用建筑垃圾做再生骨料的CFG桩的分析与研究

第09卷 第2期 中 国 水 运 Vol.9 No.2 2009年 2月 China Water Transport February 2009

收稿日期：2009-01-05

作者简介：张建同（1980-），男，广东阳江人，广东工业大学 建设学院硕士研究生，研究方向为环境岩土。

用建筑垃圾做再生骨料的CFG 桩的分析与研究

张建同，杨 锐

（广东工业大学，广东 广州 510090）

摘 要：本文尝试用有限差分法对建筑垃圾再生骨料CFG 桩的桩体强度、承载力等进行了数值模拟分析，结果表明模拟的结果与室内试验结果较为一致，有较高的承载力。也分析了其加固地基的机理，及其推广应用前景。 关键词：建筑垃圾；CFG；骨料；再生利用；数值模拟

中图分类号：TU501 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2009）02-0263-03

一、序

目前我国建筑垃圾的总量约占城市垃圾总量的30 %～40%。如何合理处置、科学利用建筑垃圾成为工程界和环保界的重大挑战。王健等[1]将建筑垃圾再生骨料CFG 桩分为两类：I 类CFG 桩（骨料为混凝土块和块石，其强度等级大于C1O）和Ⅱ类CFG 桩（骨料为废砖块和砂浆砌体，其强度等级小于C1O）。本文通过有限差分程序，分别对这两种类型桩进行数值模拟。尝试对其桩体强度和承载力等进行模拟，以得出有一定参考价值的结论。

二、建筑垃圾再生骨料CFG 桩地基加固机理和适用范围 1．地基加固机理

基于对有关文献[2]～[6]的研究，建筑垃圾再生骨料CFG 桩地基加固机理与CFG 桩地基加固机理相似。其对地基土的加固机理主要表现为：

（1）抗震性能：建筑垃圾与碎石相比具有空隙率大、吸水率高、表面粗糙、比表面积大等特性，建筑垃圾自身的表观密度相比碎石低，这有利于减轻桩体自身的重量，具有一定的抗震性能。

（2）置换作用：在复合地基中，桩体强度与桩间土强度相差较大，在自然土层中的柱状体实际上构成了土层的竖向加筋，从而大大提高了复合地基的承载力。由于建筑垃圾颗粒棱角多，增大了其内摩擦力，可使桩体破坏速度减缓，从而也提高了桩的抗压强度。

（3）褥垫层作用：褥垫层是复合地基的关键技术，其在复合地基中可以起到保证桩、土共同承担荷载，减少基础底面的应力集中；合理的厚度可以调整桩、土荷载（竖直和水平）分担比的作用。Ⅰ类建筑垃圾可代替碎石做褥垫层。

2．建筑垃圾再生骨料CFG 桩的适用范围

建筑垃圾再生骨料CFG 桩是一种具有高粘结强度的半刚性桩，单桩承载力较高，通过褥垫层和桩间土紧密结合构成复合地基，若以沉降量5mm 对应荷载作为单桩承载力特征值：I 类CFG 桩承载力特征值为414一476kN，平均值为445kN，Ⅱ类CFG桩承载力特征值为323一351kN，平均值为337kN。

[2]

能满足30层以下的一般高层建筑对地基承载力的要求。 三、数值模拟

FLAC-3D 是一个面向土木工程、环境工程等的通用数值分析软件，内置多种本构模型，可以模拟多种岩土材料类型，能模拟有限元程序难以模拟的复杂工程问题。本文采用FLAC-3D [7]来模拟建筑垃圾再生骨料CFG 桩承载力。根据文献[1]和[2]建立相关的模型。

1．模型的构建

目标模型为复合地基土和建筑垃圾再生骨料CFG 桩体，地基土是塑性体，模拟时选用摩尔—库仑准则，桩体为弹性体。建模范围选为单桩的影响范围，模型的顶面是一个自由面，选取15mx15mx25m 的土体范围作为计算域，约束条件为计算域四周采用水平方向约束，底部采用竖直方向约束。土具体参数如下表1。

表1 土体有关参数

指标/kg.m-3 密度/kg.m-3

杨氏模量/MPa 泊松比

体积模量/MPa 剪切模量/MPa 内聚力KPa 摩擦

角

指标值12301550100．00．30 833．3 384．6 30 0．0

桩体采用桩结构单元模拟。桩单元能较好反映桩体和周围土体的相互作用，其适合模拟法向和轴向都有摩擦作用的基桩。桩结构单元的作用是通过剪切和法向的连接弹簧来实现的。耦合弹簧在桩和桩节点栅格处传递力和运动。桩- 栅格界面的剪切响应本质上是内聚力和摩擦力。桩和网格接触面的剪切特性类似水泥浆锚索系统的自然粘结和摩擦。法向连接弹簧特性包括模拟反向荷载以及在桩和岩土介质网格之间的间隙，基本上是用来模拟桩周介质对桩周的挤压效果。在桩结点和桩周土网格之间的相对位移而产生的剪切力由耦合弹簧剪切刚度表示如（1）式所示[8]：

)(m p sstiff s

u u cs L

F ?= （1） 式中：F s 一剪切连接弹簧产生的剪切力（沿桩单元和网格

单元交界面）；sstiff cs 一连接弹簧的剪切刚度；u p 一桩的轴向位移；u m 一岩土介质面的轴向位移；L 一作用的单元长度。

单位长度桩的法向力如（2）式所示[4]：

)(n

m n p nstiff n u u cs L

F ?= （2）

264 中 国 水 运 第09卷 式中：F n 一法向藕合弹簧的法向力（沿桩单元和网格单

元界面）；nstiff cs 一耦合弹簧的法向刚度；n

p u 一垂直于桩轴方向的桩的位移；n

m u 一垂直于桩的轴向方向的界面的位移

（土或岩石）；L 一有效单元长度。

桩的材料参数的选取假设桩一岩土的破坏是发生在岩土中，剪切耦合弹簧摩擦角和剪切耦合弹簧的粘结强度的底限是与岩土的内摩擦角和岩土粘聚力乘以桩的周长有关，此处取为100和00。桩单元的具体参数见表2。

表2 桩体有关参数

指标 Ⅰ类CFG 桩

Ⅱ类CFG 桩

一般CFG 桩

单位体积质量/kg.m-3 2421

2321

2500

直径/mm 400 400 400 桩长/m 10.7 10.7 10.7 杨氏模量/MPa

9300 6975 12000

物理指标

泊松比

0.20

0.20

0.20

这里考虑了桩端作用和没有桩端作用这两种情况。建立的模型如图1所示：

图1 计算模型

2．计算结果分析

桩基础通过两种方式将轴向荷载传递到地下：桩周表面摩擦和桩端承载。这两种方式加固地基的效果如图2所示：

图

2

各种情况的轴力顶部节点垂直位移图

图2中a 图是具有桩端力的轴力的顶部节点垂直位移图，其桩主要是靠桩周表面摩擦力和桩端力承担荷载，桩底应力集中很明显；图2中b 图是没有桩端力的轴力的顶部节点垂直位移图，其桩主要是靠桩周表面摩擦力。对比上图可知，具有桩端力的轴力比无桩端力的轴力要大很多，无桩端力限制的轴力是239.7KN，而包括桩端力时，其限制轴力是454.2KN。

图3显示了轴力分布主要在最顶端，由于有部分负摩阻力对桩的承载作用导致分配到土体上的压力又在一定程度上转移到桩上，使其轴力慢慢减少。如此，其实对减少土的塑性变形和破坏起着积极作用，也有利于桩承载力的发挥，且不会像传统桩基础一样沉降过大或破坏。桩端承载力发挥了较大的作用。

从图2中c 图可知，普通CFG 桩的承载力为454.3KN （包括了桩端作用），与建筑垃圾再生骨料CFG 桩的轴力相比，普通CFG 桩的轴力略大。

图3 轴力分布图

图4 轴力分布图

通过对比上图可看出，I 类CFG 桩的轴力接近普通CFG 桩的轴力，Ⅱ类CFG 桩的轴力比普通CFG 桩的轴力要小100KN 左右。若用I 类CFG 桩来代替普通CFG 桩是可行的；Ⅱ类CFG 桩的承载力也不低，在实践中也有一定的适用范围。

四、工程实例

本工程是广州市装饰工程有限公司办公楼CFG 复合地基处理工程。办公楼层高为6层，板底标高位于-2m，桩顶标高位于-2.3m 左右。本次设计CFG 桩采用长螺旋高压灌注桩，桩长26m，到基岩面的以打到基岩面为止，有效桩长约为20-26m ，采用C20素砼，成桩400mm。根据工程地质勘察报告，地基土层自地表向下依次为素填土、粉质粘土层 、中（粗）砂层等。按照《建筑桩基

技术规范》相关规定，地基土层的各项指标取值如下表所示。

根据土的物理指标与承载力参数之间的关系，CFG 桩单桩承载力特征值：

p pk i ski ck A q L q u R ?+∑=α （3）

式中：q ski ——桩侧第i 层土的摩阻力特征值。q pk ——桩端土的端阻力特征；α——桩端土承载力折减系数；u——桩周长；Ap——桩截面积；L i ——桩穿越第i 层土的厚度。根

第2期 张建同等：用建筑垃圾做再生骨料的CFG桩的分析与研究 265

表3 地基土层的各项指标取值

土层 素填土层 粉质粘土层 中（粗）砂层粉质粘土层中粗（砾）砂层粉质粘土层粉（细）砂层粉质粘土层 粘土层 粉质粘土层微风化灰岩

q sk（kpa） 10 35 40 25 35 22 11 21 18 19 f k（kpa） 30 180 170 150 150 130 100 110 80 100

pk

q

= 4000Kpa

据上式可计算出CFG 桩单桩承载力特征值为720KN。

模型采用上述建筑垃圾做骨料CFG 桩的模型和相关参数。其模拟的桩承载力为718.5KN，与实测中的CFG 桩单桩承载力相比，少了1.5KN，模拟结果比较符合实测值。

五、结论

1．I类CFG桩和Ⅱ类CFG桩模拟的轴力，与文献[1]和[2]对应单桩承载力特征值很相近。建筑垃圾骨料的CFG桩的数值模拟与室内试验值较相近，说明这种数值模拟方法是可行的。

2．I类CFG桩的轴力接近普通CFG桩的轴力，Ⅱ类CFG桩的轴力比普通CFG桩的轴力要小100KN左右。在适用范围上，I类CFG桩与普通的CFG桩相近；Ⅱ类CFG 桩比普通CFG桩适用范围要小。在工程实践中，应充分发挥桩端承载力，以提高其桩的承载力。

3．建筑垃圾再生骨料的坚固性较好，再生骨料替代新鲜石子形成的再生混凝土的强度损失很小，模量损失20 %左右[2]，建筑垃圾做CFG桩的骨料是可行的。

4、在灾后重建、旧城改造等类工程中发挥重要作用。我国旧建筑物拆除垃圾占城市垃圾的10%～20% ，每年的产生量达2×107t[9]。比如四川汶川大地震中将产生建筑垃圾5亿t左右[10]。如何充分利用建筑垃圾，提高建筑垃圾的资源化利用率，减少废弃物的产生和排放，是发展循环经济所需要解决的重要现实问题。

参考文献 [1] 王健，王文龙.建筑垃圾再生骨料CFG桩的试验研究[C].

中国建筑学会地基基础分会2004年学术年会.北京：2004，447-449.

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[10] 左传长.四川汶川地震灾区建筑垃圾资源化利用设想[J].

再生资源与循环经济，2008，1（9）：27-29.

（上接262页）改制的搅拌器进行搅拌。然后将乙放入并充分搅拌均匀。拌制好的ZF104涂料必须在30分钟内使用完毕，原料配制安排专人进行，每次配料统一表格进行记录。

（4）水下涂覆施工

配制好的ZF104涂料装在小型容器内由潜水员带入水下，由专用刮刀将涂料均匀涂覆在已经清理好的钢板桩上，涂敷时应从顶端开始水平向下移动，逐渐涂满整个表面。涂层厚度由材料总量进行控制，按照材料重量控制涂敷面积，严禁将涂敷面积大于理论值。

由于材料的流动性，会有少量材料向下流淌，因此会减小涂膜厚度，需要在第一层固结24小时后，进行第二次涂敷。操作同第一次涂敷施工。

（5）检测验收

ZF104材料进场后，由业主监理抽取部分产品封存后交由指定实验室进行与钢板的粘结力试验，任何情况下，粘结力不应该小于2.5Mpa。

涂膜厚度用测厚仪每5延米选取1个点用磁性测厚仪测其干膜厚度，任何情况下不能小于1000±100μm。否则应再次进行涂敷直至达到要求。

三、质量控制措施

水下防腐涂料的施工，除遵循一般工程质量控制措施外，如原材料检查等，还需根据其特点，进行以下质量控制：

（1）为保证清理完成的钢板桩尽快覆盖涂料，每清理完成不超过10m，就应开始进行检查和下道工序施工;（2）钢板桩表面在清理完毕涂料前进行水下录像检查，由业主会同监理观看实时录像检查清理情况。水下摄像检查合格后，应尽快地进行防腐施工，如果间隔时间超过3天，钢板桩表面应重新进行清理和检查;（3）涂料的配制专人负责，并对计量设备定期进行检查，严格按照要求进行配制;（4）在水下涂敷时施工严格按照设计要求的厚度进行，不得自行减小厚度，涂层厚度应尽量均匀一致。涂敷面积应该严格遵循相应重量和面积相对应的关系进行施工。涂敷完成后，再进行厚度和外观检查，如发现施工缺陷，应立即进行纠正，并重新进行检查。

四、施工安全措施

由于防腐涂料的系水下施工，施工难度和危险程度较大，因此施工前应做好安全技术交底和各项安全预案。施工过程中重点做好以下安全控制：（1）施工和配料过程中，一律不准明火在场，不准吸烟;（2）潜水员使用管供（水面供气）作业程式，开始作业时经潜水主管及安全员认可后才能下潜作业;（3）对每个水下作业的潜水员，在作业浮排上配置1名潜水员协助工作兼作救生员;（4）专人看管潜水员供气的压缩机，并配备足够数量的压缩空气瓶，避免突然停电。（5）供给风铲用空气是使用电动空气压缩机，严禁在水下使用普通交流电工具进行作业。