褥墊層剛度對(duì)CFG 樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比影響規(guī)律研究

任志勇

（湖南教建集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410013）

引言

近些年，CFG 樁復(fù)合地基加固處理技術(shù)在我國(guó)的建筑、公路及鐵路等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。樁土應(yīng)力比是復(fù)合地基工作狀態(tài)協(xié)調(diào)關(guān)系的反映，許多學(xué)者對(duì)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響因素開(kāi)展了研究，如Ata等[2]利用ABAQUS 研究了褥墊層厚度、樁徑、樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響。褥墊層在復(fù)合地基中起核心調(diào)整作用，合理的褥墊層設(shè)計(jì)可改善荷載傳遞關(guān)系，調(diào)節(jié)樁土荷載分配，從而起到充分發(fā)揮樁間土承載能力的作用[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)褥墊層對(duì)樁土應(yīng)力比影響規(guī)律進(jìn)行大量研究。周愛(ài)軍等[4]開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比研究，分析了不同褥墊層厚度和變形模量剛性樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響規(guī)律。芮瑞等[5]基于模型試驗(yàn)和DEM 數(shù)值正交試驗(yàn)，提出了褥墊層協(xié)調(diào)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)并建議按相對(duì)厚度控制褥墊層參數(shù)。褥墊層對(duì)復(fù)合地基工作特性影響復(fù)雜，有必要針對(duì)不同樁間土和褥墊層模量對(duì)樁土應(yīng)力分配規(guī)律的影響開(kāi)展進(jìn)一步研究。本研究結(jié)合CFG樁復(fù)合地基模型試驗(yàn)和三維數(shù)值模型研究不同樁間土體和褥墊層彈性模量參數(shù)對(duì)CFG 樁復(fù)合地基樁-土應(yīng)力的影響規(guī)律，以期為CFG 樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

以長(zhǎng)沙某建筑的地基處理工程為背景，根據(jù)試驗(yàn)條件選定相似常數(shù)為15 來(lái)制作CFG 模型樁。CFG 模型樁樁徑為53 mm，樁長(zhǎng)為1 m，梅花型布樁，樁間距為160 mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。

在樁間土和樁頂表面共布設(shè)三個(gè)高精度土壓力盒傳感器進(jìn)行測(cè)量樁間土和樁頂?shù)膽?yīng)力，土壓力盒布置見(jiàn)圖1。本次采用200 kN 數(shù)控液壓作動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)，采用慢速維持加載法分級(jí)加載，共加載八級(jí)，每級(jí)加載25 kPa。在加載過(guò)程中每隔15 分鐘記錄一次沉降數(shù)據(jù)，當(dāng)沉降達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定之后再進(jìn)行下一級(jí)加載。

圖1 樁體及土壓力盒布置示意（單位：mm）

1.2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2 樁土應(yīng)力比隨荷載變化曲線(xiàn)可知，樁土應(yīng)力比總體呈現(xiàn)隨荷載的增加先增加后減小最后趨向于穩(wěn)定的特點(diǎn)。在25～75 kPa 時(shí)，樁土應(yīng)力比隨著荷載增加而增加，在75 kPa 時(shí)樁土應(yīng)力比最大為3.38，在75 kPa 之后樁土應(yīng)力比隨荷載下降并穩(wěn)定于2.9～3.0。

圖2 樁土應(yīng)力比隨荷載變化曲線(xiàn)

2 有限元數(shù)值模型

2.1 三維有限元模型

為研究不同樁間土模量下褥墊層材料的合理選取，材料參數(shù)見(jiàn)表1。本研究采用能反映樁- 土褥墊層相互作用的有限元軟件建立分析模型，研究樁土荷載分擔(dān)的變化規(guī)律。模型范圍的平面尺寸為2 m（30 倍樁徑），深度取2 m（2 倍樁長(zhǎng)）。

表1 材料參數(shù)

2.2 模型驗(yàn)證

由圖3 可知，樁土應(yīng)力比隨荷載變化先上升后下降最后趨向于穩(wěn)定，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果整體變化規(guī)律基本一致。說(shuō)明本研究所建立的數(shù)值模型較合理，可用來(lái)研究不同因素對(duì)樁土應(yīng)力比變化規(guī)律的影響。

圖3 有限元計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況

為進(jìn)一步研究樁間土體與褥墊層的參數(shù)變化對(duì)樁土應(yīng)力比的影響，分別改變樁間土體以及墊層參數(shù)，研究分析參數(shù)波動(dòng)對(duì)CFG 樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力變化的影響。以表1 材料參數(shù)為基準(zhǔn)工況（樁間土彈性模量25 MPa，褥墊層彈性模量35 MPa），分別取褥墊層彈性模量為30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa、50 MPa，樁間土體彈性模量為20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa，每次工況采用控制單一變量進(jìn)行研究參數(shù)對(duì)樁土應(yīng)力比的影響，共設(shè)置25 種不同工況，具體工況見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 褥墊層彈性模量對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

由圖4 可知，在加載初期，樁土應(yīng)力比較小，隨著荷載的不斷增加，樁土應(yīng)力比先上升后下降，最終穩(wěn)定在5.77～6.23。由于CFG 樁和樁間土體之間彈性模量差別大，受荷后主要是樁承擔(dān)上部荷載；隨著荷載不斷增加，褥墊層材料不斷移動(dòng)補(bǔ)充到樁間土中，樁間土承載作用逐步發(fā)揮，樁間土應(yīng)力逐步增大并趨于穩(wěn)定，樁土應(yīng)力比開(kāi)始減小最后趨于穩(wěn)定。

圖4 不同褥墊層彈性模量隨荷載變化曲線(xiàn)

由圖5 可知，樁土應(yīng)力比整體均隨褥墊層彈性模量的增大而增大。褥墊層彈性模量從30 MPa 增加到50 MPa，五種不同工況的樁間土體的樁土應(yīng)力比增幅為3.67%～23.79%。表明不同褥墊層彈性模量下低樁間土體彈性模量對(duì)樁- 土應(yīng)力的影響小于高樁間土體彈性模量，而過(guò)高的褥墊層彈性模量會(huì)影響褥墊層的流動(dòng)調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致樁間土的承載能力不能充分發(fā)揮，最終對(duì)樁- 土應(yīng)力的影響不大。

圖5 不同樁間土體工況下褥墊層模量對(duì)樁土應(yīng)力比的影響（P=200 kPa）

3.2 樁間土體彈性模量對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

由圖6 可知，隨著荷載的不斷增加，樁- 土比先增加后減小并趨于穩(wěn)定，樁土應(yīng)力比穩(wěn)定在5.04～6.13。樁土應(yīng)力比隨著樁間土體彈性模量增加呈下降趨勢(shì)，表明樁間土體的彈性模量越高，樁間土體的承載性能越好，樁間土所能分擔(dān)的荷載越大，樁體分擔(dān)的荷載減小，樁土應(yīng)力比變化下降。

圖6 不同樁間土體彈性模量隨荷載變化曲線(xiàn)

由圖7 可知，樁間土體彈性模量從20 MPa 增至40 MPa 時(shí)，五種不同工況褥墊層彈性模量的樁土應(yīng)力比降低了7.15%至22.25%。不同樁間土體彈性模量下，褥墊層彈性模量變化對(duì)樁土應(yīng)力比的影響不同，樁間土體彈性模量較低時(shí)的樁土應(yīng)力比變化幅度小于樁間土體彈性模量較高時(shí)的。隨著樁間土體彈性模量變化，褥墊層彈性模量越高，樁土應(yīng)力比出現(xiàn)拐點(diǎn)快速下降時(shí)所對(duì)應(yīng)樁間土體彈性模量越大。表明樁間土體彈性模量較高時(shí)，褥墊層彈性模量的相應(yīng)提高，樁間土的承載能力才能充分發(fā)揮。

圖7 不同褥墊層工況下樁間土體模量對(duì)樁土應(yīng)力比的影響（P=200 kPa）

因此，選取褥墊層彈性模量時(shí)要充分考慮褥墊層和樁間土體彈性模量之間的適配關(guān)系以及二者相互作用對(duì)樁土應(yīng)力比的影響，從而滿(mǎn)足合理經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，研究了褥墊層彈性模量變化對(duì)CFG 樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1） 樁土應(yīng)力比隨荷載增加先上升后下降并趨于穩(wěn)定，隨褥墊層彈性模量增大而增大，隨樁間土體彈性模量增大而減小。

（2） 褥墊層彈性模量變化對(duì)彈性模量較大的樁間土體影響顯著，對(duì)彈性模量較小的樁間土體影響較小。

（3） 彈性模量較大的樁間土要適當(dāng)提高褥墊層彈性模量，從而保證樁體的承載能力充分發(fā)揮。