基于ANSYS模擬的CFG短樁復(fù)合地基性狀研究

崔燕偉，滿 媛

(河南城建學(xué)院 土木與材料工程系，河南 平頂山 467036)

CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)常用來處理黏性土、粉土、砂土和已自重固結(jié)的素填土等地基。CFG樁復(fù)合地基處理技術(shù)也被廣泛采用。普通CFG樁的樁長多在6 m以上，本文所研究的CFG短樁是指樁長為2.5～5 m的CFG樁。CFG短樁一般選擇持力層相對較高的土層作為樁端持力層。CFG短樁的特點是樁“密而短”，用較大的面積置換率，使樁承擔(dān)較大的上部豎向荷載，樁土共同作用，從而達到加固地基的作用。本文結(jié)合實際工程，利用 ANSYS有限元軟件對CFG短樁復(fù)合地基性狀進行研究，并與處理后持力層復(fù)合地基承載力和完工后建筑物的實際沉降量進行對比，對樁體材料、樁間距、樁長、置換率、樁土模量比等因素對CFG短樁復(fù)合地基的影響進行分析，對CFG短樁復(fù)合地基處理技術(shù)提出了一些合理的建議，為工程設(shè)計和施工提供一定的參考。

1 工程實例

河南省舞鋼市一高層住宅樓位于舞鋼市石漫灘大道中段南側(cè)，樓高地上16層，地下1層，東西長180.0 m，南北寬17.8 m，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深6.0 m。按設(shè)計要求，處理后的地基承載力特征值要求達到260 kPa，最終沉降量不大于80 mm。

根據(jù)勘察報告，擬建場地的地層主要由第四系雜填土、沖積洪積形成的粉質(zhì)黏土及下伏震旦系石英砂巖組成，自上而下分布如下:①層雜填土，層厚0.60～1.20 m;②層粉質(zhì)黏土，可塑，層厚 1.00～5.80 m;②-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，可塑 ～軟塑，層厚 2.80～7.80 m;③層石灰砂巖，全風(fēng)化，層厚0.70～4.80 m;④層石灰砂巖，強風(fēng)化，層厚1.30～4.10 m;⑤層石灰砂巖，中風(fēng)化，揭露最大厚度16.50 m。擬建場地各巖土層均為弱透水層，地下水類型為潛水，地下水埋藏較淺，為0.50～1.20 m。場地按地層情況分為三區(qū)(見圖1)，場地巖層分布不均勻，東高西低，向北緩傾。Ⅰ區(qū)巖層為第⑤層石灰砂巖，穩(wěn)定分布在基坑以下8～10 m;Ⅱ區(qū)巖層為第④層石灰砂巖，分布在基坑以下3.5～5.0 m;Ⅲ區(qū)巖層為第③層石灰砂巖，巖層較淺，基坑表面即見大面積巖層，最深處也僅在基坑以下1.5 m。

圖1 擬建住宅樓場地平面圖

各土層的承載力特征值(fak)及壓縮模量(Es)值見表1。根據(jù)場地情況，Ⅰ區(qū)采用普通CFG樁復(fù)合地基，Ⅲ區(qū)采用毛石混凝土換填。對于Ⅱ區(qū)，因換填土方量較大，不采用;鉆孔灌注樁、預(yù)制樁方案造價較高，且施工工藝復(fù)雜，質(zhì)量不宜控制，對周圍環(huán)保排污，振動危害較大，也不采用;綜合各種情況，決定Ⅱ區(qū)采用CFG短樁復(fù)合地基，結(jié)合工程經(jīng)驗，采用 C20素混凝土作為樁體材料，樁長3.5～5.0 m，樁端持力層為巖層，樁徑400 mm，樁間距1.2 m，正方形布樁，面積置換率為8.7%。地基處理后，復(fù)合地基上覆蓋厚300 mm的砂石墊層，以調(diào)節(jié)沉降。

表1 地基承載力特征值及壓縮模量

2 CFG短樁復(fù)合地基性狀分析

對Ⅱ區(qū)采用的CFG短樁復(fù)合地基進行性狀分析。Ⅱ區(qū)基坑以下地層分布自上而下為:②層粉質(zhì)黏土，可塑，層厚3.50～5.80 m;④層石灰砂巖，強風(fēng)化，層厚1.30～4.10 m;⑤層石灰砂巖，中風(fēng)化，最大揭露厚度16.50 m。CFG短樁樁基設(shè)計參數(shù)如下:第②層粉質(zhì)黏土，樁的極限側(cè)阻力標準值qsk=60 kPa;第④層強風(fēng)化石灰砂巖，樁的極限端阻力標準值qpk=3 000 kPa。

2.1 CFG短樁復(fù)合地基計算

按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2002)與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)對Ⅱ區(qū)CFG短樁復(fù)合地基進行計算。

1)單樁豎向承載力特征值Ra為

式中，fcu為樁體混合料試塊標準養(yǎng)護28 d立方體抗壓強度;Ap為樁的截面積。

式中，up為樁的周長;qski為第i層土的側(cè)阻力標準值;li為第i層土的厚度。

取以上兩式的最小值，Ra=320 kN。

2)復(fù)合地基承載力特征值

式中，fsp為復(fù)合地基承載力特征值;m為面積置換率;β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.9;fsk為處理后樁間土承載力特征值，可取天然地基承載力特征值。計算可知，fspk=337 kPa。

2.2 CFG短樁復(fù)合地基有限元分析

依據(jù)文克勒模型，ANSYS有限元分析采用彈簧模型來模擬?？紤]建模方便，將樁徑400 mm的CFG短樁，按截面相等的原則，近似等效為邊長為350 mm的方樁建立模型，樁身采用六面體8節(jié)點單元Solid45實體單元;樁土間的作用力用彈簧單元來模擬，采用Combin14單元;樁周表面的正負摩阻力，采用表面效應(yīng)單元Sure154模擬。模型中參數(shù)按工程實際情況采用。

2.3 CFG短樁復(fù)合地基性狀分析

結(jié)合ANSYS有限元模型對復(fù)合地基進行性狀分析。對于普通CFG樁，尤其是樁長較長的 CFG樁來說，一般樁的沉降會受到樁的負摩阻力的影響。樁剛開始受荷后，由于樁上部的部分土體變形量大于樁沉降量，使得這部分土對樁產(chǎn)生向下的摩擦力，相當(dāng)于在樁上施加下拉荷載，這種作用被稱為負摩阻力。土體的下沉量與樁的下沉量相等的位置即為摩擦力為零的位置，此位置以上為負摩阻力，以下為正摩阻力，此位置被稱為中性點，中性點處樁身軸力最大。對CFG短樁來說，這種特征仍然存在。

由圖2可知，隨著樁間土模量Es的減小，CFG短樁沉降增大，當(dāng)荷載較小時，二者成線性關(guān)系，當(dāng)荷載增大到一定程度時，樁沉降增長顯著，這是因為此時樁側(cè)與樁端的塑性區(qū)已明顯展開。

由圖3可知，CFG短樁沉降受樁端土影響較大，樁端土模量Es越大，樁端越堅硬，樁沉降越小，荷載較小時，這種影響較小，當(dāng)荷載增大到一定程度時，樁端土對CFG短樁復(fù)合地基影響顯著增大。

圖2 樁沉降—樁間土模量關(guān)系曲線

圖3 樁沉降—樁端土模量關(guān)系曲線

由圖4可知，CFG短樁復(fù)合地基沉降受置換率影響較大，置換率越大，復(fù)合地基的沉降越小。CFG短樁復(fù)合地基正是依靠較大的置換率來減少復(fù)合地基的沉降，并提高復(fù)合地基承載力的。

由圖5可知，CFG短樁樁長均較短，在3.5～5.0 m之間，樁長差別較小，對樁沉降影響不大。但總體上看，還是樁越長，樁端沉降越小。CFG短樁進行地基處理時，對樁長沒有嚴格的要求，但樁端要求必須置于較堅硬土層上。

圖4 復(fù)合地基沉降—置換率關(guān)系曲線

圖5 樁沉降—樁長關(guān)系曲線

CFG短樁的材料對樁身彈性模量影響較大，其變化范圍在2～30 GPa之間。從圖6可知，樁身彈性模量越大，樁的沉降越小，但實際工程表明樁體彈性模量也存在一個臨界值，在此基礎(chǔ)上再增大樁體彈性模量對復(fù)合地基沉降沒有意義。

圖6 樁沉降—樁身彈性模量關(guān)系曲線

從圖7可知，褥墊層的厚度對CFG短樁復(fù)合地基性狀影響也較大。墊層越薄，樁頂應(yīng)力越大，樁間土應(yīng)力越小，樁本身承擔(dān)的作用大于土體承擔(dān)的作用。墊層越厚，樁頂應(yīng)力越小。墊層厚度的增加可減小樁頂應(yīng)力集中，但墊層厚度超過一定的臨界值后，對樁土間應(yīng)力就不會產(chǎn)生較大影響，墊層過厚也會使建筑物沉降增大。因此，墊層厚度要在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，一般在200～300 mm之間。

圖7 褥墊層厚度—樁土應(yīng)力比關(guān)系曲線

3 結(jié)論及建議

CFG樁地基處理施工完畢，樁養(yǎng)護28 d后，由檢測單位對Ⅱ區(qū)550根CFG短樁進行了6組單樁地基靜載試驗及低應(yīng)變動載試驗。經(jīng)檢測，復(fù)合地基承載力特征值滿足設(shè)計要求260 kPa。2009年底主體完工后，建筑物沉降觀測僅為14.3 mm，很好地滿足了工程需要。

1)CFG短樁復(fù)合地基造價低，施工方便，樁身質(zhì)量能夠保證，對周圍環(huán)境影響較小，應(yīng)被廣泛推廣使用。

2)CFG短樁復(fù)合地基樁端應(yīng)有較堅硬土層，即應(yīng)保證樁端土層有較高的極限端阻力，故應(yīng)用時要注意其適用范圍。

3)CFG短樁復(fù)合地基對樁周土也有一定要求，即應(yīng)保證樁周土層有適當(dāng)?shù)臉O限側(cè)阻力，樁土共同作用，才能使CFG短樁復(fù)合地基較好地達到使用要求。

4)CFG短樁復(fù)合地基樁應(yīng)布置較密，即應(yīng)有較大的面積置換率，才能達到復(fù)合地基處理的要求。

5)CFG短樁復(fù)合地基褥墊層厚度宜為200～300 mm，可使樁頂不產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中;樁體可采用C15或C20素混凝土。

［1］中華人民共和國建設(shè)部.JGJ97—2002 地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

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