CFG樁復(fù)合地基載力數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

孫廣利，付健陽(yáng)

吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

CFG樁法施工相對(duì)簡(jiǎn)單,取材方便,而且經(jīng)過(guò)CFG樁處理后的復(fù)合地基可以充分利用樁間土,使樁和土共同承擔(dān)荷載,地基承載力提升明顯.本文研究CFG樁加固后的復(fù)合地基承載力，先對(duì)試樁進(jìn)行復(fù)合地基承載力試驗(yàn),再通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,分析樁身參數(shù)改變對(duì)復(fù)合地基承載力的影響效果.孫世國(guó)等[1]人運(yùn)用ANSYS有限元對(duì)比分析了撫順某沉陷區(qū)工程CFG樁復(fù)合地基加固前后的沉降值,驗(yàn)證了CFG樁加固沉降差異不良地基的可行性.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元計(jì)算,賈劍青等[2]人分析了某客運(yùn)專(zhuān)線CFG樁復(fù)合地基的樁土承載特性.

1 原位試驗(yàn)

1.1 巖土工程條件

通過(guò)對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行巖土工程勘察,并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,根據(jù)其成因及力學(xué)性質(zhì)差異,將該地基自上而下分為8個(gè)工程地質(zhì)單元層,分述如下:

第 ① 層耕土(Q4pd):層厚0.40 m～0.50 m,平均0.46 m;第 ② 層粉質(zhì)粘土(Q4al):層底埋深1.30 m～2.00 m;第 ③ 層粉質(zhì)粘土(Q4al):層底埋深2.10 m～4.60 m;第 ③ 層細(xì)砂(Q4al):層底埋深2.80 m～4.80 m;第 ④ 層粉質(zhì)粘土(Q4al):層底埋深4.00 m～6.50 m;第 ⑤ 層細(xì)砂(Q4al):層底埋深6.50 m～8.20 m;第 ⑥ 層中砂(Q4al):層底埋深9.50 m～15.00 m;第 ⑦ 層卵石(Q2al+pl):層底埋深20.20 m～20.70 m;第 ⑧ 層粘土(Q1l):揭露最大厚度19.70 m.

1.2 各土層物理參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)和場(chǎng)地原位試驗(yàn),并結(jié)合鄰近場(chǎng)地工程建筑經(jīng)驗(yàn),綜合分析各層土的物理力學(xué)指標(biāo)和承載力特征值,見(jiàn)表1.

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indexes of each soil layer

1.3 CFG樁設(shè)計(jì)

場(chǎng)地?cái)M建建筑物所需的地基承載力為480 kPa,現(xiàn)有地基承載力不能滿足工程需要,因此設(shè)計(jì)采用CFG樁法對(duì)地基進(jìn)行加固.

結(jié)合場(chǎng)地土層分布情況與各土層性質(zhì),首先選取第 ⑤ 層細(xì)沙層為基礎(chǔ)持力層,第 ⑥ 層中沙層為基礎(chǔ)下臥層,第 ⑦ 層卵石層為樁端持力層;然后設(shè)計(jì)樁徑為400 mm,樁長(zhǎng)為10 m,并采用樁間距為1.2 m的正方形布樁形式;最后在場(chǎng)地內(nèi)選擇7點(diǎn)制作試樁,之后檢測(cè)單樁復(fù)合地基承載力.

1.4 CFG樁成樁與檢測(cè)

進(jìn)行CFG樁施工,并對(duì)施工完成的單樁復(fù)合地基進(jìn)行承載力試驗(yàn).試驗(yàn)采用液壓千斤頂加載,堆載混凝土試塊配重,通過(guò)反力裝置提供豎向荷載.試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.

圖1 靜載荷試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of static load test device

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[3-4],對(duì)場(chǎng)地內(nèi)制成的7根試樁進(jìn)行單樁復(fù)合地基承載力試驗(yàn),加載方式采用堆重式加載,加載過(guò)程分為8級(jí),每級(jí)加載120 kPa,試驗(yàn)加載至960 kPa后停止加載,繪制荷載-沉降曲線.本次試驗(yàn)所得的荷載-沉降曲線結(jié)果匯總,如圖2所示.

圖2 原位試驗(yàn)荷載-沉降曲線Fig.2 In-situ test load settlement curve

2 數(shù)值模擬

為分析不同樁長(zhǎng)與樁徑對(duì)單樁復(fù)合地基承載力的影響,選用Flac3d模擬軟件以樁長(zhǎng)和樁徑為變量進(jìn)行建模,用得到的結(jié)果分析樁長(zhǎng)和樁徑改變下對(duì)CFG樁復(fù)合地基承載力的影響.

2.1 數(shù)值模擬試驗(yàn)方案

為了分析不同的樁身尺寸對(duì)承載力的影響,分別以樁長(zhǎng)與樁徑為變量,設(shè)計(jì)兩組模擬試驗(yàn),進(jìn)行對(duì)比分析.模擬方案見(jiàn)表2.

表2 數(shù)值模擬工況Table 2 Numerical simulation condition

2.2 數(shù)值模擬模型的建立

對(duì)CFG樁進(jìn)行建模:

(1) 所建模型的長(zhǎng)、寬、高分別為20 m,10 m,30 m.

(2) 網(wǎng)格劃分為以樁為中心的放射狀網(wǎng)格.

(3) 對(duì)樁周土層與持力土層進(jìn)行劃分:soil 1為2 m厚的細(xì)沙層,soil 2為7 m厚的中沙層,soil 3為21 m厚的卵石層.

(4) 建立承壓板與樁土之間的接觸面模型、樁身與土的接觸面模型和樁端與樁端土體的接觸面模型,并賦予三組模型相應(yīng)的接觸面參數(shù).

(5) 通過(guò)控制成樁處的土體形狀以控制CFG樁的長(zhǎng)度和直徑.為了模擬原位試驗(yàn)中使用的承壓板,所建模型中選用20 mm厚,面積為1.4 m2的彈性模型代替承壓板.整體模型圖與承壓板-樁模型圖如圖3,圖4所示.

圖3 整體模型Fig.3 Overall model diagram

圖4 承壓板,樁模型Fig.4 Pressure plate and pile model diagram

2.3 進(jìn)行各工況模擬

通過(guò)承壓板對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行加載,當(dāng)8級(jí)加載完成后,記錄荷載-沉降曲線,之后換用不同的樁參數(shù)再次進(jìn)行試驗(yàn),并對(duì)最終得出的荷載-沉降曲線進(jìn)行匯總.為防止土體發(fā)生刺入破壞,數(shù)值模擬使用分級(jí)加載,并對(duì)樁頂進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè),繪制荷載-沉降曲線,其中平軸為施加荷載大小,豎軸為沉降量大小.加載完成后,在程序中直接導(dǎo)出Table chart.即圖5所示沉降曲線.

圖5 荷載-沉降曲線Fig.5 Load-settlement curve

使用與原位試驗(yàn)相同的樁參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,所得出的沉降曲線與原位試驗(yàn)結(jié)果相差較小,說(shuō)明用數(shù)值模擬結(jié)果分析復(fù)合地基承載力具有實(shí)際意義.因此采用樁徑為400 mm,樁長(zhǎng)為10 m的試驗(yàn)結(jié)果作為兩組模擬的參考.模擬結(jié)果如圖6所示.

圖6 Z方向應(yīng)力云圖Fig.6 Z-direction stress nephogram

2.4 數(shù)模模擬結(jié)果分析

2.4.1 不同樁長(zhǎng)、樁徑的影響結(jié)果分析

對(duì)比分析在當(dāng)前土層中CFG樁的樁徑與樁長(zhǎng)對(duì)地基承載力的影響如圖7，圖8所示.

圖7 不同樁徑對(duì)沉降量的影響Fig.7 Influence of different pile diameter on settlement amount

圖8 不同樁長(zhǎng)對(duì)沉降量的影響Fig.8 Influence of different pile length on settlement amount

通過(guò)圖7可知，對(duì)比樁徑為400 mm的p-s曲線,當(dāng)樁徑為350 mm時(shí),施加每級(jí)荷載沉降量均增加明顯,且p-s曲線隨著荷載逐級(jí)增加位移變化較快;當(dāng)樁徑為450 mm,并且施加荷載小于600 kPa時(shí),沉降量與樁徑為400 mm的荷載-沉降曲線相似,但隨荷載繼續(xù)增加,p-s曲線趨于平緩.可知復(fù)合地基承載力對(duì)樁徑的敏感性程度大于樁長(zhǎng),所以在實(shí)際工程中應(yīng)優(yōu)先選擇合適樁徑的CFG樁進(jìn)行地基加固.

通過(guò)圖8可知，取樁長(zhǎng)變化量為1 m,在改變不同樁長(zhǎng)時(shí),3條p-s曲線幾近于重合,可見(jiàn)當(dāng)樁長(zhǎng)變化量為1 m時(shí),不同樁長(zhǎng)對(duì)地基沉降量的影響不大.

對(duì)比以上兩種方式可知，選擇較大的樁徑對(duì)地基承載力的提高效果更明顯.

2.4.2 模擬結(jié)果與F3點(diǎn)p-s曲線對(duì)比

將原位試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比可知，使用數(shù)值模擬軟件對(duì)CFG樁的承載力進(jìn)行分析可以滿足實(shí)際工程需要.并且通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知,軟弱地基經(jīng)過(guò)樁徑為400 mm,樁長(zhǎng)為L(zhǎng)=10 m的CFG樁處理后,復(fù)合地基承載力明顯提升,可以為工程所用.對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖9.

圖9 原位與模擬試驗(yàn)對(duì)比Fig.9 Comparison of In-situ and simulated tests

對(duì)方案一進(jìn)行分析，樁長(zhǎng)保持不變,樁徑從350 mm分別增加到400 mm和450 mm時(shí),體積增量分別為0.294 5 m3和0.628 3 m3.與土體接觸面積增量分別為1.598 2 m2和1.606 2 m2；對(duì)方案二進(jìn)行分析，樁徑保持不變,樁長(zhǎng)每增加1 m時(shí),體積增量為0.125 6 m3，與土接觸面積增量為1.256 6 m2.

在樁徑發(fā)生變化時(shí),樁身體積變化量呈非線性增長(zhǎng),而且增長(zhǎng)量不斷增加;而改變樁長(zhǎng)時(shí),樁的體積和與土接觸面積增量均為定值.增加樁徑會(huì)提升樁與樁周土間的接觸面積,從而增加側(cè)摩阻力,提升復(fù)合地基承載力.

3 結(jié)語(yǔ)

將原位試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,所得結(jié)論如下:

(1) 通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同試驗(yàn)條件下的7組試樁在施加荷載至960 kPa時(shí)均未發(fā)生沉降突變,樁身完整.各試驗(yàn)點(diǎn)處單樁復(fù)合地基承載力特征值均不小于480 kPa,且極差滿足規(guī)范要求,根據(jù)規(guī)范可以判定該場(chǎng)地單樁復(fù)合地基承載力特征值不小于480 kPa.滿足設(shè)計(jì)要求.

(2) 雖然不同試驗(yàn)點(diǎn)的沉降量有較大的差距,但是根據(jù)由CFG樁加固軟弱地基的特點(diǎn)來(lái)看,可以通過(guò)鋪設(shè)一定厚度的褥墊層,調(diào)整樁與土之間的應(yīng)力比,使復(fù)合地基整體受力均勻,減少不均勻沉降;擬建建筑物還可以采用筏板基礎(chǔ)進(jìn)一步控制不均勻沉降.

(3) 通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比增加樁徑和增加樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基承載力的影響，在保證樁間距不變的情況下,適當(dāng)增加樁徑,對(duì)復(fù)合地基承載力提高有較大作用，在保持樁間距不變時(shí)面積置換率也將得到提高，因此,可將提升樁徑作為提升復(fù)合地基承載力的首選.