CFG樁復(fù)合地基中樁帽的作用分析

曾小波 邱恩喜，2 陳利容

(1.中鐵二院，四川 成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)

CFG樁復(fù)合地基中樁帽的作用分析

曾小波1邱恩喜1，2陳利容1

(1.中鐵二院，四川 成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)

結(jié)合某客運(yùn)專線工程實(shí)例，從CFG樁及樁間土的應(yīng)力和沉降兩個(gè)方面對(duì)樁帽在CFG樁復(fù)合地基中的作用進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出了樁帽在CFG樁復(fù)合地基中的作用效果，以供參考。

CFG樁，樁帽，樁土應(yīng)力，樁頂刺入量

1 概述

CFG樁是20世紀(jì)80年代末由中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基所立題進(jìn)行試驗(yàn)研究，隨后成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，它是由水泥、粉煤灰、碎石或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，最初在房屋建筑地基處理中應(yīng)用最為廣泛；隨著CFG樁復(fù)合地基理論的不斷完善與高速鐵路(公路)建設(shè)需求，許多專家對(duì)其進(jìn)行大量的研究，逐漸形成了比較系統(tǒng)的理論。近年來(lái)，CFG樁復(fù)合地基在鐵路、公路地基處理中得到大量推廣應(yīng)用，已成為鐵路、公路地基處理的主要技術(shù)之一。

2 樁帽作用數(shù)值模擬分析

文獻(xiàn)[1][2]中指出，樁帽的存在能顯著減小樁頂刺入量，從而減小CFG樁復(fù)合地基的總沉降量；增大樁帽使得樁體承擔(dān)的荷載增加，從而樁體承擔(dān)的荷載得到集中，但當(dāng)樁帽面積與單樁加固總面積的比值超過(guò)一定值后，增加樁帽對(duì)減小CFG復(fù)合地基樁頂刺入量和總沉降作用明顯減弱，因而，對(duì)于一定樁間距的復(fù)合地基存在一個(gè)最佳的樁帽尺寸。

本文將從樁土應(yīng)力和沉降兩方面對(duì)樁帽在CFG樁復(fù)合地基中的作用，利用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而得出樁帽在CFG樁復(fù)合地基中的作用。

2.1 模型的建立

本文結(jié)合某客運(yùn)專線工程實(shí)際情況，利用FLAC3D建立鐵路填土路基荷載作用下CFG樁復(fù)合地基三維模型，鐵路填土路基橫斷面如圖1所示。根據(jù)對(duì)稱性，CFG樁復(fù)合地基模型在線路縱向選取單排樁加固范圍；以路堤中心線為對(duì)稱軸，路堤橫斷面方向取半路基斷面建立模型。水平區(qū)域計(jì)算寬度自路堤坡腳起取1.5倍樁長(zhǎng)范圍，樁端土計(jì)算深度取2倍樁長(zhǎng)范圍。模型的左右兩側(cè)設(shè)置X方向的約束，前后兩側(cè)設(shè)置Y方向的約束。底面固定，表面自由邊界。建立的模型如圖2所示。

2.2 基本假定

本文在數(shù)值模擬過(guò)程中，采用如下基本假定：1)本構(gòu)模型的選取：結(jié)合工程實(shí)際情況，樁、樁帽采用各向同性彈性模型；墊層、填料、樁間土及樁端土均采用摩爾—庫(kù)侖彈塑性模型。2)考慮樁土之間設(shè)置接觸面。3)土體按水平分層考慮，地基土層分為樁間土和樁端土。4)樁及樁帽根據(jù)面積等效換算為正方形。5)不考慮填土的分層填筑，填土荷載按一次性加載。6)基于文獻(xiàn)[3]研究成果，采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析，不考慮土體的排水固結(jié)，不考慮復(fù)合地基在荷載作用下的固結(jié)效應(yīng)，并認(rèn)為土體在自重應(yīng)力下固結(jié)已經(jīng)完成。7)復(fù)合地基中網(wǎng)和褥墊層視為一整體，網(wǎng)的作用通過(guò)轉(zhuǎn)換，采用提高褥墊層參數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)。

2.3 參數(shù)的選取

文中依據(jù)工點(diǎn)實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值模擬，該工點(diǎn)地基采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，樁間距2.0 m，按正三角形布置。樁加固至強(qiáng)風(fēng)化巖層頂面。路堤填土高度約5.0 m，樁頂鋪設(shè)0.6 m厚的碎石墊層，內(nèi)鋪一層雙向土工格柵。

CFG樁復(fù)合地基模型參數(shù)取值如表1所示。

表1 基本參數(shù)表

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

本文著重從樁土應(yīng)力比、荷載分擔(dān)比及沉降方面分析樁帽在CFG樁復(fù)合地基中的作用。樁帽直徑分別取0.8 m,1.0 m,1.2 m,1.4 m，模擬不同的樁帽大小對(duì)CFG樁復(fù)合地基的影響。將數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，繪制成如圖3～圖7所示關(guān)系圖。

2.4.1 豎向變形分析

分析圖3～圖5可得：

1)樁間距一定時(shí)，當(dāng)樁帽直徑從0.8 m增加到1.4 m，樁頂刺入量從16.6 mm減小到5.2 mm，樁底刺入量從17.2 mm減小到13.4 mm，總沉降量從86.2 mm減小到73.2 mm。隨著樁帽直徑的增大，樁頂刺入量、總沉降均顯著減小，樁底刺入量減小相對(duì)緩慢。由此可知，樁帽對(duì)減小樁頂刺入量和總沉降效果顯著。

2)圖5曲線表明，當(dāng)樁帽直徑從0.8 m變化到1.4 m過(guò)程中，開始階段總沉降減小較快，但當(dāng)樁帽直徑達(dá)到1.2 m以后，總沉降減小緩慢。由此表明，當(dāng)樁帽尺寸增大到一定值后，繼續(xù)增加樁帽對(duì)減小復(fù)合地基沉降效果不佳。因此，對(duì)于一定的樁間距和荷載水平存在一個(gè)最佳樁帽尺寸，這與文獻(xiàn)[2]試驗(yàn)結(jié)果吻合。本文計(jì)算工況下，當(dāng)樁帽尺寸為1.2 m，即樁帽面積與單樁加固面積比為0.32時(shí)效果最佳。

2.4.2 樁土應(yīng)力分析

繪制樁帽直徑與樁土應(yīng)力比、荷載分擔(dān)比的關(guān)系如圖6和圖7所示。

分析圖6和圖7可得，當(dāng)樁帽直徑從0.8 m增加到1.4 m，樁土應(yīng)力比從7.6上升到13.6，樁體承擔(dān)的荷載從55%增加到91%。隨著樁帽直徑的增大，樁土應(yīng)力比、樁體分擔(dān)的荷載均增加，樁間土分擔(dān)的荷載減少。由此可知，樁帽對(duì)于增大樁土應(yīng)力比、增加樁體分擔(dān)荷載效果顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

1)樁帽對(duì)于減小樁頂刺入量和總沉降量效果顯著。由于加設(shè)樁帽，增加了樁頂?shù)膭傂悦娣e，使得樁頂分擔(dān)荷載的面積增大，從而樁體承擔(dān)的荷載增加，另一方面，剛性面積的增大，使得填土在樁間土上方容易產(chǎn)生土拱效應(yīng)，樁間土分擔(dān)的一部分荷載可通過(guò)土拱效應(yīng)向樁體轉(zhuǎn)移。因此，樁間土分擔(dān)荷載減小，沉降減小，另一方面，因?yàn)闃兜锥酥糜谳^好的持力層中，雖然樁體承擔(dān)的荷載加大，但由于持力層較好，同樣的荷載由樁體承擔(dān)比由樁間土承擔(dān)所產(chǎn)生的沉降小，這樣便充分利用了樁和樁端土的承載能力。其次，當(dāng)樁體沉降較樁間土大時(shí)，樁體承擔(dān)的一部分荷載可通過(guò)樁帽傳遞給樁間土，迫使樁間土和樁一起下沉，樁間土的沉降量增大，這樣又充分利用了樁間土的承載力。

綜上所述，樁帽的作用是通過(guò)使樁間土承擔(dān)的荷載減小從而減小樁間土沉降量；充分利用樁體強(qiáng)度和較好的持力層來(lái)分擔(dān)路基填土更多荷載而不產(chǎn)生過(guò)大沉降量；當(dāng)樁體沉降相對(duì)樁間土沉降較大時(shí)，樁體承擔(dān)的一部分荷載可通過(guò)樁帽向樁間土轉(zhuǎn)移，充分利用樁間土的承載能力，因此，樁帽起到一個(gè)調(diào)節(jié)作用，使得樁和樁間土共同沉降，充分發(fā)揮復(fù)合地基樁間土的作用。

2)調(diào)整樁土應(yīng)力比及荷載分擔(dān)比例。由于設(shè)置樁帽以后容易形成土拱，可通過(guò)設(shè)置樁帽大小調(diào)整樁土應(yīng)力比和樁土荷載分擔(dān)比例，從而可更好地根據(jù)工點(diǎn)沉降要求有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3)對(duì)于一定的樁間距和荷載水平存在一個(gè)最佳樁帽尺寸。本文計(jì)算工況下，樁帽面積與單樁加固面積比為0.32時(shí)效果最佳。

[1] 芮 瑞．剛性樁加固軟土地基的路堤荷載傳遞機(jī)理與優(yōu)化研究[D]．武漢：武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

[2] 鄭也平．公路地基處理CFG樁樁帽作用效應(yīng)試驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)計(jì)算方法[J]．福建技術(shù)，2007(11)：60-62.

[3] 李國(guó)維，楊 濤．柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基樁土應(yīng)力比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]．巖土力學(xué)，2005，26(2)：65-69.

The role analysis on pile cap in CFG pile composite foundation

ZENG Xiao-bo1QIU En-xi1,2CHEN Li-rong1

(1.China Railway Eryuan, Chengdu 610031, China; 2.Civil Engineering College, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Combining with a passenger dedicated line engineering examples, from the stress and settlement of CFG foundation pile soil two aspects made numerical simulation analysis on CFG pile composite foundation, gained the effect of pile cap in CFG pile composite foundation, for reference.

CFG pile, pile cap, pile soil stress, pile cap penetration

1009-6825(2014)18-0063-02

2014-04-13

曾小波(1981- )，男，工程師； 邱恩喜(1981- )，男，高級(jí)工程師，在讀博士后； 陳利容(1983- )，女，工程師

TU473.1

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