局部軟弱地層條件下CFG樁復(fù)合地基特性分析

李 鑫

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京102600）

0 前言

為了最大程度地發(fā)揮復(fù)合地基中樁體承載力，適用地基附加應(yīng)力自上而下減少的特性，工程中通常是通過(guò)改變地基豎向增強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度的分布形式來(lái)增加樁體利用率。因此，在工程實(shí)際中慢慢開(kāi)始采用多樁型復(fù)合地基來(lái)處理地基問(wèn)題［1-3］。多樁型復(fù)合地基是指包括剛性長(zhǎng)樁、柔性短樁和樁間土體協(xié)同受力的地基形式，其受力主要是通過(guò)樁體及樁間土的變形協(xié)調(diào)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。張樹(shù)明等人［4］通過(guò)離心機(jī)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究了CFG樁-網(wǎng)復(fù)合地基的受力變形特性；楊濤等人［5］推導(dǎo)出了不排水樁-碎石樁復(fù)合地基在瞬間加載條件下的固結(jié)控制方程，并得出了相應(yīng)的在單面排水條件下固結(jié)解析解，最后通過(guò)結(jié)合對(duì)比有限元的數(shù)值解，對(duì)解析解的合理性進(jìn)行了印證；李連祥等人［6］在前期離心試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)與復(fù)合地基相隔一定距離的基坑工程進(jìn)行數(shù)值建模，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)與復(fù)合地基的內(nèi)力位移在土條寬度影響下的變化規(guī)律；羅云海［7］對(duì)西安某高層建筑的CFG樁復(fù)合地基變形，對(duì)比分析了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和3 種推薦方法所得到的計(jì)算值，進(jìn)一步討論不同計(jì)算方法適合與否，以及如何合理選取沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值，以此來(lái)驗(yàn)證該地區(qū)高層建筑適合運(yùn)用CFG 樁復(fù)合地基，并提出了對(duì)應(yīng)適合的計(jì)算變形方法。

目前對(duì)多樁型復(fù)合地基的應(yīng)用較為廣泛，但對(duì)其作用機(jī)理并沒(méi)有系統(tǒng)的理論研究［8-10］，導(dǎo)致進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)需要參考經(jīng)驗(yàn)方法。因此，合理選擇樁體類型及其強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)施工工藝，保證足夠的地基承載力和控制變形，已經(jīng)成為工程界必須解決的課題。由于多樁型的復(fù)雜性很難通過(guò)解析的方法來(lái)求解上部壓力對(duì)樁體、樁間土等受力時(shí)各個(gè)部分的影響規(guī)律。而數(shù)值方法則為這種問(wèn)題的求解提供了不錯(cuò)的渠道。

本文以北京市大興區(qū)西紅門(mén)鎮(zhèn)的集體經(jīng)營(yíng)性建設(shè)用地試點(diǎn)項(xiàng)目為背景，采用數(shù)值方法分析該項(xiàng)目采用CFG樁進(jìn)行地基處理的方案，并且探究CFG樁復(fù)合地基承載力、樁體位移、樁身軸力、側(cè)阻力的關(guān)系，初步闡明了其作用機(jī)制。分析方法和結(jié)果可為類似工程作為參考。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地位于北京大興區(qū)西紅門(mén)鎮(zhèn)，場(chǎng)地地表現(xiàn)狀主要為荒地，同華路自北向南橫穿場(chǎng)地。場(chǎng)地地形地貌開(kāi)闊平坦，隸屬于永定河沖積平原。場(chǎng)地勘察實(shí)測(cè)鉆孔高程為40.080～42.407 m。根據(jù)北京地區(qū)構(gòu)造分區(qū)圖，北京地區(qū)大地構(gòu)造位置位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ）華北斷拗（Ⅱ2）西北隅的北京迭斷陷（Ⅲ6）內(nèi)的門(mén)頭溝迭陷褶、后沙峪凹陷、順義迭凹陷、豐臺(tái)迭凹陷、琉璃河迭凹陷及大興隆起，如圖1所示。

圖1 擬建場(chǎng)地?cái)嗔褬?gòu)造示意圖Fig.1 Fracture Schematic Configuration Proposed Site

本工程所在場(chǎng)地最大鉆探深度為30 m 范圍內(nèi)的地基土主要由第四系沖洪積土、新近沉積土和人工填土組成。按土體成因、結(jié)構(gòu)性質(zhì)及不同的土體物理力學(xué)性質(zhì)的差異，共分3 大成因，6 大層及分屬于各層的亞層，由上至下分述如下，填土（Q4ml）：①粉土素填土：呈黃褐色，稍微濕潤(rùn)，較為松散，以局部含磚渣和碎石的粘質(zhì)粉土為主，埋深1.00～4.10 m，層厚0.40～3.40 m，平均層厚1.74 m。沉積土（）：②粘質(zhì)粉土：呈褐黃色，稍微濕潤(rùn)，密實(shí)，含有云母等，且部分夾雜粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粉土層，層底埋深3.00～12.10 m，層厚0.50～8.60 m，平均層厚3.03 m。第四紀(jì)沖洪積層（）：③細(xì)砂：呈褐黃色，稍微濕潤(rùn)，較為密實(shí)，夾雜石英、云母等，級(jí)配較差，層底埋深8.60～13.70 m，層厚0.40～7.60 m，平均層厚3.18 m。④粉質(zhì)粘土：呈黃褐色，可塑，切面光滑，姜石含量約占10%，粒徑1～3 mm，局部含粘質(zhì)粉土夾層，層底埋深11.70～14.90 m，層厚0.80～5.90 m，平均層厚2.25 m。⑤圓礫：呈雜色，稍微濕潤(rùn)，密實(shí)，礫石含量約60%，粒徑5～20 mm，最大粒徑50 mm，呈亞圓形，母巖以中粗砂充填的砂巖為主，層底埋深16.00～23.80 m，層厚1.70～10.00 m，平均層厚6.99 m。⑥粉質(zhì)粘土：呈黃褐色，稍微濕潤(rùn)，密實(shí)，含云母、氧化鐵，含粘質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土薄夾層，層底埋深21.30～24.40 m，層厚0.50～2.50 m，平均層厚1.18 m。

2 計(jì)算模型及力學(xué)參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

采用三維有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行分析，對(duì)剛?cè)嵝詥螛逗腿簶对谧杂蔂顟B(tài)下進(jìn)行數(shù)值建模。首先根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算模型。1#樓、4#～8#樓地面以上9～14 層，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，擬采用CFG 樁復(fù)合地基方案，其中剛性長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)為23 m，樁徑為550 mm；柔性短樁（灰土攪拌樁）的樁長(zhǎng)為10 m，樁徑為500 mm，其分布如圖2所示。在考慮樁體、地基尺寸時(shí)，地基模型可以看作無(wú)限體，尺寸選取的原則是邊界約束作用下不能影響模擬計(jì)算的結(jié)果。按照實(shí)際設(shè)計(jì)中地基承受荷載的面積及深度，由此得出模型的尺寸為15 m×8 m×50 m，其樁位示意圖如圖3所示。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，受力計(jì)算范圍內(nèi)的地基土體由2 個(gè)部分構(gòu)成，分別為下部厚30 m 的粉質(zhì)粘土和上部厚10 m 的黃土狀粉質(zhì)粘土，地基模型頂部設(shè)置為自由體邊界，也即不限制模型頂部的位移。模型側(cè)面的邊界條件設(shè)置為水平滑動(dòng)支座，具體就是指水平約束、豎向可動(dòng)。而地基模型的底面設(shè)置為滑動(dòng)支座，也就是指豎向約束，水平可動(dòng)。為提高地基模型的計(jì)算效率，考慮到地基模型受力變形的對(duì)稱性，本文中計(jì)算模型選取1/4 的數(shù)值建模，模型的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖2 剛?cè)嵝詷都叭靿|層分布Fig.2 Distribution of Rigid and Flexible Piles and Cushions

圖3 樁位示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Pile Position

圖4 模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Model Meshing

2.2 材料參數(shù)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，模型CFG 各樁體采用各向同性的彈性體模型，樁間的土體選用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，樁和土體的接觸面設(shè)置為Mohr-Coulomb 滑動(dòng)體模型。根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料，模型中各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 樁及土體材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters of Pile and Soil

樁體與土體間接觸面相關(guān)參數(shù)的確定相對(duì)困難，通常通過(guò)一定的現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行確定，若試驗(yàn)條件不存在，常通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行樁與土體的接觸參數(shù)的確定。本文的數(shù)值模型中，將樁體與土體之間的接觸設(shè)置為“軟”接觸，不但能夠反映出模型整體的變形特征，而且在沒(méi)超過(guò)樁-土接觸模型設(shè)置的抗拉強(qiáng)度的情況下，樁-土接觸面粘結(jié)力相應(yīng)的數(shù)值也會(huì)保持不變。如若超過(guò)，就將樁-土接觸面的抗拉強(qiáng)度設(shè)置為0。一般選取硬度最高的相鄰區(qū)域的法向剛度和切向剛度的10倍［11］，即：

其中，k 為樁-土接觸面體積模量；G 為樁-土接觸面剪切模量；△zmin為樁-土接觸面法向連接區(qū)域上的最小尺寸。從式⑴中可以看出，垂直于接觸面最小單元尺寸的減小，是樁體與土體接觸面計(jì)算剛度增加的主要因素。在工程實(shí)踐中，經(jīng)研究可以發(fā)現(xiàn)，樁-土接觸面間的摩擦角δ 是影響樁體摩擦力特性的重要因素，而針對(duì)本文中粘土，一般取δ/φ=0.6～0.7，其中φ 是樁周土體的有效內(nèi)摩擦角。本次建模的接觸面參數(shù)如表2所示。

表2 接觸面參數(shù)Tab.2 Parameters of Contact Surface

3 CFG樁復(fù)合地基分析評(píng)價(jià)

3.1 多樁型復(fù)合地基應(yīng)力、變形分析

本次CFG 多樁型復(fù)合地基數(shù)值模型，按照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范：JGJ 106-2014》要求慢速維持荷載的加載方法，模型加載采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行，當(dāng)?shù)鼗两盗糠€(wěn)定時(shí)施加下一級(jí)荷載。

模型加載過(guò)程分為8 級(jí)加載，分別為400 kN、600kN、800kN、1000kN、1200kN、1400kN、1600kN、1800kN。

3.2 變形分析

多樁型復(fù)合地基在不同的受力階段所產(chǎn)生的整體沉降云圖如圖5所示，由圖5可知，當(dāng)多樁型復(fù)合地基的沉降趨于穩(wěn)定后，其總位移沉降量主要發(fā)生在地基上部的加固土層。同時(shí)由圖6可知，多樁型復(fù)合地基的Q-s曲線出現(xiàn)較明顯的線性變化，并未出現(xiàn)判斷其極限承載力的拐點(diǎn)。因此，在工程實(shí)踐上主要也是通過(guò)沉降控制方法來(lái)確定多樁型復(fù)合地基的承載力。綜合考慮多樁型復(fù)合地基的s-Logt曲線和其發(fā)生的總沉降變形量，可以推斷該地基的極限承載力為1 600 kN，那么當(dāng)相應(yīng)的多樁型復(fù)合地基的發(fā)生沉降變形量為14.3 mm時(shí)，該地基的承載力可以判斷為800 kN。

圖5 多樁型復(fù)合地基位移云圖Fig.5 Displacement Cloud of Multi-pile Composite Foundation

圖6 多樁型復(fù)合地基的Q-s曲線Fig.6 Q-s Curve of Multi-pile Composite Foundation

3.3 樁身軸力分布

CFG 地基中剛性長(zhǎng)樁和柔性短樁的軸力分布由圖7所示。由圖7可知，對(duì)于CFG 多樁型復(fù)合地基，從樁身軸力分布曲線來(lái)看，樁身軸力主要集中于樁體上部。剛性長(zhǎng)樁及柔性短樁都在樁深為1.5 m 左右處軸向力到達(dá)峰值，且隨著深度的增加出現(xiàn)線性衰減的趨勢(shì)并在樁底處接近于0，說(shuō)明CFG樁體為摩擦樁。

3.4 樁側(cè)平均摩阻力沿深度分布情況

樁與土體之間的摩阻力是引起樁身軸力沿深度衰減的主要原因。各級(jí)荷載作用下模型監(jiān)測(cè)到的樁身摩阻力隨深度的變化曲線如圖8所示。

圖7 多樁型復(fù)合地基樁軸力分布Fig.7 Axial Force Distribution of Piles in Multi-pile Composite Foundation

圖8 多樁型復(fù)合地基樁摩阻力分布Fig.8 Friction Distribution of Piles in Multi-pile Composite Foundation

如圖8、圖9 可知，CFG 多樁型復(fù)合地基，從樁身摩阻力沿著樁身的分布情況可見(jiàn)，負(fù)摩阻力在剛性長(zhǎng)樁及柔性短樁的樁體的上部集中出現(xiàn)，研究分析發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)槟ψ枇ο禂?shù)主要集中在地基上部土層。但由圖8 可知，柔性短樁比剛性長(zhǎng)樁的側(cè)摩阻力要小不少，其主要原因是柔性短樁的剛度相對(duì)剛性長(zhǎng)樁的剛度要小許多，且在荷載作用下的柔性短樁的變形協(xié)調(diào)能力更強(qiáng)，與褥墊層的變形更為同步。

圖9 多樁型復(fù)合地基摩阻力分布云圖Fig.9 Friction Distribution Cloud of Multi-pile Composite Foundation

4 多樁型復(fù)合地基樁土應(yīng)力比隨深度的變化規(guī)律

4.1 剛性樁-土應(yīng)力比隨深度的變化規(guī)律

隨著地基深度的增加，CFG 多樁型復(fù)合地基剛性樁和周?chē)馏w應(yīng)力之比的變化趨勢(shì)如圖10?所示。從圖10?中可見(jiàn)，在樁體上部的軟土層中，樁和土體的應(yīng)力比隨深度的增加呈線性增加，且增加速率較快，并在3.5 m 處出現(xiàn)峰值；在兩層土的交界面處，樁和土體之間應(yīng)力由于樁間土性質(zhì)的改變發(fā)生重分配，進(jìn)而出現(xiàn)剛性樁和周?chē)馏w的應(yīng)力之比隨著地基深度的增加而線性遞減的現(xiàn)象。

圖10 剛性樁-土應(yīng)力比及柔性樁-土應(yīng)力比隨深度的變化規(guī)律Fig.10 Variation Law of Rigid Pile-soil Stress Ratio with Depth and Flexible Pile-soil Stress Ratio with Depth

4.2 柔性樁-土應(yīng)力比隨深度的變化規(guī)律

隨著地基深度的增加，CFG 多樁型復(fù)合地基柔性樁和周?chē)馏w應(yīng)力之比的變化趨勢(shì)如圖10?所示。由10?可見(jiàn)，隨著地基深度的逐漸增大，柔性樁與周?chē)馏w應(yīng)力之比表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。另外對(duì)比分析還能發(fā)現(xiàn)，柔性樁-土應(yīng)力比的最大值要比剛性樁-土應(yīng)力比的最大值小不少，且其峰值出現(xiàn)的位置要先于剛性樁-土應(yīng)力比的峰值位置。

5 結(jié)論

⑴CFG 多樁型復(fù)合地基的承載力不能直接通過(guò)荷載-沉降（Q-s）曲線來(lái)獲得，在工程實(shí)踐中主要通過(guò)沉降控制方法來(lái)確定。多樁型復(fù)合地基可以在一定程度上減少基礎(chǔ)的沉降差，讓基礎(chǔ)受力更加平均，同時(shí)還能有效地降低建筑物的沉降變形量。

⑵CFG 多樁型復(fù)合地基的樁身軸力主要集中于樁體上部。無(wú)論是剛性長(zhǎng)樁還是柔性短樁的樁身軸力，都是表現(xiàn)出隨著地基深度的增加，先增加至峰值，然后線性衰減的趨勢(shì)。

⑶CFG 多樁型復(fù)合地基的樁側(cè)摩阻力主要在樁體的上部集中，而柔性短樁則比剛性長(zhǎng)樁的樁側(cè)摩阻力要小不少。

⑷隨著地基深度的增加，CFG 多樁型復(fù)合地基剛性樁、柔性樁與周?chē)馏w應(yīng)力之比都表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。