CFG 樁復(fù)合地基有限元分析

潘宏鑫

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川750021)

當(dāng)天然地基不能滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)承載能力的要求時(shí)，應(yīng)該考慮改善和提高天然地基的承載能力，以滿足現(xiàn)代高層建筑對(duì)地基承載能力的需求。復(fù)合地基(composite foundation)指部分土體被增強(qiáng)或被置換形成增強(qiáng)體，由增強(qiáng)體和周?chē)鼗凉餐袚?dān)荷載的地基。 在國(guó)內(nèi)外建筑工程地基處理中采用復(fù)合地基的比較多，即使在地質(zhì)條件較好的工程情況下，為了達(dá)到承載能力和經(jīng)濟(jì)適用的要求，材料樁逐漸被工程師們?cè)趯?shí)際工程中所使用。 作為材料樁的一種，CFG 樁已經(jīng)廣泛應(yīng)用我國(guó)建設(shè)工程項(xiàng)目之中，只是在計(jì)算理論方面存在著落后于實(shí)踐工程的問(wèn)題，還有待于工程師們?cè)谶@方面多做一些研究分析。

CFG 樁(cement-flyash-gravel pile)是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌合形成高黏結(jié)強(qiáng)度樁，并由樁、樁間土和褥墊層一起組成復(fù)合地基的地基處理方法。 具有施工便利、操作方便、污染小、工程造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)， 逐漸地被工程師們?cè)谖覈?guó)建設(shè)工程之中所采納。

在本文中，對(duì)CFG 樁復(fù)合地基采用有限元數(shù)值模擬分析，結(jié)合銀川地區(qū)具體工程實(shí)例，分析了理論和實(shí)際值之間存在的差異，為銀川地區(qū)在實(shí)際工程中采用CFG 樁復(fù)合地基提供一些合理的參考。 目前銀川地區(qū)采用CFG 樁復(fù)合地基處理技術(shù)缺乏理論和試驗(yàn)依據(jù)， 只能是參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》所給出的承載力、沉降進(jìn)行計(jì)算分析。

1 工程實(shí)例

寧夏銀川市某商業(yè)廣場(chǎng)位于銀川市金鳳區(qū)， 其Ⅱ-6# 住宅±0.00標(biāo)高為1114.20m， 基礎(chǔ)底標(biāo)高為1107.20m， 基礎(chǔ)與CFG 樁之間做300mm 厚的砂石墊層，總建筑面積27500㎡，總高度99m，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上32 層，地下1 層，基礎(chǔ)埋深7m，使用筏板基礎(chǔ)。 綜合考慮，采用C25 素混凝土的樁體材料，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為11m，樁直徑為400mm，樁的布置為正三角形布樁其樁間距1.2m，面積置換率為0.10，總樁數(shù)1248 根，經(jīng)過(guò)處理后，設(shè)計(jì)要求應(yīng)具有不小于520kPa 的復(fù)合地基承載力特征值。

工程區(qū)域位于銀川市區(qū)，場(chǎng)地較為平坦，屬銀川平原的中部，由于“喜山”構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得鄂爾多斯地臺(tái)和賀蘭山褶皺帶相對(duì)上升，形成一種“銀川地塹”現(xiàn)象，場(chǎng)區(qū)地貌單元屬于Ⅱ級(jí)階地的黃河沖積平原。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔揭露的情況，表面淺層為素填土，其較深處為第四系黃河黃河沖積及湖積地層，主要以黏性土、砂土為主，其自上而下分為：第①層是雜填土(Q4m1)：成分復(fù)雜，雜色，以建筑垃圾、粉細(xì)砂、生活垃圾為主，稍濕，松散。 其層厚0.40—6.60m，平均厚度1.85m。 不宜用作基礎(chǔ)持力層，應(yīng)當(dāng)挖除。第②層素填土(Q4m1)：以粉土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土為主，黃褐及灰褐色，含炭質(zhì)、煤屑、石灰渣、碎骨、植物根莖及有機(jī)物等雜質(zhì)，可塑，稍濕，稍密，屬于老填土，為中、高壓縮性土。 其層厚在0.80—5.90m 之間，平均厚度2.60m。 承載力特征值fak是120kPa，彈性模量E 是8.35MPa。第③層粉質(zhì)黏土(Q4a1+1)：以粉質(zhì)黏土、黏土為主，偶見(jiàn)藍(lán)色條紋,灰褐及黃褐色，土層具有光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度、韌性高，土質(zhì)均勻性較差，呈可塑狀態(tài)，屬中等壓縮性土。 其層厚在0.50—5.00m之間， 平均厚度1.25m。 承載力特征值fak是200kPa， 彈性模量E 是8.50MPa。 第④層粉土(Q4a1+1)：以粉土為主，黃褐色，稍濕—很濕，稍密—密實(shí)，韌性、干強(qiáng)度低，土質(zhì)較為均勻，屬中壓縮性土。 其層厚在0.50—3.00m 之間，平均厚度1.35m。 承載力特征值fak是180kPa，彈性模量E 是9.55MPa。 第⑤層粉細(xì)砂(Q4a1)：鉆孔過(guò)程中都揭露了這層，上部以粉砂為主，黃褐色，細(xì)砂次之，稍濕—飽和，局部松散、密實(shí)，屬中性壓縮、低壓縮性土層；中部為細(xì)砂，黃綠色，密實(shí)；下部以細(xì)砂為主，灰色，粉砂次之，飽和，密實(shí)，隨著深度的增加，密實(shí)度也在增加，屬低壓縮性土層。顆粒成分以長(zhǎng)石、石英為主，其中還含有云母及暗色礦物， 其顆粒結(jié)構(gòu)均勻， 分選性較好。 鉆頭未穿透此層， 揭露厚度在35.50—39.60m 之間。 承載力特征值fak是300kPa， 彈性模量E 是26.00MPa。

2 CFG 樁復(fù)合地基有限元分析

運(yùn)用有限元計(jì)算分析CFG 樁復(fù)合地基，其中ANSYS 軟件中參數(shù)的設(shè)置應(yīng)符合實(shí)例， 樁身和土體均采用六面體8 節(jié)點(diǎn)單元SOLID45實(shí)體單元，采用Drucker-Prage 屈服準(zhǔn)則，樁為線彈性本構(gòu)模型，土體為Drucker-Prage 材料本構(gòu)模型， 剛性目標(biāo)在接觸上為170Targel 單元，接觸面為173Targel 單元。 在劃分單元時(shí)，樁體和褥墊層網(wǎng)格劃分較密，土體網(wǎng)格劃分相對(duì)較疏，模型劃分后計(jì)算網(wǎng)格單元23223 個(gè)、節(jié)點(diǎn)總數(shù)27887 個(gè)。模型底面假定為固定邊界，無(wú)變形，模型的兩對(duì)稱(chēng)面進(jìn)行相應(yīng)對(duì)稱(chēng)約束，側(cè)面無(wú)水平位移，表面為自由邊界。

本工程CFG 樁復(fù)合地基樁間距為1.2m 的正三角形方式布置樁，采用直徑為1260mm 的圓形承壓板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，假定荷載均勻的分布在基礎(chǔ)上，荷載的作用方向與基礎(chǔ)面相垂直，按照設(shè)計(jì)要求CFG 樁復(fù)合地基承載力特征值520kPa 的2 倍，分8 級(jí)進(jìn)行逐級(jí)加載分析，即施加在作用面的荷載順序?yàn)椋?30—260—390—520—650—780—910—1040kPa。

3 CFG 樁復(fù)合地基性狀分析

根據(jù)具體工程案例現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所測(cè)得數(shù)據(jù)，有限元計(jì)算成果與之對(duì)比分析，得出有限元建模分析CFG 樁復(fù)合地基是否合理可行，模擬分析不同因素影響下的CFG 樁復(fù)合地基的基本性狀。

3.1 荷載的影響

根據(jù)實(shí)例現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得CFG 樁復(fù)合地基沉降數(shù)據(jù)， 選取3 個(gè)#試驗(yàn)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理分析，繪制其P-S 曲線，如圖1 所示。

圖1 CFG 樁復(fù)合地基實(shí)例現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)P-S 曲線

由圖1 可知，曲線未出現(xiàn)比例界限且未達(dá)到極限荷載，其安全系數(shù)k 值取2， 相對(duì)沉降s/d 取值0.008 所對(duì)應(yīng)承載力最小值為798.4kPa。 綜合考慮，取最大加載量1040kPa 的一半即520kPa 為復(fù)合地基承載力特征值，符合本工程在設(shè)計(jì)規(guī)范要求?？梢钥闯?，隨著荷載增大，沉降呈線性增加。

根據(jù)本工程案例現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值與有限元計(jì)算模型模擬成果作對(duì)比分析，如圖2 所示。

由圖2 可知，CFG 樁復(fù)合地基試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值P-S 曲線基本吻合，定量大小比較接近。 主要是實(shí)際工程中土體本構(gòu)關(guān)系較復(fù)雜，隨著荷載的增加，把土體簡(jiǎn)單的看成理想彈塑性模型與實(shí)際不太相符。 可以看出，有限元計(jì)算模型還是能夠反映CFG 樁復(fù)合地基的影響情況，說(shuō)明了有限元分析具有一定的可行性和合理性。

圖2 CFG 樁復(fù)合地基實(shí)測(cè)值與計(jì)算值P-S 曲線

3.2 樁長(zhǎng)的影響

有限元計(jì)算模型模擬不同樁長(zhǎng)在荷載作用下的沉降變形，得到圖3 所示的各級(jí)荷載作用下樁長(zhǎng)對(duì)沉降的影響曲線。

圖3

由圖3 可知，樁長(zhǎng)較短時(shí)，樁長(zhǎng)的增加對(duì)減小地基沉降效果影響比較明顯， 當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)增加樁長(zhǎng)對(duì)沉降影響就不是很明顯。 增加樁長(zhǎng)時(shí)，樁體承擔(dān)的荷載會(huì)增大，土體承擔(dān)的荷載會(huì)減小，這樣一來(lái)沉降就隨之減小。

3.3 褥墊層厚度的影響

針對(duì)不同墊層厚度有限元計(jì)算模型模擬分析，得到如圖4 所示的各級(jí)荷載作用下墊層厚度對(duì)沉降的影響曲線。

圖4

由圖4 可知，隨著對(duì)計(jì)算模型褥墊層厚度作增加的調(diào)整，使得地基沉降逐漸減小。 當(dāng)褥墊層厚度超過(guò)一定值后效果不再明顯，荷載已經(jīng)得到了充分的調(diào)整，沉降不再變化，所以褥墊層厚度有一個(gè)合理的區(qū)間。

4 結(jié)論與建議

在CFG 樁復(fù)合地基施工完畢后，保護(hù)、養(yǎng)護(hù)后經(jīng)對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 本工程案例單樁靜載試驗(yàn)、CFG 樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)以及低應(yīng)變動(dòng)力試驗(yàn)檢測(cè)均符合工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求，得到滿足本工程設(shè)計(jì)要求的CFG 樁復(fù)合地基承載力特征值為520kPa。

（1）CFG 樁復(fù)合地基施工方便，污染小，造價(jià)低廉，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在銀川地區(qū)應(yīng)推廣使用。

（2）CFG 樁復(fù)合地基樁端應(yīng)選在本工程中粉細(xì)砂這樣的較堅(jiān)硬土層作為持力層，以保證樁端土層具有較高的極限端阻力；樁周土層應(yīng)當(dāng)具有一定的極限側(cè)阻力， 以保證樁土共同作用時(shí)較好地達(dá)到CFG樁復(fù)合地基工程實(shí)際要求。

（3）CFG 樁復(fù)合地基布樁時(shí)， 應(yīng)布置較密， 樁間距在1.2 至1.5m左右，有較大的面積置換率，以滿足復(fù)合地基處理要求。

（4）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元計(jì)算，CFG 樁復(fù)合地基褥墊層厚度應(yīng)為200—300mm，樁身采用C15—C25 素混凝土。

［1］JGJ 79—2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

［2］GB 5007—2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

［3］JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

［4］龔曉南.地基處理技術(shù)發(fā)展展望[J].地基處理,2000.

［5］陳濤.CFG 樁復(fù)合地基各因素對(duì)沉降影響的數(shù)值模擬研究[J].工業(yè)建筑,2009.