CFG樁復合地基靜載試驗及有限元模擬*

傅少君， 謝作為， 楊紅成， 羅 滔， 韓燕華

(1. 武漢大學 土木建筑工程學院， 武漢 430072； 2. 中建三局 第一工程有限責任公司， 武漢 430040； 3. 西京學院 陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室， 西安 710123； 4. 湖北工程學院 土木工程學院， 湖北 孝感 432000)

CFG樁即水泥粉煤灰碎石樁(cement flyash gravel pile)，是由水泥、粉煤灰、砂及卵碎石夯擊形成的樁體，與樁間土及褥墊層共同構成CFG樁復合地基，適用于黏性土、粉土、砂土和已有自重固結的素填土等地基，屬于地基的范疇[1-2].CFG復合地基與樁基礎的主要區(qū)別在于：CFG樁與樁間土共同作用形成受力整體，共同承擔上部荷載.由于CFG樁地基承載力較高，沉降變形較小，施工簡單且造價較低，因此，CFG樁復合地基得到了越來越廣泛的應用，已成為一種國內(nèi)常用的地基處理方式[3-4].

眾多學者和工程師對CFG樁復合地基的承載性能和樁土相互作用機理做了大量研究.任鵬等[5]在川北某施工現(xiàn)場進行了CFG樁復合地基的原位試驗，測得了樁、土和褥墊層的應力變化規(guī)律；沈宇鵬等[6]對比京津城際鐵路的CFG樁和PHC樁，測得CFG樁復合地基的樁土荷載分擔比為0.42～0.59，樁土應力比為12～25；楊生彬等[7]運用有限差分法模擬了石家莊某CFG樁復合地基的受力變形特點；孫世國等[8]運用ANSYS有限元軟件對比分析了撫順某沉陷區(qū)工程CFG樁復合地基加固前后的沉降值，驗證了CFG樁加固沉降差異不良地基的可行性.結合現(xiàn)場試驗和有限元計算，賈劍青等[9]分析了某客運專線CFG樁復合地基的樁土承載特性；周愛軍等[10-11]研究了褥墊層的厚度、材料和變形模量對CFG樁復合地基樁土應力比的影響；劉源等[12]在現(xiàn)場進行了足尺試驗，確定了對微型CFG樁復合地基承載性能產(chǎn)生影響的4個參數(shù)取值；張慶偉等[13]結合工程實例對比發(fā)現(xiàn)Verhulst比GM(1，1)模型更適用于地基沉降預測，且精度更高.

CFG樁復合地基的應用已經(jīng)比較廣泛，但理論研究仍不能滿足工程實踐的需要，地基承載力、沉降變形計算仍存在不足，計算值與實測值差距較大；CFG樁復合地基在人工島等地質條件下受力特性仍不明確.本文將CFG樁應用于馬爾代夫吹沙回填島礁灰?guī)r地基中，以胡魯馬累二期住宅項目為案例，在現(xiàn)場進行單樁和復合地基承載力試驗，評價其適用性，并利用ANSYS有限元軟件對CFG單樁復合地基進行數(shù)值模擬，詳細揭示了CFG樁復合地基樁土應力分擔情況和變化規(guī)律.

1 工程概況

馬爾代夫胡魯馬累二期住宅項目位于馬爾代夫胡魯馬累島，項目所在區(qū)域為2016年完成的吹沙回填島，場地穩(wěn)定性不足，地質概況如下：1層為吹填砂，平均厚度為1.5 m；2層為中粗砂，厚0.8 m；3層為含礫塊中粗砂，一般為中密狀，厚9.5 m；4層為珊瑚砂，局部成團，珊瑚砂顆粒間有黏感，厚4 m；5層準礁灰?guī)r為持力層，巖芯表面粗糙，似蜂窩狀，巖質輕，錘擊強度較高，厚12 m，樁端阻力特征值為450 kPa.該工程水平荷載大，常年受海風影響，海風風力為5～7級，天然地基承載力較高.

該工程設計為16棟25層住宅，層高2.85 m，結構類型為剪力墻結構，布局為中空筒體結構，地基采用CFG樁加固處理，天然地面標高為-1.5 m，設計樁頂標高為-4 m，基礎埋深為2.5 m.CFG樁設計要求為：樁徑0.4 m，樁距1.3 m，樁正形布置，混凝土強度等級為C30；長螺旋成孔，樁端入持力層準礁灰?guī)r0.5 m；設計單樁承載力F為420 kN，復合地基承載力P為370 kPa.

2 CFG樁現(xiàn)場試驗

2.1 設計驗證階段CFG試樁

為了驗證CFG樁單樁最大承載力滿足設計要求，在施工前進行試樁，檢測單樁豎向承載力破壞性，檢測方法為慢速維持荷載法，終止加荷條件為：1)某級荷載作用下，樁頂沉降量S大于前一級荷載作用下沉降量的5倍，且樁頂總沉降量超過40 mm；2)某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h樁頂沉降尚未達到相對穩(wěn)定標準；3)已達到設計要求的最大加載值.加載裝置示意圖及現(xiàn)場試驗情況分別如圖1～2所示.

圖1 加載裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading device

圖2 現(xiàn)場加載試驗Fig.2 Loading field test

選取具有代表性的樁號為S1、S15、S30(樁長分別為16.5、12.7、10.7 m)的樁基試驗結果繪制F-S曲線，結果如圖3所示.根據(jù)試驗結果以及F-S曲線發(fā)現(xiàn)，各試樁的單樁豎向抗壓極限承載力基本均超過900 kN，最大沉降量為45 mm，基本符合規(guī)范要求，但由于地質情況差異較大，各樁的樁長和承載力差異較大.

圖3 試樁F-S曲線Fig.3 F-S curves of test pile

2.2 CFG樁地基承載力試驗

試驗采用慢速維持荷載法，分別對單樁和復合地基進行了承載力靜荷載試驗，試驗樁擬加最大荷載為其極限承載力，試驗時分級加、卸載，分級加載分為10級，第一級取最大荷載的1/5，卸載則分為5級，CFG樁承載力靜載試驗點基本情況如表1所示.

表1 靜載試驗點概況Tab.1 General situation of static load test sites

根據(jù)CFG樁的現(xiàn)場靜載試驗得到單樁F-S曲線和復合地基P-S曲線的變化特征，如圖4～5所示.與試樁沉降曲線對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過CFG樁加固處理后的地基，單樁以及復合地基的沉降值均明顯減小.觀察荷載-位移曲線發(fā)現(xiàn)各CFG樁沉降情況差異性明顯，這是因為施工場地為吹沙回填島，場地穩(wěn)定性和均勻性較差；觀察曲線卸載回彈部分可以看出，各樁回彈曲線基本平行一致，且回彈率基本都在30%以下，說明塑性變形在CFG樁沉降變形中起著主導作用，同時也是各CFG樁沉降差異性的原因所在.

圖4 F-S曲線Fig.4 F-S curves

圖5 P-S曲線Fig.5 P-S curves

單樁試驗中各級荷載間的回彈曲線斜率差異不大，整體一致、逐級回彈，而復合地基試驗中前4級卸載回彈曲線(740 kPa→148 kPa)基本與橫軸平行，只在最后一級卸載(148 kPa→0 kPa)時出現(xiàn)一個較大回彈.CFG單樁與復合地基的這個差異性可歸咎于褥墊層上.由于褥墊層的荷載調整作用，上部荷載達到一定數(shù)值后，樁土荷載分擔比會保持常量，而在壓力較小時，樁間土承擔了大部分荷載.因而在荷載較大時，CFG復合地基樁土相互約束共同受力變形，整體為塑性，沒有回彈或回彈極??；荷載較小時，褥墊層調整作用減弱，主要是樁間土承擔荷載，卸載時才出現(xiàn)較大回彈.

3 有限元分析

3.1 模型建立及參數(shù)設定

利用ANSYS軟件建立承壓板、褥墊層、樁及樁間土三維模型，分析各部分在上部荷載作用下的受力特征.三維實體均采用8節(jié)點Solid185單元，樁土界面采用接觸單元，目標單元與接觸單元分別選用Target170和Contact173.選用Drucker-Prager本構模型模擬土體，樁和承壓板均為彈性本構.通過現(xiàn)場實測得到樁土力學參數(shù)如表2所示.

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定實體模型尺寸，承壓板與褥墊層均為1.3 m×1.3 m×0.2 m，樁徑0.4 m，樁長12.5 m，根據(jù)相關資料[10]，土體橫截面邊長取20倍樁徑、豎向2倍樁長，約取為8 m×8 m×24 m，按對稱性取1/4模型，對稱面施加對稱約束，樁周土體約束水平位移，底部施加固定約束，網(wǎng)格模型如圖6所示.

表2 樁土力學參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters for pile and soil

圖6 網(wǎng)格模型Fig.6 Meshing model

3.2 有限元結果及分析

圖7為對比計算和實測所得的樁頂沉降曲線.由圖7可知，計算值與實測值吻合較好，差異在可接受范圍之內(nèi)，證明了模擬的合理性.圖8為豎向位移云圖.由圖8可知，位移主要發(fā)生在上層土體，且樁土產(chǎn)生了明顯的相對位移.

圖7 沉降曲線對比Fig.7 Comparison of settlement curves

根據(jù)有限元計算結果可以得到樁土荷載分擔比及應力比，如圖9～10所示.在CFG復合地基施工過程中，隨著上部荷載的增大，樁間土所分擔荷載逐漸減小，樁體承擔大部分荷載.但在整個加載過程中，樁土各自分擔的荷載占比變化幅度較小，荷載分擔比較穩(wěn)定，由樁土應力比曲線可知，樁土應力比只在0 kPa→148 kPa加載過程出現(xiàn)快速增長，而后基本穩(wěn)定保持不變.

圖8 豎向位移云圖Fig.8 Nephogram of vertical displacement

圖9 樁土荷載分擔比Fig.9 Pile-soil load sharing ratio

圖10 樁土應力比Fig.10 Pile-soil stress ratio

樁土荷載分擔比和應力比變化規(guī)律與文獻[5]基本一致，區(qū)別在于胡魯馬累項目中樁體始終承擔了大部分荷載，而文獻[5]中是樁間土承擔了大部分荷載，這是由于建筑場地為回填島，土承載性能相對較差，且樁端持力層為準礁灰?guī)r，樁端阻力特征值較大.

4 結 論

本文以胡魯馬累二期高層住宅項目為例，探討了將CFG樁加固技術應用于馬爾代夫吹沙回填島礁灰?guī)r地基的可行性及適用性.在工程現(xiàn)場進行了CFG試樁、單樁和復合地基靜載試驗，同時運用ANSYS有限元軟件模擬分析了CFG樁復合地基的受力特性，得到以下結論：

1) CFG試樁承載試驗結果表明，各樁承載力極限值以及沉降量最大值基本符合規(guī)范要求，說明在馬爾代夫吹沙回填島礁灰?guī)r地基應用CFG樁具有可行性.

2) 現(xiàn)場靜載試驗結果表明，CFG樁復合地基的承載力特征值和沉降值均符合設計要求；CFG樁加固處理后的地基，單樁以及復合地基的沉降值均明顯減小；樁頂豎向位移的卸載回彈率均不超過40%，且大部分回彈量發(fā)生在148 kPa→0 kPa卸載過程中.

3) 有限元分析結果表明，CFG樁復合地基承受上部荷載時，樁土共同受力，位移主要發(fā)生在上層土體，樁間土豎向位移更大，樁土產(chǎn)生相對滑移.隨著上部荷載的增大，樁間土分擔的荷載逐漸減小，荷載逐漸向樁體轉移，樁體分擔了大部分荷載；樁土應力比則是先快速增長，在上部荷載達到148 kPa后，樁土應力比達到12并趨于穩(wěn)定.