一种喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法
技术领域
1.本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法。
背景技术：2.喀斯特地貌分布广泛，喀斯特地区的地基中可溶岩石在地下水的反复作用下逐步溶蚀、风化，绝大多数溶蚀后的岩石顶部基岩面为笋状、石林状等尖状形态，形成了独特的喀斯特地貌，例如著名的桂林山水风景区、石林风景区，这些出露的岩石为风化和雨水冲刷后形成的。在喀斯特地区，覆土的土质地基以下的基岩面形状与地表出露岩石的形态非常相似。
3.当在喀斯特地区修建高速铁路特别是无砟轨道高速铁路时，由于高速铁路对变形要求非常严格，修建路基工程时，通常需要对可溶岩上覆的土质地基进行加固处理解决土质地基沉降控制问题。当可溶岩上覆的土质地基为硬塑状时，通常采用cfg桩(cement fly-ash gravel，水泥粉煤灰碎石桩)进行土质地基加固处理，当土质地基深度不大或者地基上路基工程的填方高度较大时，为有效控制土质地基的沉降，cfg桩一般需要完全穿透土层至基岩面，但由于土质地基下部的岩石基岩面为尖状形态，施工的cfg桩桩底无法与基岩面形成有效接触，现有cfg桩地基加固方法是基于桩cfg桩桩底与基岩面完全有效接触下设计的，故现有设计方法无法适应这种特殊地基条件，同时基岩面顶部的尖状结构会对承载的cfg桩桩体造成切割破坏，接触面积越小、接触偏心越大，对cfg桩桩体的损坏越大；此外，不同地基深度cfg桩底部所受的围压不同，在基岩尖状损坏作用下的cfg桩底部桩身破坏程度也不一样，这更是现有设计方法没有考虑到的，故采用现有设计方法会造成加固工程存在巨大安全风险。故需要提出一种适宜的喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法。
技术实现要素：4.本发明的目的在于现有的cfg桩地基加固设计方法没有考虑到喀斯特地区cfg桩桩底无法与基岩面形成有效接触、不同地基深度下桩身破坏程度不同的问题，提供一种喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，本方法有重要意义，具有设计简单、操作方便、安全可控、经济环保和利于推广应用等特点。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
6.一种喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，包括以下步骤：
7.步骤s1、获取可溶蚀岩石地基顶部基岩面上岩石的发育状态，得到顶部尖状岩石的直径范围及不同直径占比，确定cfg桩直径；
8.步骤s2、根据顶部尖状岩石的直径范围及不同直径占比、cfg桩直径计算得到cfg桩与顶部基岩面的有效接触面积，并根据有效接触面积与抗压强度关系式得到cfg桩对应的抗压强度；
9.步骤s3、根据步骤s2得到的抗压强度计算cfg桩桩端修正地基容许端阻力；
10.步骤s4、计算cfg桩单桩容许承载力，单桩容许承载力计算公式如下：
[0011][0012]
θ＝1-h/h
[0013]
式中[p]'为单桩容许承载力，kn；u为桩身截面周长，m；qi为桩周第i层土的容许侧阻力，kpa；li为桩周第i层土的厚度，m；ln为桩周第n层土的厚度，m；qn为桩周第n层土的容许侧阻力，kpa；a'
p
为cfg桩有效接触面积，m2；q'
p
为桩端修正地基容许端阻力，kpa；θ为cfg桩底部最下一层土考虑尖状基岩面的厚度修正系数；h为顶部尖状岩石平均高度，m；
[0014]
步骤s5、根据单桩容许承载力计算cfg桩复合地基承载力；复合地基承载力计算公式如下：
[0015][0016]
式中σ
sp
'为复合地基承载力，kpa；η为非中心的接触影响系数，ms为面积置换率，面积置换率与cfg桩的布置方式相关；a
p
为cfg桩桩身面积，m2；β为桩间土承载力折减系数，β取0.75-0.95；σs为处理后桩间土容许承载力，kpa；
[0017]
步骤s6、计算cfg桩加固区的复合模量；
[0018]
步骤s7、根据复合模量计算cfg桩加固后土质地基的沉降量；
[0019]
步骤s8、根据施工土质地基要求得到设计沉降量，将步骤s7中沉降量与设计沉降量对比分析，若分析结果满足需求，得到cfg桩施工最优布置方案；若不满足则返回步骤s5进行cfg桩布置方式调整，循环进行步骤s5-s7直至分析结果满足设计技术需求和经济最小需求。
[0020]
在本发明计算单桩容许承载力过程中，对cfg桩周围的土质地基的土质进行分层，不同的分层是根据土质的岩性进行区分的，分层情况根据地质勘测资料能得到。非中心的接触影响系数是指顶部尖状岩石的中心与cfg桩的偏离程度，非中心的接触影响系数是偏心系数，根据实验后数值模拟得到。得到的cfg桩施工最优布置方案包括了cfg桩数量、桩间距和桩排布方式。步骤s8中不满足需求时，返回步骤s5进行cfg桩布置方式调整，主要是调整桩间距参数。
[0021]
进一步地，根据获取顶部尖状岩石的直径范围，对直径范围进行划分，当顶部尖状岩石直径dj分为5级时，即dj中j＝1,2,3,4,5时，对应分级为d1《0.1m、0.1m≤d2《0.2m、0.2m≤d3《0.3m、0.3m≤d4《0.4m、0.4m≤d5，cfg桩直径设定为0.4m；当顶部尖状岩石直径dj分为6级时，即dj中j＝1,2,3,4,5,6时，对应分级为d1《0.1m、0.1m≤d2《0.2m、0.2m≤d3《0.3m、0.3m≤d4《0.4m、0.4m≤d5《0.5m、0.5m≤d6，cfg桩直径设定为0.5m。
[0022]
进一步地，步骤s2的详细步骤为：
[0023]
步骤s201、根据顶部尖状岩石的直径范围及不同直径占比、cfg桩直径计算得到有效接触面积，有效接触面积计算公式如下：
[0024]
a'
p
＝αa
p
[0025][0026]
式中α为面积接触影响系数；r为cfg桩直径，m，dj为顶部尖状岩石直径，m；ρj为顶部
尖状岩石直径为dj时所占的比例；
[0027]
步骤s202、通过三轴试验得到不同有效接触面积下的抗压强度，数值模拟得到有效接触面积与抗压强度之间的关系式，根据有效接触面积与抗压强度关系式得到cfg桩的有效接触面积对应的抗压强度。
[0028]
更进一步地，通过三轴试验得到有效接触面积与抗压强度关系式包括以下步骤：
[0029]
步骤s211、计算cfg桩桩底h～yh范围内的土质地基的水平应力；土质地基的水平应力计算公式如下：
[0030][0031]
其中h为顶部尖状岩石高度，y为常数，δs为水平应力，kpa；k0为水平应力系数；δz为土质地基的自重应力，kpa；γ为土质地基平均容重，kn/m3；h为土质地基总深度，m。其中k0取值范围为0.4-0.7，当土质软时，k0取小值，当土质硬时，k0取大值。上述中cfg桩桩底h～yh范围是指以cfg桩桩底为基准，计算向上的h～yh范围内土质地基的水平应力。水平应力越大，对cfg桩的保护作用越好，cfg桩底部在笋状基岩作用下越不容易产生破坏，故不同土层厚度和强度对cfg的保护程度不一样。
[0032]
步骤s212、采用土质地基的水平应力作为围压，通过三轴试验得到在底部中心不同接触面积情况下cfg桩试验块的抗压强度，经过拟合得到有效接触面积与抗压强度关系式。
[0033]
更更进一步地，h～yh范围为0.5-2.0m，更优选地，h～yh范围为0.5-1.0m。本步骤考虑了尖状基岩面对cfg桩桩底的损坏影响，这种损坏影响与cfg桩桩底所受围压大小直接相关，围压又与基岩面以上的土质地基厚度相关，因此以cfg桩桩底h～yh范围内的土质地基的水平应力作为围压，从而得到有效接触面积与抗压强度关系式。接触面积越大，试块抗压强度越高；δs围压越大，试块抗压强度越大。
[0034]
进一步地，步骤s3中，桩端修正地基容许端阻力计算公式如下：
[0035]
q'
p
＝λq
p
[0036]
λ＝p
fi
/p
f10
[0037]
式中λ为桩端地基容许端阻力修正系数；q
p
为岩石地基容许桩端阻力，kpa；p
fi
中i＝1,2,3,
…
10分别为接触面积占比为10％,20％,30％,
…
,100％时的抗压强度，p
f10
为面积占比为100％时的抗压强度。
[0038]
进一步地，η取0.6-0.9。
[0039]
进一步地，当cfg桩采用梅花形布桩时，ms＝r2/(1.05d2)，当cfg桩采用正方形布桩时，ms＝r2/(1.13d2)，其中d为cfg桩桩间距，m。
[0040]
进一步地，步骤s6中，复合模量计算公式如下：
[0041]
e'
csi
＝ξe
si
[0042]
ξ＝σ'
sp
/σ0[0043]
式中e'
csi
为第i层土复合模量，mpa；ξ为承载力与压缩模量提高系数；e
si
为第i层天然土压缩模量，mpa；σ0为天然地基土容许承载力，kpa。
[0044]
进一步地，步骤s7中，沉降量计算公式如下：
[0045][0046]
式中s为复合地基沉降量，m；
△
pi为第i层复合土上的附加应力增量，kpa。
[0047]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0048]
本发明的设计方法的充分考虑了cfg桩与可溶岩基岩面的顶部尖状造成的非平整性有效接触、顶部尖状岩石对cfg桩底部的损坏影响、不同深度土质地基土水平应力对cfg桩底的围压保护作用及cfg桩桩底与顶部尖状岩石尖状体偏心接触，通过步骤s1得到了喀斯特地区内可溶岩非平整面尖状体直径，从而确定cfg桩直径，为计算cfg桩加固地基有效接触面积计算提供基础；步骤s2中有效接触面积的计算充分考虑了不同直径顶部尖状岩石及其占比的影响，并计算得到有效接触面积下的抗压强度，也考虑了cfg桩与基岩面的接触面积和桩端的损坏影响，即计算了桩端修正地基容许端阻力；步骤s5考虑了cfg桩与基岩面尖状体的非中心接触影响，计算得到cfg桩复合地基承载力和沉降量，将沉降量与设计沉降量进行对比，通过调整参数使结果满足需求，得到cfg桩施工最优布置方案，包括cfg桩数量、桩间距和桩排布方式。通过合理计算确定cfg桩施工的最优布置方案，得到的地基加固方案是最经济合理的方案，cfg桩施工的施工参数达到结构合理、成本最低的最优状态，节约施工成本。本发明的方法充分考虑了喀斯特地区基岩面的特性，提出的设计方法与现实情况更加接近，使得到的地基加固方案结果的可靠度大大提高，该方法操作方便，利于推广应用。
附图说明：
[0049]
图1为喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法流程示意图；
[0050]
图2为喀斯特地区cfg桩加固地基的断面示意图；
[0051]
图中标记：1-土质地基，2-可溶岩地基，3-cfg桩，4-路基工程，a-尖状岩石。
具体实施方式
[0052]
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
[0053]
实施例1
[0054]
一种喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0055]
步骤s1、获取可溶蚀岩石地基顶部基岩面上岩石的发育状态，得到顶部尖状岩石的直径范围及不同直径占比，确定cfg桩直径；
[0056]
获取可溶蚀岩石地基顶部基岩面的发育状态是通过调查喀斯特地区内地面及开挖相关工程资料得到的，顶部尖状岩石是指岩石顶部高于顶部基岩面，如笋状岩石、石林状岩石等，如图1中a，对于顶部尖状岩石在进行资料调查时，得到顶部尖状岩石的直径和高度，dj为顶部尖状岩石直径，ρj为顶部尖状岩石直径为dj所占的比例，h为顶部尖状岩石平均高度。
[0057]
根据获取顶部尖状岩石的直径范围，对直径范围进行划分，当顶部尖状岩石直径dj分为5级时，即dj中j＝1,2,3,4,5时，对应分级为d1《0.1m、0.1m≤d2《0.2m、0.2m≤d3《0.3m、
0.3m≤d4《0.4m、0.4m≤d5，得到不同分级直径下的占比，cfg桩直径r设定为0.4m；当顶部尖状岩石直径dj分为6级时，即dj中j＝1,2,3,4,5,6时，对应分级为d1《0.1m、0.1m≤d2《0.2m、0.2m≤d3《0.3m、0.3m≤d4《0.4m、0.4m≤d5《0.5m、0.5m≤d6，得到不同分级直径下的占比，cfg桩直径r设定为0.5m。
[0058]
在工程中，cfg桩一般采用直径0.4m和0.5m，在实际应用过程中根据顶部尖状岩石的直径范围及占比的情况确定cfg桩直径。当顶部尖状岩石直径大、占比高时，cfg桩与基岩能形成更好的接触，反之相反。
[0059]
步骤s2、根据顶部尖状岩石的直径范围及不同直径占比、cfg桩直径计算得到cfg桩与顶部基岩面的有效接触面积，并根据有效接触面积与抗压强度关系式得到cfg桩对应的抗压强度。
[0060]
步骤s2的详细步骤为：
[0061]
步骤s201、根据顶部尖状岩石的直径范围及不同直径占比、cfg桩直径计算得到有效接触面积，有效接触面积计算公式如下：
[0062]
a'
p
＝αa
p
[0063][0064]
式中a'
p
为cfg桩有效接触面积，m2；a
p
为cfg桩桩身面积，m2；α为面积接触影响系数；r为cfg桩直径，m，dj为顶部尖状岩石直径，m；ρj为顶部尖状岩石直径为dj时所占的比例。
[0065]
步骤s202、通过三轴试验得到不同有效接触面积下的抗压强度，数值模拟得到有效接触面积与抗压强度之间的关系式，根据有效接触面积与抗压强度关系式得到cfg桩的有效接触面积对应的抗压强度。
[0066]
通过三轴试验得到有效接触面积与抗压强度关系式包括以下步骤：
[0067]
步骤s211、计算cfg桩桩底h～yh范围内的土质地基的水平应力；土质地基的水平应力计算公式如下：
[0068][0069]
其中h为顶部尖状岩石高度，y为常数，δs为水平应力，kpa；k0为水平应力系数；δz为土质地基的自重应力，kpa；γ为土质地基平均容重，kn/m3；h为土质地基总深度，m。其中k0取值范围为0.4-0.7，当土质软时，k0取小值，当土质硬时，k0取大值。
[0070]
上述中cfg桩桩底h～yh范围是指以cfg桩桩底为基准，计算向上的h～yh范围内土质地基的水平应力。水平应力越大，对cfg桩的保护作用越好，cfg桩底部在笋状基岩作用下越不容易产生破坏，故不同土层厚度和强度对cfg的保护程度不一样。
[0071]
步骤s212、采用土质地基的水平应力作为围压，通过三轴试验得到在底部中心不同接触面积情况下cfg桩试验块的抗压强度，经过拟合得到有效接触面积与抗压强度关系式。
[0072]
进一步地，h～yh范围为0.5-2.0m。更优选地，h～yh范围为0.5-1.0m。在试验过程中，cfg桩试验块为立方块，尺寸为30*30*30cm。本步骤考虑了尖状基岩面对cfg桩桩底的损坏影响，这种损坏影响与cfg桩桩底所受围压大小直接相关，围压又与基岩面以上的土质地基厚度相关，因此以cfg桩桩底h～yh范围内的土质地基的水平应力作为围压，从而得到有
效接触面积与抗压强度关系式。
[0073]
接触面积越大，试块抗压强度越高；δs围压越大，试块抗压强度越大。
[0074]
步骤s3、根据步骤2得到的抗压强度计算cfg桩桩端修正地基容许端阻力q'
p
；桩端修正地基容许端阻力计算公式如下：
[0075]
q'
p
＝λq
p
[0076]
λ＝p
fi
/p
f10
[0077]
式中q'
p
为桩端修正地基容许端阻力，kpa；λ为桩端地基容许端阻力修正系数；q
p
为岩石地基容许桩端阻力，kpa。p
fi
为抗压强度，p
fi
中i＝1,2,3,
…
10分别为接触面积占比为10％,20％,30％,
…
,100％时的抗压强度。
[0078]
步骤s4、计算cfg桩单桩容许承载力，单桩容许承载力计算公式如下：
[0079][0080]
θ＝1-h/h
[0081]
式中[p]'为单桩容许承载力，kn；u为桩身截面周长，m；qi为桩周第i层土的容许侧阻力，kpa；li为桩周第i层土的厚度，m；ln为桩周第n层土的厚度，m；qn为桩周第n层土的容许侧阻力，kpa；θ为cfg桩底部最下一层土考虑尖状基岩面的厚度修正系数；h为顶部尖状岩石平均高度，m。在计算单桩容许承载力过程中，对cfg桩周围的土质地基的土质进行分层，不同的分层是根据土质的岩性进行区分的，分层情况根据地质勘测资料能得到。
[0082]
从单桩容许承载力计算公式可以看出，基岩面上顶部尖状岩石的平均高度越大，cfg桩有效桩长越小，单桩容许承载力越小。
[0083]
步骤s5、根据单桩容许承载力计算cfg桩复合地基承载力；复合地基承载力计算公式如下：
[0084][0085]
式中σ
sp
'为复合地基承载力，kpa；η为非中心的接触影响系数，ms为面积置换率；β为桩间土承载力折减系数，β取0.75-0.95；σs为处理后桩间土容许承载力，kpa，按经验取，无经验可取天然地基容许承载力σ0。非中心的接触影响系数是指顶部尖状岩石的中心与cfg桩的偏离程度，非中心的接触影响系数是偏心系数，根据实验后数值模拟得到，在本实施例中，η取0.6-0.9。
[0086]
面积置换率与cfg桩的布置方式相关，不同的cfg桩数量、桩间距、桩排布方式计算得到的面积置换率不同；本实施例提供了两种桩排布方式，当cfg桩采用梅花形布桩时，ms＝r2/(1.05d2)，当cfg桩采用正方形布桩时，ms＝r2/(1.13d2)，其中d为cfg桩桩间距，m。
[0087]
当土质地基的面积确定后，先确定桩间距，则桩数量即可确定。
[0088]
步骤s6、按承载力比法计算进行cfg加固区复合模量e'
csi
，复合模量计算公式如下：
[0089]
e'
csi
＝ξe
si
[0090]
ξ＝σ'
sp
/σ0[0091]
式中e'
csi
为第i层土复合模量，mpa；ξ为承载力与压缩模量提高系数；e
si
为第i层天然土压缩模量，mpa；σ0为天然地基土容许承载力，kpa。
[0092]
步骤s7、根据复合模量计算cfg桩加固后土质地基的沉降量，沉降量计算公式如下：
[0093][0094]
式中s为复合地基沉降量，m；
△
pi为第i层复合土上的附加应力增量，kpa。
[0095]
步骤s8、根据施工土质地基要求得到设计沉降量，将步骤s7中沉降量与设计沉降量对比分析，若分析结果满足需求，得到cfg桩施工最优布置方案；若不满足则返回步骤s5进行cfg桩的布置方式调整，循环进行步骤s5-s7直至分析结果满足设计技术需求和经济最小需求。返回步骤s5进行cfg桩布置方式调整，是调整桩间距参数d和桩排布方式。
[0096]
本发明的设计方法的充分考虑了cfg桩与可溶岩基岩面的顶部尖状造成的非平整性有效接触、顶部尖状岩石对cfg桩底部的损坏影响、不同深度土质地基土水平应力对cfg桩底的围压保护作用及cfg桩桩底与顶部尖状岩石尖状体偏心接触，通过步骤s1得到了喀斯特地区内可溶岩非平整面尖状体直径，从而确定了与cfg桩直径，为计算cfg桩加固地基有效接触面积计算提供基础；步骤s2中有效接触面积的计算充分考虑了不同直径顶部尖状岩石及其占比的影响，并计算得到有效接触面积下的抗压强度，也考虑了cfg桩与基岩面的接触面积和桩端的损坏影响，即计算了桩端修正地基容许端阻力；步骤s5考虑了cfg桩与基岩面尖状体的非中心接触影响，计算得到cfg桩复合地基承载力和沉降量，将沉降量与设计沉降量进行对比，通过调整参数使结果满足需求，得到cfg桩施工最优布置方案。通过合理计算确定cfg桩施工最优布置方案，得到所需最少cfg桩桩数，桩间距和桩排布方式，最终满足需求是满足设计需求和施工需求，得到的地基加固方案是最经济合理的方案，cfg桩施工的施工参数达到结构合理、成本最低的最优状态，节约施工成本。本发明的方法充分考虑了喀斯特地区基岩面的特性，提出的设计方法与现实情况更加接近，使得到的地基加固方案结果的可靠度大大提高，该方法操作方便，利于推广应用。
[0097]
实施例2
[0098]
如图2所示为一处喀斯特地区的土质地基，土质地基下为可溶岩石地基，可溶岩石地基上覆一层6m厚粉质粘土，形成土质地基，土质地基上为路基工程，如铁路。采用cfg桩进行土质地基加固处理，解决土质地基沉降问题。对cfg桩加固地基的设计采用实施例1的方法，其中土质地基为粉质粘土，根据地质勘测资料土质地基不进行分层，天然地基承载力σ0为150kpa，天然土压缩模量e
si
为7mpa，桩周容许侧阻力qn为60kpa，岩石地基容许桩端阻力q
p
为600kpa，高速铁路路基填方高度h为5m，路基面宽度为13.0m，填方边坡坡率1:1.5，土质地基平均容重γ为20kn/m3，土质地基采用cfg进行加固处理。
[0099]
在步骤s1中，调查得到石笋直径d1《0.1m占比ρ1＝5％，0.1m≤d2《0.2m占比ρ2＝20％、0.2m≤d3《0.3m占比ρ3＝25％，0.3m≤d4《0.4m占比ρ4＝20％，0.4m≤d5《0.5m占比ρ5＝20％，0.5m≤d6占比ρ6＝10％，确定cfg桩直径为0.5m。
[0100]
在步骤s2中，计算cfg桩与顶部基岩面面的有效接触面积，在步骤s2中，计算cfg桩与顶部基岩面面的有效接触面积，a'
p
＝αa
p
＝0.441
×
3.14
×
0.52/4＝0.086546m2[0101]
通过三轴试验得到有效接触面积与抗压强度关系式，首先计算cfg桩桩底0.5-1.0m范围的地基土水平应力，其中k0取0.6，δs＝0.6
×
20
×
5.5＝66kpa。
[0102]
通过三轴试验得到在66kpa围压作用下cfg桩试验块在底部中心不同接触面积情况下的抗压强度p
fi
平均值。在本实施例中，有效接触面积为0.086546m2，对应的面积接触影响系数为0.441，为了简化试验，将面积接触影响系数范围在0.4-0.5内有效接触面积与抗压强度的关系式认为现行关系，通过试验得到其中p
f4
＝5.5mpa，p
f5
＝8mpa，p
f10
＝18mpa，因此得到p
f4.4
＝6.6mpa。
[0103]
在步骤s3中，计算cfg桩桩端修正地基容许端阻力q'
p
，q'
p
＝λq
p
＝6.6/18
×
600＝220kpa。
[0104]
在步骤s4中，计算cfg桩单桩容许承载力，调查得到顶部尖状岩石平均高度0.5m，
[0105]
θ＝1-h/h＝1-0.5/6＝0.917
[0106]
[p]'＝3.14
×
0.5
×
60
×6×
0.917+0.086546
×
220＝537.5kpa
[0107]
在步骤s5中，计算cfg桩复合地基承载力计算。
[0108]
首先给定cfg桩采用正方形布设，面积置换率ms的初值为0.06，η取0.8，β取0.9，
[0109][0110]
在步骤s6中，计算cfg加固区复合模量，ξ＝σ
sp
'/σ0＝258.3/150＝1.722，
[0111][0112]
在步骤s7中，计算cfg加固地基沉降量计算，
[0113]
在步骤s8中，本路基工程设计沉降量为5mm，步骤s7中沉降量为7.6mm，是大于设计沉降量，且满足设计技术需求和经济最小需求，最终得到cfg桩施工布置方案为cfg桩直径0.5m、桩间距1.6m、正方形布置。
[0114]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、获取可溶蚀岩石地基顶部基岩面上岩石的发育状态，得到顶部尖状岩石的直径范围及不同直径占比，确定cfg桩直径；步骤s2、根据顶部尖状岩石的直径范围及不同直径占比、cfg桩直径计算得到cfg桩与顶部基岩面的有效接触面积，并根据有效接触面积与抗压强度关系式得到cfg桩对应的抗压强度；步骤s3、根据步骤s2得到的抗压强度计算cfg桩桩端修正地基容许端阻力；步骤s4、计算cfg桩单桩容许承载力，单桩容许承载力计算公式如下：θ＝1-h/h式中[p]'为单桩容许承载力，kn；u为桩身截面周长，m；q
i
为桩周第i层土的容许侧阻力，kpa；l
i
为桩周第i层土的厚度，m；l
n
为桩周第n层土的厚度，m；q
n
为桩周第n层土的容许侧阻力，kpa；a'
p
为cfg桩有效接触面积，m2；q'
p
为桩端修正地基容许端阻力，kpa；θ为cfg桩底部最下一层土考虑尖状基岩面的厚度修正系数；h为顶部尖状岩石平均高度，m；h为土质地基总深度，m；步骤s5、根据单桩容许承载力计算cfg桩复合地基承载力；复合地基承载力计算公式如下：式中σ
sp
'为复合地基承载力，kpa；n为非中心的接触影响系数，m
s
为面积置换率，面积置换率与cfg桩布置方式相关；a
p
为cfg桩桩身面积，m2；β为桩间土承载力折减系数，β取0.75-0.95；σ
s
为处理后桩间土容许承载力，kpa；步骤s6、计算cfg桩加固区的复合模量；步骤s7、根据复合模量计算cfg桩加固后土质地基的沉降量；步骤s8、根据施工土质地基要求得到设计沉降量，将步骤s7中沉降量与设计沉降量对比分析，若分析结果满足需求，得到cfg桩施工最优布置方案；若不满足则返回步骤s5进行cfg桩布置方式调整，循环进行步骤s5-s7直至分析结果满足设计技术需求和经济最小需求。2.根据权利要求1所述的喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，其特征在于，根据获取顶部尖状岩石的直径范围，对直径范围进行划分，当顶部尖状岩石直径d
j
分为5级时，即d
j
中j＝1,2,3,4,5时，对应分级为d1<0.1m、0.1m≤d2<0.2m、0.2m≤d3<0.3m、0.3m≤d4<0.4m、0.4m≤d5，cfg桩直径设定为0.4m；当顶部尖状岩石直径d
j
分为6级时，即d
j
中j＝1,2,3,4,5,6时，对应分级为d1<0.1m、0.1m≤d2<0.2m、0.2m≤d3<0.3m、0.3m≤d4<0.4m、0.4m≤d5<0.5m、0.5m≤d6，cfg桩直径设定为0.5m。3.根据权利要求1所述的喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，其特征在于，步骤s2的详细步骤为：步骤s201、根据顶部尖状岩石的直径范围及不同直径占比、cfg桩直径计算得到有效接
触面积，有效接触面积计算公式如下：a'
p
＝αa
p
式中α为面积接触影响系数；r为cfg桩直径，m，d
j
为顶部尖状岩石直径，m；ρ
j
为顶部尖状岩石直径为d
j
时所占的比例；步骤s202、通过三轴试验得到不同有效接触面积下的抗压强度，数值模拟得到有效接触面积与抗压强度之间的关系式，根据有效接触面积与抗压强度关系式得到cfg桩的有效接触面积对应的抗压强度。4.根据权利要求3所述的喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，其特征在于，通过三轴试验得到有效接触面积与抗压强度关系式包括以下步骤：步骤s211、计算cfg桩桩底h～yh范围内的土质地基的水平应力；土质地基的水平应力计算公式如下：其中h为顶部尖状岩石高度，y为常数，δ
s
为水平应力，kpa；k0为水平应力系数；δ
z
为土质地基的自重应力，kpa；γ为土质地基平均容重，kn/m3；步骤s212、采用土质地基的水平应力作为围压，通过三轴试验得到在底部中心不同接触面积情况下cfg桩试验块的抗压强度，经过拟合得到有效接触面积与抗压强度关系式。5.根据权利要求4所述的喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，其特征在于，h～yh范围为0.5-2.0m。6.根据权利要求1所述的喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，其特征在于，步骤s3中，桩端修正地基容许端阻力计算公式如下：q'
p
＝λq
p
λ＝p
fi
/p
f10
式中λ为桩端地基容许端阻力修正系数；q
p
为岩石地基容许桩端阻力，kpa；p
fi
中i＝1,2,3,
…
10分别为接触面积占比为10％,20％,30％,
…
,100％时的抗压强度，p
f10
为面积占比为100％时的抗压强度。7.根据权利要求1所述的喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，其特征在于，当cfg桩采用梅花形布桩时，m
s
＝r2/(1.05d2)，当cfg桩采用正方形布桩时，m
s
＝r2/(1.13d2)，其中d为cfg桩桩间距，m。8.根据权利要求1所述的喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，其特征在于，η取0.6-0.9。9.根据权利要求1-8任意一项所述的喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，其特征在于，步骤s6中，复合模量计算公式如下：e'
csi
＝ξe
si
ξ＝σ'
sp
/σ0式中e'
csi
为第i层土复合模量，mpa；ξ为承载力与压缩模量提高系数；e
si
为第i层天然土压缩模量，mpa；σ0为天然地基土容许承载力，kpa。
10.根据权利要求9所述的喀斯特地区cfg桩加固地基的设计方法，其特征在于，步骤s7中，沉降量计算公式如下：式中s为复合地基沉降量，m；
△
p
i
为第i层复合土上的附加应力增量，kpa。
技术总结本发明公开了一种喀斯特地区CFG桩加固地基的设计方法，先得到顶部尖状岩石的直径范围，确定CFG桩直径，计算有效接触面积下的抗压强度，计算得到桩端修正地基容许端阻力；根据单桩容许承载力计算得到CFG桩复合地基承载力，并得到沉降量，将沉降量与设计沉降量进行对比，通过调整参数使结果满足需求，得到CFG桩施工最优布置方案。通过合理计算，最终满足设计需求和施工需求，使CFG桩施工的施工参数达到结构合理、成本最低的最优状态，节约施工成本。本发明的方法充分考虑了喀斯特地区基岩面的特性，提出的设计方法与现实情况更加接近，使得到的地基加固方案结果的可靠度大大提高，该方法操作方便，利于推广应用。利于推广应用。利于推广应用。
技术研发人员：姚裕春 谢毅 李安洪 付铭川 周和祥 孙希望 代伟 肖朝乾 程云
受保护的技术使用者：中铁二院工程集团有限责任公司
技术研发日：2022.09.14
技术公布日：2022/12/1
