CFG樁復合地基變形及承載力數(shù)值模擬研究

李修海

摘要：隨著高層或超高層建筑的不斷發(fā)展，人們對地基的變形和承載能力要求不斷提高。以洛陽市瀍河回族區(qū)中窯村棚戶區(qū)改造項目（三期）安置房一期工程為例，采用某有限元軟件，對CFG樁復合地基在不同褥墊層厚度和模量條件下變形情況和承載能力進行數(shù)值研究。研究結果表明：褥墊層能夠有效減少地基沉降量并提高樁身承載能力。但厚度過大會使得樁身承載能力提升不明顯，出于經(jīng)濟的角度，需要合理設置褥墊層厚度。隨褥墊層模量提升，產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象能夠增大樁體的受力效果，但過大厚度可能使最大應力值點上移，從而使得樁基發(fā)生淺層破壞。

關鍵詞：CFG樁；變形；模擬；承載力

0? ?引言

CFG樁復合地基是一種新型的地基加固技術，是在傳統(tǒng)樁基礎的基礎上引入了玻纖增強材料（CFRP）進行加固，以提高地基的承載力和穩(wěn)定性[1]。隨著城市建設的不斷發(fā)展和城市化進程的加速，軟土地基的工程問題越來越突出，因此研究CFG樁復合地基的變形及承載力，對于解決軟土地基工程問題具有重要的意義[2]。

CFG樁復合地基的研究始于20世紀80年代末期，當時相關學者主要對其力學性能和工程應用進行了初步研究[3-4]。隨著研究的深入，越來越多的學者開始關注CFG樁復合地基的變形及承載力研究。針對CFG樁復合地基變形及承載能力的研究，主要包括實驗研究和數(shù)值模擬研究兩種。

實驗研究是目前對CFG樁復合地基變形及承載力的研究主要方法之一，它主要通過模型試驗和現(xiàn)場試驗來進行[5]。模型試驗是通過制作縮小比例的模型，模擬實際工程中的荷載和地基土的力學性能，通過對模型試驗的觀測和數(shù)據(jù)分析，來研究CFG樁復合地基的變形及承載力。而現(xiàn)場試驗是在實際工程中，通過布設傳感器和測量設備，對CFG樁復合地基的變形及承載力進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，通過對實測數(shù)據(jù)的分析，來研究CFG樁復合地基的變形及承載力[6]。

數(shù)值模擬研究則主要采用有限元方法和數(shù)值分析方法，通過建立CFG樁復合地基的數(shù)學模型，采用計算機軟件，模擬實際工程中的荷載和地基土的力學性能，借助對數(shù)值模擬結果的分析和比對，來研究CFG樁復合地基的變形及承載力。

試驗研究基于其準確性和直觀性，一直作為CFG樁復合地基變形承載能力研究的主流方法，但傳統(tǒng)試驗方法受制于試驗條件和環(huán)境的限制，往往研究成本較高。

鑒于此，本文以洛陽市瀍河回族區(qū)中窯村棚戶區(qū)改造項目（三期）安置房一期工程為例，借助有限元模擬軟件，對CFG樁復合地基在不同褥墊層厚度和模量條件下變形情況和承載能力進行研究，為高層建筑下CFG樁復合地基的設計與加固處理提供一定的參考依據(jù)。

1? ?工程概況

1.1? ?工程基本情況

洛陽市瀍河回族區(qū)中窯村棚戶區(qū)改造項目（三期）安置房一期，工程位于洛陽市瀍河區(qū)瀍澗大道與班家街交叉口東側100m路北。一期占地面積約5.8萬m2，建筑面積約25.03萬m2，其中地上建筑面積約16.76萬m2，地下建筑面積約8.27萬m2。

主樓地基采用CFG樁和素土樁相結合的方式，地庫和人防區(qū)域采用夯實水泥土樁和素土樁相結合的方式，以解決施工場地濕陷性問題，提高地基承載力。

1.2? ?土層參數(shù)

研究區(qū)土層參數(shù)如表1所示。

1.3? ?1#樓單樁豎向抗壓靜載試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)室內試驗資料，其中安置房一期1#樓的單樁豎向抗壓靜載試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

其中該樁的最大加載量為1300kN，最大位移量為3.06mm，最大回彈量為1.65mm，最大回彈率為53.92%。

2? ?模擬方法

本次模擬采用有限元軟件進行，將模擬的土體劃分為3層，每層均具備均質性，其性質相同。將CFG狀體和復合地基承壓板設置為理想彈性模型，并選擇摩爾-庫倫模型作為各樁之間區(qū)域土體和褥墊層本構模型。整個過程中僅對地基受荷及其加載過程進行模擬，對地基卸荷回彈不做考慮。

模擬研究取其橫向范圍為10m，縱向即深度取樁長的1.5倍，承壓板直徑取0.45m，隨后模擬研究在一定地質條件下褥墊層厚度及其模量大小對CFG樁復合地基變形及承載力的影響，通過對不同褥墊層厚度和模量大小下CFG樁復合地基的沉降量和樁身軸向應力變化來反映CFG樁復合地基在不同條件下的變形及承載能力情況。其中，褥墊層厚度共設置5種，分別為0mm、100mm、200mm、300mm、400mm。褥墊層模量主要設置3種，分別為30MPa、60MPa、90MPa。其中CFG樁復合地基網(wǎng)格劃分如圖1所示。

3? ?結果分析

3.1? ?褥墊層厚度影響分析

3.1.1? ?不同褥墊層厚度在荷載作用下地基沉降量

首先對不同褥墊層厚度在不同程度荷載作用下的CFG樁復合地基沉降量進行研究。共設置100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa共6級荷載，分別在0mm、100mm、200mm、300mm、400mm共5種褥墊層厚度下進行沉降模擬。根據(jù)模擬結果，得到了不同褥墊層厚度在荷載作用下的地基沉降量變化趨勢如圖2所示。

從圖2可以看出，在同級別的荷載作用下，設置褥墊層的CFG樁復合地基沉降量，較不設置褥墊層的更小，并且隨著褥墊層厚度的增加，沉降量會隨之減小，但減小幅度會在褥墊層厚度達到300mm時降低。

此結果表明，褥墊層的設置會對地基沉降起到一定的作用，但考慮到作用效果的大小和成本問題，需要對褥墊層進行合理設計。

3.1.2? ?不同褥墊層厚度下樁身軸力

為了反映褥墊層厚度對樁體軸力的影響，根據(jù)模擬的結果，繪制出如圖3所示的不同褥墊層厚度下樁身軸力的變化情況。

從圖3可以看出，在褥墊層厚度為0時，樁體的軸力最大值在樁長深度比值為0的位置即樁頂位置，此后軸力隨比值的增大而減小。

但在設置褥墊層厚度時，樁體的軸力先沿樁身增大，在樁長深度比值達到0.2時軸力達到最大值，之后隨著比值的增大軸力逐漸減小。此結果表明，褥墊層能夠有效減少應力集中現(xiàn)象，從而避免剪切破壞。

3.2? ?褥墊層模量影響分析

3.2.1? ?3種褥墊層模量在不同等級荷載下地基沉降量

對于不同褥墊層模量在不同程度荷載作用下CFG樁復合地基沉降量進行研究，共設置30MPa、60MPa、90MPa共3種褥墊層模量，分別在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa共6級荷載下進行沉降模擬。根據(jù)模擬結果，得到3種褥墊層模量在不同等級荷載作用下地基沉降量變化趨勢如圖4所示。

從圖4可以看出，在褥墊層模量一致的情況下，沉降量隨著荷載的增大逐漸增大，而在同級別的荷載條件下，沉降量大小為：30MPa褥墊層厚度＞60MPa褥墊層厚度＞90MPa褥墊層厚度，并且隨著荷載等級的提升，三者的沉降量差距逐漸增大。

此結果表明，隨著褥墊層模量的增大，樁體應力集中會逐漸顯著，而應力集中的結果導致了更多的荷載被從土體之中分流到樁體上，提高了樁體的作用效果，使得沉降明顯減小。

3.2.2? ?不同褥墊層模量下樁身軸力

為了反映褥墊層模量對狀體軸力的影響，根據(jù)模擬的結果，繪制出如圖5所示的不同褥墊層模量下樁身軸力的變化情況。

從圖5可以看出，在褥墊層模量一致的情況下，樁身軸力隨著樁長深度比值的增大而增加，在樁長深度比值達到0.2時，樁身軸力達到最大值，之后隨著樁長深度比值的增加，樁身軸力逐漸減小，在比值達到1即在樁底部位時，軸力達到最低力。

對比不同褥墊層模量下的軸力變化可以看出，隨著褥墊層模量的增加，樁身軸力在同一位置下逐漸升高。

此結果表明，褥墊層模量的提高，能夠使得地基產(chǎn)生一定程度的應力集中，造成最大應力值點向樁頂位置移動。但此結果可能會造成地基的淺層破壞，相對而言較低的褥墊層模量，最大應力值點位置較低，能夠有效利用樁間土分擔樁身的荷載作用。

4? ?結束語

本文以洛陽市瀍河回族區(qū)中窯村棚戶區(qū)改造項目（三期）安置房一期工程為例，借助有限元模擬軟件，對CFG樁復合地基的在不同褥墊層厚度和模量的條件下變形情況和承載能力進行研究，并得出如下結論：

褥墊層的設置會對地基沉降起到一定的作用并且能夠有效減少應力集中現(xiàn)象，從而避免剪切破壞，但考慮到作用效果的大小和成本問題，需要對褥墊層進行合理設計。

隨著褥墊層模量的增大，樁體應力集中會逐漸顯著，而應力集中的結果導致了更多的荷載被從土體之中分流到樁體上，提高了樁體的作用效果，使得沉降明顯減小。

褥墊層模量的提高會使得最大應力值點向樁頂位置移動，而低褥墊層模量下其最大應力值點位置較低，能夠有效利用樁間土分擔樁身的荷載作用。

參考文獻

[1] 徐毅，洪寶寧，符新軍，等.CFG樁復合地基加固高速公路

軟基的現(xiàn)場試驗研究[J].防災減災工程學報，2006，26（3）：

305-309.

[2] 佟建興，胡志堅，閆明禮，等.CFG樁復合地基承載力確定

[J]. 土木工程學報，2005，38（7）：87-91.

[3] 王連俊，丁桂伶，劉升傳，等.鐵路柔性基礎下CFG樁復

合地基承載力確定方法研究[J].中國鐵道科學， 2008， 29（6）：

12-17.

[4] 韓云山，白曉紅，梁仁旺.墊層對CFG樁復合地基承載力

評價的影響研究[J].科學之友（學術版），2005，（Z1）：134-137.

[5] 吳春林，閻明禮，楊軍.CFG樁復合地基承載力簡易計算方

法[J].巖土工程學報， 1993（2）：96-105.

[6] 胡天喜，王擎忠.樁式托換技術在深厚軟粘土地基建筑物止

沉處理中的應用研究[J].礦產(chǎn)勘查，2002（2）：31-35.