XX（XX）学士学位论文 的时间，但在这短短的几十年中复合地基理论的发展却极为迅速。原因之一就是它引入了桩体和土体相互作用、相互受力的概念，力求把天然材料和人工材料的潜力发挥到极至，是实用性和经济性二者的完美结合。但由于桩土材料性质的差异，造成复合地基形式的千变万化，进而不可避免地带来许多问题，其应力、变形等性状还需进一步深入研究。
1.3 复合地基的发展概况
现代地基处理技术应从19世纪30年代XX应用砂桩算起。XX在 l930 年提出采用振冲法加密砂性土原理。1933 年，XX的 XX 制成了第一台振冲器，并于 1935 年在XX堡用于加固松散粉砂地基，并在XX、XX、XX等地得到应用。1960 年左右在XX开始将振冲法应用于粘性土地基。不久，在XX、XX和XX也用于加固软填土地基。1976 年下半年，XX研究所和XX部水运规划设计院共同研究振冲法加固填土地基技术，1977年试制造出我国第一台 13kW 振冲水冲器，1977 年 9 月首先用于XX船体车间软粘土地基加固，加固深度 l3 到 18 [1]
米。
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1979 年 XX 教授根据有限元的模拟分析指出，为了得到竖向刚度较大的桩-土复合地基而需的桩数并不多，桩数的进一步增加对减少最大沉降和差异沉降作用并不大。
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1980 年XX著名学者XX教授根据筏-桩-土相互作用的分析提出了仅用于减少沉降的桩基础的沉降公式。
上世纪 80 年代初在XX进行了大量的有关减少沉降的复合地基桩基基础理论和现场试验系统研究，并由XX 设计顾问提出了 Creep Pile(屈服桩，或蠕变形桩)的设计概念和方
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法，在XX得到了应用和发展。其设计基本原则是：最大限度的发挥桩的承载力，使桩的安全系数为 1.0。
上世纪七八十年代XX建筑研究所对桩-筏基础进行了一系列的实测试验、室内模型试验和理论研究。1986 年，XX总结了对XX硬土地区高层建筑桩基础研究的几十年成果，认为按照目前强度控制的桩基常规设计方法的桩基础的实际安全系数要远大于设计中所选取的 2 或 3，并指出，在桩基础纯粹用来减少基础沉降的地方，均质土中模型试验表明，在桩间距为 4 倍桩径时再加入更多的桩减少沉降作用并不显著。试验结果和简单的分析都表明，6
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倍和 8 倍桩径的桩间距几乎与较小桩间距一样有效。
1979 年XX基于群桩基础工作机理的分析，提出了分不同情况按沉降设计桩基的初步想法，例如，当容许建筑物产生较多下沉，仅天然地基不满足要求而采用桩基础时，可令土与桩共同承担外荷载，土的容许应力为 60～80kPa，余下的荷载由桩来承担，每根桩可发挥极限承载力，同时应验算整个桩基的整体强度；在估算桩基下沉时，要考虑土与桩两者共同传
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来的应力。
复合地基的概念形成于 60 年代，且已经成为很多地基处理方法的分析及理论公式建立的基础及根据。这最早产生于砂桩加固地基的分析，随后广泛地应用于土桩、碎石桩、深层
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搅拌桩、石灰桩等加固的理论分析之中。
由于地基处理技术应用的时间不长，相比较而言复合地基理论落后于实践，复合地基作用机理及设计理论的研究正处于发展之中，尚不够成熟。
以下就散体材料桩、柔性桩及刚性桩复合地基的发展概况作简要的介绍。散体材料桩主要包括砂桩和碎石桩。在长时间内由于没有实用的设计计算方法，缺少先进的施工工艺和施工设备而影响了它的发展。二次世界大战之后，前苏联在这方面的研究取得了较为广泛的应用。砂桩在上个世纪 50 年代引进我国，在工业和民用建筑，交通，水利等工程建设中都得到了应用。尤其是在近 20 年来，采用砂桩加密松散砂土地基，软土地基，或防止砂土振动液化等发展尤为迅速。
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XX（XX）学士学位论文 振冲法应用于粘性土地基时，填入石料的桩体称为碎石桩，这些桩体与原地基土一起构成复合地基，该方法称为振冲碎石桩法。振冲碎石桩法与振冲砂桩一样，除对桩间土的挤密
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作用外桩土同时具有置换作用和排水作用。
自 1977 年 9 月振冲碎石桩用于XX船厂船体车间软粘土地基加固开始，根据不完全统计，我国已经有 2100 台振冲器投入工程使用，振冲加固总进尺约2 亿2 千万延米，与旧有地基处理方案相比节约了处理投资数十亿元，同时大幅度缩短了工程的施工工期，节省了大量的“材料”，为国家取得了重大经济效益，1978 年 9 月制定了《振冲碎石桩加密砂基
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暂行施工操作规程》。在XX，重点对地震区易液化的砂性土振冲置换加固地基进行了工程应用和研究。在南方，重点对饱和软弱的粘性土进行设计计算方法研究。1979 年至 1982 年间，振冲法被大量采用，应用到强度大于 15.4kPa 的地基，加固机理及大量室内模型研究
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取得了显著成果，推动了振冲地基的理论发展。
柔性桩复合地基主要包括土桩及灰土桩复合地基、石灰桩复合地基、深层搅拌水泥土复合地基和高压旋喷桩复合地基。土桩挤密法是前苏联别列夫教授1934年首创，并在工程建
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设中得到广泛应用。我国自 50 年代中期开始，在西北黄土地区进行了土桩挤密法研究和应用。60 年代中期，西安地区在土桩挤密法的基础上成功地应用了灰土挤密桩法，并在 70 年代起逐步推广应用。国家行业标准《建筑地基处理技术规范》中已经编入土桩和灰土桩适
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用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土地基。
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石灰桩最早在我国应用。如今，石灰桩已大量应用于工程实践，取得了非常成功的经验。
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深层搅拌法的室内试验和机械研制工作，于 1977 年 10月，由XX部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行，并于 1980 年初在XX钢铁总厂第五XX建设公司在三座卷管设备基础软土地基加固工程中正式采用并获得成功，同年 11 月由XX部基建局主持，通过
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了“饱和软土深层搅拌加固法”鉴定。
关于水泥土桩复合地基进行了大量的室内外试验研究、理论分析及数值模拟，取得了一
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大批成果，使得深层搅拌水泥土桩的设计理论趋于成熟。张土乔对水泥的不同掺量龄期强度进行了大量试验，得到其应力应变关系及水泥土搅拌桩的破坏特性。
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刚性桩复合地基的设计思想由XX科学研究院XX院士提出，XX科学研究院地基基础研究所于 1991 年开发成功 CFG 桩复合地基。CFG 桩复合地基与一般桩基有明显不同。为提高复合地基承载力、减少沉降，将碎石中掺入水泥、粉煤灰和石屑，形成粘结强度较高的 CFG 桩，具有刚性桩的性状。为保证桩、土能共同作用，在桩顶铺设一定厚度的沙石褥垫层，以利于桩顶向上刺入，由桩体、桩间土和褥垫层一起构成了 CFG 桩复合地基。
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XX、XX、XX等对 CFG 桩复合地基进行了系统的研究。XX对 CFG 桩的作用机理，设
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计方法进行了全面的阐述。XX采用 CFG 桩加固软粘土，也取得较好的效果。他还讨论了
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CFG 桩复合地基承载力的简易计算方法。张雁也对 CFG 桩复合地基性状进行了分析。
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褥垫层计算是刚性桩复合地基设计的重要内容。XX研究了 CFG 桩复合地基中褥垫层
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技术。李宁采用数值方法对复合地基中褥垫层的作用机理进行了研究，毛前、化建新也探讨了褥垫层的作用。
除 CFG 桩复合地基外，还开发了很多刚性桩复合地基，例如二灰混凝土桩复合地基、粉煤灰混凝土桩复合地基及其他低标号混凝土桩复合地基等。
除了以上所述对散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基所作的一些试
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验研究、理论计算外，采用数值方法分析复合地基的作用机理的研究工作也不少。李宁采用数值试验模型，对不同种类的复合地基进行了全面系统的数值仿真，探讨了单桩复合地基相互作用的机理、荷载传递的性状及附加应力的分布规律。
总而言之，由于复合地基中增强体材料种类较多，导致增强体刚度变化很大，渗透固结
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XX（XX）学士学位论文 特性差别较大，而地基土性质也相差甚远，因此各类增强体复合地基作用机理各不相同，寻求统一的设计计算理论是不现实的。由于工程建设需要使得各种新的地基处理方法应运而生，然而复合地基的理论远落后于实践，相信随着研究的深入，各类复合地基的作用机理及设计计算理论会日趋成熟。
1.4 CFG 桩复合地基
1.4.1 CFG 桩复合地基及其发展概况
CFG 桩[全称水泥粉煤灰碎石桩(Cemnet Flyash Gravel Piles)]，是由碎石、石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和，用各种成桩机械在地基中制成的强度为 C5～C30 的桩。
这种处理方法是通过在碎石体中添加以水泥为主的胶结材料，添加以增强混合料的和易性并有低标号水泥作用的粉煤灰，同时还添加适量改善级配的石屑，从而使桩体获得胶结强度并从散体材料桩转化为具有某些刚性桩特点的高粘结强度桩。
不同于碎石桩等散体材料桩，在竖向荷载作用下，CFG桩桩身横向变形不显著，不会如碎石桩般出现鼓胀破坏，并可全桩长发挥侧摩阻力。桩落在好土层上具有明显的端承力，桩承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端阻力传到深层地基中，其复合地基承载力可大幅度提高。另外,CFG 桩没有像碎石桩那样的临界桩长，它可以把外荷载传到深层地基。其与钢筋混凝土桩相比，桩体强度和刚度要小得多。这样有利于充分发挥桩体材料的潜力，降低地基处理费用。
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CFG 桩复合地基是由 CFG 桩、桩间土和褥垫层一起构成的刚性桩复合地基。CFG 桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题，于 1988 年立题进行试验研究，并应用于工程实践。
CFG 桩复合地基成套技术，1994 年被XX部列为全国重点推广项目，被国家科委列为国家级全国重点推广项目。1997 年被列为国家级工法，并制定了XX科学研究院企业标准，现已列入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)。为进一步推广这项技术，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究，并列入“九五”国家重点攻关项目。1999 年 12 月通过国家验收。该技术已在全国 23 个省、市广泛应用，据不完全统计，该技术已在 1000 多个工程中应用。和桩基相比，由于水泥粉煤灰碎石桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基的 1/3～1/2，经济效益和社会效益显著。
1.4.2 CFG 桩复合地基工作原理
CFG 桩是在碎石桩的基础上发展起来的复合地基刚-半刚性桩。
利用碎石桩加固地基,在砂土和粉土中效果明显，但将碎石桩应用于塑性指数较大、挤密效果明显的黏性土，地基承载力提高幅度不大。碎石桩是散体材料,材料内部不存在黏结力,主要依靠周围土的约束传递基础传来的垂直荷载。土越软对桩的约束作用就越差,桩传递垂直荷载的能力越弱。近年来的工程实践表明，碎石桩主要受力区在 4 倍桩径范围内，沿桩长方向轴向和侧向应力迅速衰减，因此增加桩长对提高复合地基强度作用不大，其桩土应力比一般为 1.5～4.0，要提高地基强度，惟有提高置换率。 CFG 桩复合地基由 CFG 桩体、桩间土和褥垫层三部分组成。CFG 桩体主要材料为碎石，石屑为中等粒径骨料，可改善级配；粉煤灰具有细骨料和低标号水泥的作用。CFG 桩因自身有一定黏结强度,故可在桩体全长范围内受力，能充分发挥桩周摩阻力的作用，桩端落在好
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XX（XX）学士学位论文 土层也可很好地发挥端阻作用。 CFG 桩复合地基的加固机理是：当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的变形模量远比土的变形模量大，所以桩比土的变形小，由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，垫层中垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。同时，土由于桩的挤密作用而提高了承载力，而桩又由于其周围土侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载；桩土应力比一般为 10～40。
CFG 桩与桩间土一起通过褥垫层形成 CFG 桩复合地基，通过设置褥垫层，可保证桩与土共同承担荷载。同时，桩体具有一定的排水作用，可加快软土的固结。CFG 桩复合地基可以通过改变桩长、桩距、褥垫层厚度和桩体材料配比来调整软土工程性质，可调性高、变形小。它能最大限度地利用 CFG 桩本身的单桩承载力，达到控制沉降的目的，又可充分发挥天然地基土的作用，达到疏化桩基，有效降低工程造价的目的。
基础褥垫层土层CFG桩图1-1 CFG桩复合地基示意图
1.4.3 CFG桩复合地基工程特性
CFG 桩复合地基由桩、桩间土及褥垫层构成，褥垫层将上部基础传来的基底压力(或水平力)通过协调变形，以一定的比例分配给桩及桩间土，使二者共同受力，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。CFG桩复合地基承载情况如图1-2所示。
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XX（XX）学士学位论文 σσσ桩间土桩体桩间土 图1-2 CFG 桩复合地基承载力示意图 CFG 桩复合地基效应主要有以下几种： 1.4.3.1 桩体作用
（1）对地基土具有一定的挤密作用
对于散填土、松散粉细砂、粉土，由于振动沉管桩的振动和侧向挤压作用使桩间土孔隙比减小，含水量降低，土的干密度和内摩擦角有所增加，土的物理力学性能得到改善，从而提高桩间土的承载力。
（2）桩体的排水作用
CFG桩复合地基在成桩初期，因桩孔内和周边充填过滤性较好的粗颗粒填料，在地基中就形成了渗透性能良好的人工竖向排水、减压的通道，使孔隙水沿桩体向上排出，可以有效地消散和防止振冲产生的超孔隙水压力的增高，加速地基的排水，这种排水作用不但不会降低桩体强度，而且可以使土体强度恢复并超出原土体天然承载力。
（3）预震效应
CFG桩复合地基成桩过程中，若采用振动沉管灌注成桩施工工艺，振冲器以一定的振动频率或冲击水平向加速激振土体，使填料和地基土在提高相对密实度的同时获得强烈的预震。提高了砂土抗液化能力。
（4）桩的置换作用
CFG桩中的水泥经水解和水化反应以及与粉煤灰的凝硬反应，生成不溶于水的稳定结晶化合物，它能使桩体的抗剪强度和变形模量大大提高，所以在荷载作用下，桩的压缩性明显比桩间土小，因此基础传给复合地基的附加应力，随地层的变形逐渐集中到桩体上，出现了应力集中现象，大部分荷载将由桩周和桩端承受，桩间土应力相应减小，于是复合地基的承载力比原有地基承载力有所提高。
（5）对桩周土的约束作用
在无侧向约束的土体，受荷后其侧向变形比有侧向约束的大，从而使垂直应力集中，由于桩对桩周土体侧向变形的限制，使侧向变形减小，相应地也减小了垂直变形。 1.4.3.2 褥垫层的作用及其合理厚度
这里所说褥垫层不是基础施工经常做的厚的素混凝土垫层，而是由粒状材料组成的散体垫层，其作用可以概述为以下几个方面。
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