CFG樁復(fù)合地基樁體模量對其性能的影響

喻成剛 （浙江裕眾建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興312000）

姚衛(wèi)國 （浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興312000）

近年來，CFG樁復(fù)合地基技術(shù)在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益［1］。在推廣的過程中也產(chǎn)生了一些問題。但對在復(fù)合地基中樁體的最佳強(qiáng)度很少研究，如CFG樁復(fù)合地基在荷載作用下應(yīng)力場的分布特性尚不清楚［2］；對復(fù)合地基的負(fù)摩阻力的研究也比較少，對設(shè)計中參數(shù)的選取還有待優(yōu)化；對該類復(fù)合地基的地基承載力，沉降計算方法及計算參數(shù)的確定還要進(jìn)一步研究［3］。為此，筆者運(yùn)用Ansys有限元軟件對CFG樁復(fù)合地基樁身強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析其模量和強(qiáng)度變化對樁土應(yīng)力比、承載力、沉降變形等復(fù)合地基性狀的影響。

1 CFG樁模型設(shè)計參數(shù)

對于單樁問題而言，樁、土、墊層及承臺均采用節(jié)點SOLID42單元；網(wǎng)格由程序自動完成，在樁頂和樁端進(jìn)行網(wǎng)格加密；計算域水平方向從荷載板邊緣延伸一倍荷載板寬度，豎向方向計算至樁端一倍樁長。邊界條件為：兩側(cè)邊均無水平位移，底邊完全固定。計算采用的各材料的力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 CFG樁模型設(shè)計參數(shù)

2 樁體模量的變化對樁土應(yīng)力比的影響

通過不同樁體模量在一定荷載下樁土應(yīng)力比的分析，結(jié)果表明 （見圖1），當(dāng)在其他條件不變的情況下，隨著樁體強(qiáng)度的增大，即增大樁土模量的比值 （樁間土的模量一定），樁土應(yīng)力比在逐漸增大。從圖1看出，在樁體模量增加到23000MPa左右時，樁土應(yīng)力比增長趨緩，在樁體模量大于30000MPa時，樁土應(yīng)力比增大趨勢很平緩。

3 樁體模量的變化對承載力的影響

從圖2可以看出，隨著樁體模量的增加，復(fù)合地基的承載力在逐漸增大，復(fù)合地基的極限承載力也在增大，這是因為對于樁體來說，由于樁體模量增加，樁體強(qiáng)度增大，單樁極限承載力相應(yīng)變大，但當(dāng)樁體達(dá)到一定模量后復(fù)合地基的極限承載力增加幅度將不大。也就是說不能完全靠增加樁體模量來提高樁體極限承載力。對于樁間土而言，其承載力與天然地基承載力密切相關(guān)，但兩者并不完全相同，前者設(shè)置豎向增強(qiáng)體，即設(shè)置樁后對樁間土的擠密作用，增大了樁間土的地基承載力，因此，從整體上來分析，樁體模量的增大，能夠增加復(fù)合地基的承載力。但樁體模量選取過大就沒有實際意義。

圖1 應(yīng)力比-樁體模量的關(guān)系

圖2 樁體模量-單樁承載力的關(guān)系

4 樁體模量的變化對沉降變形的影響

從圖3中可以看到，CFG樁的模量從8000MPa增大到30000MPa，沉降從13．1mm 增加到13．7mm，說明CFG樁的模量對復(fù)合地基沉降量影響很小，當(dāng)樁體模量超過25000MPa時，復(fù)合地基沉降量不再變化或變化較小。因此，在實際工程中，不應(yīng)該用增加樁體的模量的方式來減小沉降，這種方法是不可取的。

5 樁體模量的變化對樁體軸向應(yīng)力的影響

從圖4中可以看出：隨著樁體模量的增加，樁體軸向應(yīng)力在增大；在同一樁體的不同部位，其軸向應(yīng)力明顯不同，在樁頂，軸向應(yīng)力比較小，隨著樁體深度的增加，軸向應(yīng)力在逐漸增大，到1m左右深度時，其軸向應(yīng)力又隨樁體深度的增加在逐漸減小。這是由于墊層的協(xié)調(diào)變形作用，樁體模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁周土的模量，在上部荷載的作用下，樁體具有上刺作用，使樁體向墊層刺入，結(jié)果在樁體的頂端部位應(yīng)力集中較小。

圖3 沉降-樁體模量的關(guān)系

圖4 樁體模量-樁體軸向應(yīng)力的關(guān)系

6 樁體模量的變化對側(cè)摩阻力的影響

從圖5中可以看出，復(fù)合地基在受到上部荷載時，在樁頂產(chǎn)生的側(cè)摩阻力值為負(fù)值，隨著樁體深度的增加，樁的負(fù)值在逐漸減小，到了1m～1．2m左右的樁深，側(cè)摩阻力的值變?yōu)檎?。從圖中還看到，隨著樁體模量的增加，樁體的負(fù)摩阻力在逐漸增大，且負(fù)摩阻力的區(qū)域也逐漸增大。原因是在其他條件不變的情況下，隨著樁體模量的增加，樁體模量與墊層模量的比值就相應(yīng)越來越大，在受到上部荷載的作用下，樁體更容易向墊層中刺入。但從整個圖來看，增加樁體模量，樁體的側(cè)摩阻力值 （無論是負(fù)摩阻力還是正摩阻力）增加不明顯?？梢?，樁體模量不是引起樁體側(cè)摩阻力值大小的關(guān)鍵因素。

7 樁體模量的變化對樁端應(yīng)力的影響

通過圖6可知，隨著樁體模量的增加，樁端應(yīng)力逐漸增大；樁體模量在5000～7500MPa時，樁端受到的豎向應(yīng)力變化從725kPa到742kPa，樁體模量從7500MPa增加到30000MPa，樁端受到的豎向應(yīng)力變化從742kPa到746kPa。由此可知，在樁體模量比較小時，隨著樁體模量的增加，則樁端土層的豎向應(yīng)力增值很大，而當(dāng)樁體模量增加到一定值后，樁端土層的豎向應(yīng)力增加值很小。設(shè)計中，如果要考慮增加樁體模量，依據(jù)上述規(guī)律，在樁體模量比較小的情況下，就要考慮持力層的選擇問題，否則，樁體就會向下移動過大，使復(fù)合地基的變形過大。

圖5 樁體側(cè)摩阻力-樁體模量變化

圖6 樁端豎向應(yīng)力-樁體模量變化

8 結(jié) 論

通過上述分析，可以得到以下結(jié)論：①在承載力方面，隨著樁體模量的增加，復(fù)合地基的極限承載力有明顯的增大；②在沉降方面，樁體模量的增加能降低復(fù)合地基的沉降，但是隨著模量的不斷增大，復(fù)合地基的沉降不太明顯；③在樁體模量較小的情況下，樁土應(yīng)力比增加很大，當(dāng)模量較大時，樁土應(yīng)力比增長不明顯；④在樁體模量較小時，樁體的負(fù)摩阻力小，當(dāng)樁體模量變大時，樁的負(fù)摩阻力逐漸增大，而負(fù)摩阻力的增大，對樁間土承載力是有利的；⑤發(fā)揮土作用方面，一方面來講，增加樁體的模量能夠增加樁間土的約束作用，產(chǎn)生更多的上刺和下刺作用，使樁間土更能被 “擠壓”提高樁間土的承載力。

［1］閻明禮，張東剛．CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實踐 ［M］．北京：中國水利電力出社，2001．

［2］龔曉南 ．復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用 ［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［3］易發(fā)成，李少和，于遠(yuǎn)忠，等．CFG樁復(fù)合地基負(fù)摩阻力的幾個問題 ［J］．建筑技術(shù)，2006，37（3）：184-186．