CM三维高强复合地基抗震性能研究与应用

CM三维高强复合地基抗震性能研究与应用

邓继键

中恩工程技术有限公司，广州 510060

摘 要：近年来CM三维高强复合地基因其良好的经济及社会效益在工程界得到广泛应用，但对于该复合地基的抗震性能研究很少。本文总结了“CM三维高强复合地基技术”方面的一些科研成果，对该复合地基的作用机理、应力场、应变场进行分析研究，并对CM三维高强复合地基褥垫层隔震减震机理进行阐述，最后结合地震前建成的140万m2甘肃西峰商业区的实际工程，对CM三维高强复合地基的抗震性能进一步分析研究。

关键词：复合地基；应力场；应变场；褥垫层；抗震性能

The seismic performanceresearch and application of CM three-dimensional high-strength composite foundation

Deng Jijian

( ZOOMTECH ENGINEERING CO.,LTD,Guangzhou 510060,China;)

Abstract: In recent years, CM three-dimensional high-strength composite foundation has been widely used in engineering because of its good economic and social benefits, but there is little research on the seismic performance of the composite foundation. This article summarizes some scientific research achievements in “CM three-dimensional high-strength composite foundation”, the action mechanism, stress field and deformation field of the composite foundation are analyzed and studied, the action mechanism, stress field and deformation field of the composite foundation, and expounds the isolation and damping mechanism of CM three-dimensional high-strength composite foundation cushion. Finally, combined with the actual project of 1.4 million m2 Xifeng business district in Gansu Province built before the earthquake, the seismic performance of CM three-dimensional high-strength composite foundation is further analyzed and studied.

Key words: Composite foundation; Strain field; Deformation field; Cushion; Seismic performance

0前言

我国处于环太平洋地震带和亚欧地震带两大地震带交汇位置，地震活动频繁，是一个地震多发国家[1]。自2000年以来，我国就遭遇多次大地震，例如：2008年汶川里氏8.0级特大地震、2010 年青海省玉树7.1级地震以及2013雅安7.0级地震等,这三次大震中人员伤亡、经济损失惨重，严重影响人们的生活和社会的发展。到目前为止，结构的抗震设计都是采用以刚性地基假定为前提的抗震设计方法，把地表自由场的地震动作为结构基底的地震动输入，这种方法简单计算量少，易于验算，但计算结构的地震响应与实际的地震响应相差较大，特别是建在软土地基上的建筑[2]。场地作为地震波的传播介质，所处场地的地质条件及分布对场地的动力特性影响很大，而直接影响到上部结构的地震动输入；此外地基的变形及强度对上部结构的地震破坏也有较大影响，甚至起决定性作用。由于CM三维高强复合地基具有施工速度快、工期短、造价低、承载力提高幅度大、沉降小、无泥浆污染等优点，具有良好的经济及社会效益，已在实际工程中得到广泛应用。然而，目前对CM三维高强复合地基的研究主要集中在竖向承载及沉降计算方面的研究，对于其在横向动荷载，特别是在地震动作用下的动力特性研究涉及较少，随着国家对抗震防灾减灾工作的不断深入，复合地基的抗震性能日益受到社会关注。本文结合

“CM三维高强复合地基技术”的一些科研成果及CM三维高强复合地基在甘肃庆阳市的实际工程应用实例，对CM三维高强复合地基的抗震性能进行分析研究。

1 CM三维高强复合地基褥垫层隔震减震机理

1.1 CM三维高强复合地基褥垫层概念

复合地基褥垫层是指设置在结构的刚性基础和复合地基之间的散体垫层。它一般

采用150-400mm厚的碎石、砂子或石屑为材料铺设并压实而成。在承担竖向荷载时，它可以调整桩土应力分配和均衡上部荷载，并协调桩与土两者共同承担荷载；在承担水平荷载时，褥垫层可以起到桩土共同承担水平力的作用，并有利于荷载在摩擦面上的均匀分布，改变刚性基础与地基之间的摩擦力大小等作用[3]。褥垫层位置如图1所示。

图1 褥垫层位置

Fig.1 Cushion position

2.2 CM三维高强复合地基褥垫层隔震减

震机理

在桩基工程中桩是基础的一部分，桩通过钢筋锚入承台形成刚性连接，场地地震动水平加速度直接作用于基础上从而传至上部结构。而CM三维高强复合地基的桩属于地基，且桩与基础间设置了一层褥垫层。褥垫层本身是松散材料，在场地地震力作用下会产生较大的剪切变形，由于剪切变形的时程滞后效应，使建筑物底面在水平往复地震力中对基础具有卸载作用，而CM三维高强复合地基不同刚度梯度更能使基础底面反力趋于均匀，因而目前已用于海口、北京等高烈度区。

在地震动作用下，可将上部结构视为整体，而抗剪强度相对较小的褥垫层作为耗能层，褥垫层相当于隔震层（隔震支座），由于地震的衰落及地震水平力的往复作用，地震惯性力均可得到一定的控制，从而达到隔震减震的效果。复合地基设置的褥垫层，在水平地震作用下上部结构通过褥垫层中的颗粒间重排、内部剪切变形的方式消耗地震能量；上部结构与复合地基中的桩通过褥垫层相互传递荷载和效应，桩和上部结构的刚度相对褥垫层较大，所以褥垫层的地震响应最大，而上部结构地震响应降低，上部结构相对于褥垫层几乎平动，此时上部结构在地震中损坏较小；在承担竖向荷载时，褥垫层可以保证上部荷载传递的均匀性，并保证桩与桩间土两者共同承担荷载；在承担水平地震荷载时，褥垫层可以保证荷载在摩擦面上的分布均匀，改变刚性基础与地基之间的摩擦力。

在水平力作用下，剪切面出现在褥垫层表面或褥垫层中。剪切力依靠褥垫层的抗剪能力传递剪力，因此复合地基桩头的弯矩比桩基的小得多，同时，桩头位移也较小；其次，褥垫层在地震荷载作用下吸收了大部分的地震能量，这种减震的效果明显优于固端弹性连接。褥垫层材料由弹性进入到弹塑性再到塑性的各个阶段时，使体系的刚度降低，结构的自振周期延长，同时阻尼增加，减小了振幅；在强震时，褥垫层往往成为整个结构中最薄弱的剪切面，为结构产生水平滑动创造了条件，此时地震水平加速度是依靠褥垫层与基础间的摩擦力来传递，消化震动能量，使结构实现大震不倒。地震作用给结构的最大基底剪力就是垫层与基础间的极限摩擦力[4]。

2.3 褥垫层隔震减震效果影响因素分析

（1）褥垫层厚度

褥垫层厚度对上部结构的减震规律：随着褥垫层厚度的增加，总体减震效果越显著，但垫层厚度为0.2-0.4m和0.8m-1.2m时，上部结构的水平位移、水平加速度等减小趋势平缓，垫层厚度为0.4-0.5m时，减震率相对较大。

（2）褥垫层模量

当垫层处于松散状态（30-50MPa）时水平位移幅值呈增大趋势，垫层减震效果变差；而达到中密和密实（50MPa-

120MPa）时水平位移幅值呈减小趋势，减震效果变好；因此褥垫模量变大仅在某一范围内对上部结构的减震效果明显。

（3）褥垫层材料

褥垫层材料多采用粗砂、中砂或石屑。姚国伟[5]通过对比碎石垫层和中砂垫层对上部结构的地震响应，得出碎石垫层对上部结构的减震效果比中砂垫层减震效果更加明显。

3 工程实例

3.1 工程概况

庆阳市西峰区商业步行街位于甘肃省庆阳市西峰区中心，由庆阳圣鼎地产有限公司投资开发，该项目南北长约500m，东西宽约100m，总用地面积58723m2，总建筑面积1408303m2。上部结构采用钢筋混凝土框架结构、框剪结构。

3.2 工程地质情况

该场地自上而下分为三层：填土（素填土或杂填土）层、全新世黄土状土、晚更新世马兰黄土，50m以下为中更新世离石黄土，黄土层厚度超过200m，场地以粉质粘土层为主。建筑场地属非自重湿陷性-自重湿陷性黄土场地，湿陷性土层下限深度2.5m-32m，湿陷等级Ⅰ－Ⅲ级，湿陷程度轻微-严重。

3.3 湿陷性黄土地质的解决思路

虽在国内有很多针对湿陷性黄土的地基处理方法，但在黄土地区，湿陷性问题一直是困扰岩土工程师的一大难题。本文结合庆阳市西峰区商业步行街工程实例，提出了改良后的CM三维高强复合地基处理新技术，该技术不仅能非常有效的解决该类工程的特殊地质难题，同时在汶川强震的“检测”中，其沉降也仅为10mm，创下了岩土工程界的佳话。

对于湿陷性黄土地区，若采用灰土挤密桩复合地基将会受到强度限制，处理后地基强度无法达到高强的效果。本

研究根据灰土的材料特性，改良CM三维高强复合地基的CM桩（将灰土挤密桩作为M桩）及为隔水而改变褥垫层组成材料（将常规的碎石垫层改为三七灰土或二八灰土垫层），以减水、隔水双重作用消除地基湿陷性，该方法同样适用于膨胀土地质。通过简单的构造设计处理后，不仅实现了湿陷性黄土地区工程建设节地节材、快速处理与安全应用，而且满足强度和变形的要求，同时还收到很好的环保、技术、经济效益。

3.4 设计方案

本工程采用长螺旋泵压混凝土桩（C桩）结合灰土挤密桩（M桩）的组合型复合地基进行整片地基处理，处理范围为每边超出基础边缘不少于4m。且全场先采用土挤密桩进行预处理，成桩直径为400mm，地基处理深度约20m。长螺旋泵压混凝土桩（C桩）采用C15素混凝土，成桩直径为400mm，桩长为20m；灰土挤密桩（M桩）采用沉管挤密法，成桩直径为400mm，桩长为8米，并要求进入晚更新世马兰黄土不小于1m。C、M桩桩间距均为1500mm，正方形布置；土挤密桩桩间距均为1060mm，正三角形布置，具体布桩形式如图2。灰土挤密桩填料为3:7灰土，石灰采用消解后的石灰，桩顶设置500mm厚的灰土垫层。处理后的复合地基承载力特征值不小于250kPa。

图2布桩平面图

Fig.2 Pile layout plan

3.5 CM三维高强复合地基沉降观测结果

庆阳市西峰区商业步行街于2007年5月左右地基处理完工，本工程沉降观测记录始于2007年6月15日，结束于2008年08月，期间经历了汶川512大地震，震后对该工程影响较大的建筑物进行了沉降观测记录及二次校核记录。从沉降监测曲线可以看出，震前与震后的最大沉降差为1-3#楼仅为14mm。

从沉降观测曲线可知，采用改良的CM三维高强复合地基进行湿陷性黄土地质的处理，建筑平均稳定沉降量不超过10mm，在经历了汶川强震的考验后，建筑工程不仅满足了大震不倒的抗震设防水准，同时其沉降量除了1-3#楼观测点位置较大外，其余观测点沉降量均相对较小。

图3震前与震后建筑物沉降观测曲线

Fig.3 The building settlement observation before and after the earthquake

3.6 震后建筑物受损情况

庆阳市西峰区商业步行街采用了CM三维高强复合地基技术，其地基处理完后历经汶川地震，现将1区及2区楼部分建筑物损坏情况进行总结，具体如表1和图4所示。

表1 震后建筑物受损情况

Table 1 damage of buildings after earthquake

图4 震后建筑物受损情况

Fig.4 damage of buildings after earthquake

从表1及图4可知，1区和2区仅在楼梯梯柱、梯梁、梯段板、平台板及部分框架次梁出现少量细微裂缝，主体构件均相对较为完整，未受到严重损害，周边建筑物均存一定损坏情况，相较本项目更为严重，从而证明CM三维高强复合地基具有良好的抗震性能，使建筑物更易满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的建筑抗震设计三水准的设防要求。

4 结语

通过对CM三维高强复合地基抗震性能的分析与研究，得到以下几点结论：

（1）天然地基经加固形成CM三维高强复合地基后，不但承载力得到很大提高，其抗震性能得到改善；

（2）CM三维高强复合地基褥垫层不仅可协调桩土变形并调动浅层土参加工作，保证桩和土共同承担荷载，使桩间土的强度得到充分发挥、减少桩顶对基础底面的应力集中现象，加固的地基土仍可承担垂直荷载，而且在地震动作用下可产生较大的剪切变形，由于剪切变形的时程滞后效应，使建筑物底面在水平往复地震力中对基础具有卸载作用，起到隔震减震的效果；

（3）随着褥垫层厚度的增加，上部结构减震效果越显著，垫层厚度在0.4-0.5m区间的减震率相对较大；当垫层处于松散状态减震效果显著变差，而达到中密和密实状态减震效果变好，褥垫模量变大对上部结构的减震效果在某一范围内效果明显；碎石垫层对上部结构的减震效果比中砂垫层减震效果更加明显；

  （4）庆阳市西峰区商业步行街震后受损

情况表明CM三维高强复合地基具有良好

的抗震性能，使建筑更易满足“小震不坏，

中震可修，大震不倒”的建筑抗震设计三水

准的设防要求，保证上部结构在地震作用

下的安全性；

（5）CM复合地基的褥垫层对地震动的卸载作用缺少定量的试验分析数据，大多数研究都未考虑到土体塑性、桩土接触界面等非线性因素以及孔隙水、重力水的影响，且需考虑土体-垫层-上部结构的动力相互作用对复合地基动力特性的影响。

参考文献

[1]张继文.远场地震动作用下土—结构相互作用对深厚土层上高层建筑的影响[D].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2011.

[2]郭彬彬.场地地形及地震波斜入射对土结相互

作用体系地震反应的影响[D].广州:广州大学,2015.

[3]闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实

践[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[4]姚国伟.复合地基褥垫层减震研究[D].广州：广州大学，2011.

基本信息：

姓名:邓继键    出生年：1987年11月   性别：男   籍贯：湖北黄石 

职称：结构岩土工程师、学历：硕士研究生