，增大桩体模量可有效减小加固区内部的加速度峰值和位移峰值，而对于加固区外部，影响不大;
（2）增大桩体模量，对桩身弯矩影响较小，对桩身剪力影响较大，主要是桩端剪力相差影响较大，桩体在地震荷载作用下可能发生倾斜;
（3）在地震荷载作用下，有群楼的上部结构最大弯矩发生在楼层底层，最大塑性累积曲率发生在3层，并且褥垫层和桩体刚柔结合，特别是柔性桩与刚度较大的垫层相互作用，能发挥较好的抗震效应；
（4）褥垫层是复合地基的关键技术之一，在多地震地区往往成为地基-基础-上部结构的薄弱环节，桩体刚度越大，这种作用越明显，多地震地区应少用刚性桩式复合地基。

9.小结
1）单一桩型复合地基动力问题的研究较多；
2）对于复合地基的动力问题的试验研究多采用两种试验方法:室内模型试验和野外现场试验；
3）利用有限元软件对复合地基模型进行数值模拟分析己被越来越多的人所接受，研究的角度也因所取的动力模型的不同和桩型的不同而多种多样；
4）桩-土-结构相互作用研究在实际工程中，当发生地震时，往往是桩-土-结构作为一个整体抵抗地震作用，所以近年来研究桩-土-结构相互作用的问题越来越多。

小结
(1) CFG桩对加固建筑物软基及抗震起到了很好的作用；
(2)静力计算条件下，纵、横剖面的地基土和桩基变形较为协调，桩身和筏板均处于弹性工作状态，桩周土也未发生滑动，地基土破坏也仅局限在筏板下部的褥垫层；
(3)尽管在历经“5·12”汶川地震较长持续时间的地震惯性力作用地基土曾出现较大范围的动力破坏，但是桩身和筏板受力总体处于弹性，尤其桩顶与筏板的耦合铰一致变形效应以及筏板轮廓线两侧两排保护桩作用，筏板下部桩身范围内地基土仍有较大范围的弹性区，充分说明CFG桩加固软基及减震的效果。
(4)由于筏板下部地基土厚度的差异，使得纵、横剖面各自对应的桩和筏板沉降有差异，但是筏板沉降差导致上部建筑物的偏转角均较小，其中，上部建筑物偏转角约约0.14°，与震后调查的建筑物没有发生明显的变形破坏一致。

四.结束语
复合地基抗震性能的研究是一门涉及土力学、结构动力学、基础工程、材料学等多学科的交义学科，具
有很强的理论性并目与实践紧密结合，应在理论和实践中不断加以完善和发展。对于其抗震和减震性能的
研究，还有很多问题没有得到解决，以后的研究重点为以下几点:
(1)室内试验的动力特性参数的测试;
(2)开展现场测试和长期监测，将理论分析、现场测试和工程实录及分析结合起来;
(3)结合土体的本质特性发展能真实反映在复杂应力路径下和不规则加载情况下的抗震性能本构模型;
(4)进一步建立和发展复合地基抗震性能问题的设计方法研究。