CFG樁復合地基群樁工作性狀模擬分析

戚英杰，王運霞，姜亭亭

(1.北方工業(yè)大學土木工程學院，北京 100144； 2.中國建筑技術集團有限公司，北京 100013)

1 概述

隨著我國經濟的快速增長，城市人口數(shù)量也越來越多。為了更加充分地利用城市空間，大量的高層建筑取代了原有的空間利用率低的低層建筑。不斷上升的建筑樓層高度和不斷增加的傳遞至地基的荷載，使得許多天然地基不能滿足最基本的設計要求。在這種情況下，CFG樁復合地基因其能充分發(fā)揮樁與樁間土的強度，且施工過程簡潔，經濟實惠，應用于實際工程時廣受好評[1-2]。

CFG樁復合地基主要組成部分為：作為增強體的CFG樁、作為被加固體的天然地基和用于分攤荷載的褥墊層[3]。沈偉取群樁復合地基中的一根單樁為研究對象，簡化了樁側摩阻力變化規(guī)律、樁間土變形形式、樁端土反力模型，提出了一種新的剛性樁復合地基沉降計算方法[4]。李國勝整理了GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范、JGJ 79—2012建筑地基處理技術規(guī)范、GB/T 50783—2012復合地基技術規(guī)范等國家標準文件中對CFG樁復合地基沉降計算的規(guī)定，并進行了對比與總結[5]。張欽喜通過研究復合地基的承載性能，提出計算復合地基承載力前先對原地基土層先進行基礎深寬修正的新思路[6]。朱彥博使用ABAQUS有限元軟件，分析了不同因素對于加筋碎石樁群樁復合地基沉降的影響，推導出了考慮群樁效應的沉降比計算方法，拓寬了其他樁型復合地基沉降計算的思路[7]。

目前，絕大多數(shù)的實際工程在進行CFG樁復合地基處理方案的設計時，僅考慮了最不利條件下，CFG樁復合地基單樁地基的工作性狀。為了研究群樁復合地基的工作性狀，本文根據(jù)實際工程的地層數(shù)據(jù)，使用ABAQUS有限元軟件建立了CFG樁復合地基群樁模型，分析不同的參數(shù)對群樁復合地基工作性狀的影響，希望能對以后的CFG樁復合地基設計提供參考。

2 工程實例

2.1 工程概況

工程擬建場地位于北京市海淀區(qū)清華東路與志新西路交叉口西南角石科院院內。項目擬建建筑物包括綜合科研樓、A號科研實驗樓、B號科研實驗樓、C號實驗樓建筑。本文的研究對象為綜合科研樓的CFG樁復合地基群樁工作性狀。

綜合科研樓的基本情況如表1所示。

表1 綜合科研樓基本情況一覽表

根據(jù)《院本部工作區(qū)設施完善改造工程項目巖土工程勘察報告》(工程編號：2018詳勘017)提供的資料，結合現(xiàn)場勘探、原位測試及室內土工試驗成果，按沉積年代、成因類型對本工程最大勘探深度(40.00 m)范圍內的地層進行分層，結果如表2所示。

表2 地層巖性分類情況一覽表

2.2 地基處理方案設計要求

設計要求處理后修正前的復合地基承載力特征值：科研樓核心筒區(qū)域、A號科研實驗樓、B號科研實驗樓、C號實驗樓地基承載力不小于320 kPa；科研樓非核心筒區(qū)域地基承載力不小于200 kPa，最大沉降量均不得超過40 mm。

科研樓基礎埋深-13.4 m，本文以非核心筒區(qū)域為研究對象。假設不對天然地基進行地基處理，根據(jù)地層參數(shù)與深度，可以暫且確定持力層為第③層或者第③1層，該土層天然地基承載力標準值為120 kPa，低于設計要求的承載力標準值200 kPa，不滿足設計要求，需對天然地基進行地基處理[8-10]。

3 數(shù)值模擬

ABAQUS/CAE有限元模擬軟件(以下簡稱ABAQUS)，因其包含的材料與單元模型豐富，計算過程詳細，計算功能強大，適用范圍十分廣泛；其豐富的功能模塊，能解決模擬過程中有關靜力學、動力學的諸多問題。ABAQUS在求解非線性問題方面的性能優(yōu)異，非常適用于求解巖土工程相關的問題，因此本文采用此軟件對CFG樁復合地基進行數(shù)值模擬。

3.1 參數(shù)取值

CFG樁復合地基處理方案參數(shù)與各土層物理力學參數(shù)如表3,表4所示。

表3 CFG樁復合地基處理方案參數(shù)

表4 各土層物理力學參數(shù)

3.2 模型建立

在ABAQUS模擬中，除地層參數(shù)外的設計參數(shù)大致如表5所示。

表5 ABAQUS模擬相關參數(shù)

本次模擬計劃建立3×3九樁復合地基模型，采用正方形布樁排列，如圖1所示。

根據(jù)上述設計參數(shù)與模擬計劃，建立了九樁CFG樁復合地基模型，如圖2所示。

經過八級加載后，上部荷載為405 kPa時的復合地基應力與位移云圖如圖3所示。

3.3 影響因素分析

3.3.1 中心樁樁頂沉降

距徑比、樁體模量、砂石褥墊層厚度、砂石褥墊層模量的變化，對九樁模型中心樁頂沉降隨豎向均布荷載變化趨勢的影響如圖4所示。

由圖4(a)可以得出結論：樁間距相同時，上部荷載增大，中心樁頂沉降也隨之增大，但其增加幅度隨著上部荷載的增加逐漸減小；上部荷載處于同一級別時，樁間距增大，中心樁頂沉降也隨之變大，且沉降增加的幅度也越來越大，主要原因在于樁與樁之間的相互作用降低，其應力疊加區(qū)域變小，樁體對周圍土體的擠密效果下降，復合地基承載力下降，進一步造成復合地基沉降的增加。

由圖4(b)可以得出結論：上部荷載處于同一級別時，如果樁體模量增加，中心樁頂表面沉降就隨之減小。這是因為當CFG樁模量增大時，可以按照復合模量法對加固區(qū)的土層進行分析，最終體現(xiàn)為復合地基加固區(qū)的復合模量增加，從而引發(fā)整個地基沉降的減小。但樁身模量對地基沉降的調節(jié)是有極限的，當樁身模量提升到20 000 MPa后，再繼續(xù)增加樁身模量，地基的沉降值減小幅度明顯下滑。此時由于樁土模量比過大，樁間土的承載力沒有得到充分的發(fā)揮，與進行地基處理的初衷矛盾。而樁身模量越大，對應的CFG樁的單方造價也就越高，樁身模量的盲目增加，會增加成本，使得整個地基處理方案的經濟效益下降。

由圖4(c)可以得出結論：上部荷載處于同一級別時，褥墊層模量的增加會導致中心樁頂?shù)某两狄仓饾u增加。這一現(xiàn)象的原因是：褥墊層模量的增大會降低砂石褥墊層的流動性，增加CFG樁樁頂刺入褥墊層的難度，褥墊層分擔荷載給樁間土的能力也會下降，荷載更多的由CFG樁來承擔，因此其他參數(shù)不變時，中心樁頂?shù)某两盗繒S著褥墊層模量的增加而增加。

由圖4(d)可以得出結論：在同一荷載水平時，如果褥墊層厚度增大，中心樁頂沉降就會隨之減小。這一現(xiàn)象的原因是：隨著褥墊層厚度的增加，其流動補償?shù)男阅苤饾u增強，由CFG樁承擔的荷載逐漸減少，荷載的分擔也更加均勻，中心樁樁頂沉降也就逐漸減少。

3.3.2 樁間土表面沉降

距徑比、樁體模量、砂石褥墊層厚度、砂石褥墊層模量的變化，對中心樁側樁間土表面的沉降隨豎向均布荷載變化趨勢的影響見圖5。

由圖5(a)可以得出結論：由于單樁影響范圍內的上部荷載最大值保持為405 kPa不變，當其他參數(shù)不變，僅樁間距增大時，單根CFG樁影響范圍內的樁間土面積增大，將均布荷載轉換為集中荷載來看，單樁影響范圍內的荷載增大，因此造成復合地基整體沉降增大，中心樁頂沉降與樁間土表面沉降均隨著樁間距的增大而增大。

由圖5(b)可以得出結論：隨著CFG樁模量的增大，按照復合模量法進行分析，可以視作復合地基的復合模量增加，從而引發(fā)整個地基沉降的減小。因此，上部荷載處于同一級別時，樁間土表面沉降的變化趨勢與中心樁相同，也隨著樁體模量的增加而減小。

由圖5(c)可以得出結論：在同一荷載水平下，當褥墊層模量變化時，中心樁側樁間土表面的沉降量與中心樁頂?shù)某两盗康淖兓厔菹喾矗瑯杜c樁間土沉降的差值也逐漸減小。這是因為，褥墊層的模量越大，CFG樁樁頂就越難向上刺入褥墊層。樁體向上刺入褥墊層的深度減小，褥墊層分攤荷載性能得不到發(fā)揮，由CFG樁承擔的荷載逐漸增多，樁間土沉降量也就隨之減小。并且，從圖5(c)還可以看出，當褥墊層模量增加到120 MPa以上時，樁間土的沉降變化量已經逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖5(d)可以得出結論：在同一荷載水平下，褥墊層厚度的增大會導致樁間土表面沉降的增大，其變化趨勢與樁頂沉降變化趨勢相反。這個現(xiàn)象產生的原因是：褥墊層厚度的增加使得其分攤承載力至樁間土的能力逐漸增強，樁間土因此承擔更多的荷載，沉降也就隨之增加。

4 結論

本文基于北京市海淀區(qū)實際工程的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，采用ABAQUS數(shù)值模擬的方法，研究了豎向均布荷載作用下的CFG樁復合地基群樁地基的沉降變形特性，探討了CFG樁復合地基處理方案設計中，需著重注意的幾個參數(shù)對CFG樁復合地基群樁地基，樁與土差異沉降規(guī)律的影響，得到的相關結論如下：

1)上部荷載為同一級別時，樁頂表面沉降與樁間土表面沉降均會隨著樁間距的增大而增大，CFG樁復合地基的整體沉降也會隨之增大。

2)樁體模量不同時，中心樁頂沉降隨荷載變化曲線的變化趨勢并未有所改變。豎向均布荷載處于同一級別時，可以認為隨著樁體模量的增大，復合地基的整體模量等效增加，從而引發(fā)整個地基沉降的減小。在實際工程中，需對CFG樁樁身模量進行合理設計，才能在保證經濟效益的同時，盡可能發(fā)揮地基土的承載力。

3)增加褥墊模量，會提高CFG樁樁頂刺入褥墊層的難度，當樁頂?shù)拇倘肷疃葴p小，荷載更多的會由CFG樁來承擔，因此，樁間土表面沉降與樁頂表面沉降的變化趨勢相反。

4)修改褥墊層厚度時，中心樁與樁間土的應力與沉降的變化趨勢也完全相反。因為褥墊層的主要功能是調節(jié)樁與土的荷載分攤情況，減小褥墊層的厚度，會導致樁體承擔荷載的增加。但當褥墊層厚度超過400 mm仍在不斷增加時，褥墊層的流動補償性能就會過盈。這說明褥墊層厚度需要進行適當?shù)倪x擇，才能既充分發(fā)揮褥墊層調節(jié)荷載的能力，又不浪費材料，提高經濟效益。