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 su u cs LF −= （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]：)(nm n p nstiff n u u cs LF −= （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；np u 一垂直于桩轴方向的桩的位移；nm 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 242123212500直径/mm 400 400 400 桩长/m 10.7 10.7 10.7 杨氏模量/MPa9300 6975 12000物理指标泊松比0.200.200.20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 100pkq= 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.[2] 王 健，李 懿.建筑垃圾的处理及再生利用研究[J].环境工程，2003，21（6）：49-52.[3] 王 健，孟秦倩.再生骨料混凝土基本性能的试验研究[J].水利与建筑工程学报，2004，2（2）：45-47.[4] Yoon-Ho Cho and Sung-Hun Yeo. Application of recycledwaste aggregate to lean concrete subbase in highway pavement[J].Can.J.Civ.Eng，2004，31：1101–1108. [5] 任鹏，邓荣贵，于志强.CFG桩复合地基试验研究[J].岩土力学，2008，29（1）：81-86.[6] 阎明礼.地基处理技术[M].北京：中国环境科学出版社，1996.[7] 彭文斌.FLAC-3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.[8] 刘 波，韩彦辉（美国）.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.[9] 王罗春，陈梦龙.建筑垃圾作建筑渣土桩填料加固软土地基的机理与工艺[J].上海电力学院学报，2006，22（2）：163-166.[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。