CFG樁復合地基在焦作馬村靳作安置房項目中的應用

摘要：依托焦作市馬村區靳作城中村改造項目CFG樁復合地基處理實例，采用ABAQUS數值模擬軟件建立CFG樁復合地基三維模型，研究CFG樁復合地基的樁土承載性狀以及樁土發揮系數變化特征，同時進行現場載荷試驗驗證。研究表明：CFG樁單樁、復合地基的荷載與沉降曲線均表現出加載初期為線性關系，塑性變形階段為非線性關系，與單樁不同，CFG樁復合地基荷載與沉降曲線中無明顯的突降段;土體達到極限承載狀態后，將荷載逐漸轉移至CFG樁樁體，樁土應力比與荷載呈指數關系;CFG樁復合地基的承載力并非是單樁承載力和樁間土承載力的簡單疊加，而是存在各自的承載力發揮系數，單樁承載力發揮系數λ的變化范圍為0.86～0.94，而樁間土發揮系數β的變化范圍為0.93～1.00。

關鍵詞：CFG樁;復合地基;有限元模擬;樁土發揮系數;承載力

0" "引言

水泥粉煤灰碎石樁又稱為CFG樁，是巖土地基處理中的一種常見復合地基形式，它是通過不同比例的水泥、碎石和粉煤灰等膠結形成的半剛性樁，利用褥墊層對樁體和樁間土的連接，實現兩者的共同承載，充分利用樁間土的承載力，達到提高復合地基承載力和降低地基整體沉降的目的[1-3]。因此，CFG樁在道路工程、建筑地基等領域得到廣泛應用，工程經驗也得到了逐步的積累[4-6]。

任鵬[7]等通過對四川地區某高層建筑的CFG樁復合地基進行現場監測，總結了在軟土地基條件下的CFG樁復合地基變形規律，并指出了變形的計算方法。高巖[8]等通過對某高程住宅工程中的CFG樁實例，介紹了CFG樁的樁基監測、靜載試驗以及CFG樁復合地基片筏基礎的方案設計。馬文杰[9]等著通過多飽和黃土地區的CFG樁復合地基處理工程實例，采用有限元計算方法，研究了褥墊層厚度、樁體模量、樁徑等對承載力和樁土應力比的影響。

本文依托焦作市馬村區靳作城中村改造項目CFG樁復合地基處理實例，采用數值模擬手段，建立CFG樁復合地基三維模型，并通過現場實測手段對計算結果進行驗證，研究CFG樁復合地基的樁土承載性狀以及樁土發揮系數變化特征，研究成果可為CFG樁復合地基處理的設計和方案確定提供參考和借鑒。

1" "工程概況

焦作市馬村區靳作城中村改造項目總用地面積111411m²（約合167.11畝），總建筑面積323248m²。其中：住宅建筑面積221671m²，商業用房建筑面積15505m²，幼兒園建筑面積3576m²，社區公共服務用房面積1526m²，物業用房建筑面積為948m²，公廁建筑面積為62m²，垃圾收集站建筑面積為128m²，地下建筑面積79833m²。

項目建設內容包括26棟高層住宅樓、7棟多層住宅樓、10棟商業裙房、2棟3層幼兒園用房、1棟3層社區服務用房及物業管理用房、地下車庫、地面停車位、垃圾收集站、公廁及道路、給排水、消防、供電、燃氣、綠化等室外配套設施的建設。高層住宅樓采用剪力墻結構，多層住宅樓采用磚混結構，地下車庫、商業用房、幼兒園、社區服務用房均采用框架結構，公廁及垃圾收集站采用磚混結構。本文針對15#～26#樓CFG樁復合地基進行研究，基礎形式均采用CFG樁復合地基，樁直徑為400mm，樁間距為1000mm，梅花形布置，樁長為12m。

2" "工程地質及水文地質條件

根據鉆探揭示，工程場區上覆土層自上而下為：①-1層雜填土，厚度1.50～6.40m，平均3.59m;①_-3層淤泥，厚度0.90～4.30m，平均2.52m;②_-2層淤泥質粉質黏土，厚度0.70～30.10m，平均10.04m;②_-3層黏土，厚度1.90～7.70m，平均4.31m;②-4層粉質黏土，厚度1.30～18.70m，平均6.27m;③-1層黏土，厚度0.80～7.20m，平均3.34m;③_-2層粉質黏土，厚度0.90～10.90m，平均4.28m;③_-3層黏土，厚度2.00～12.60m，平均5.34m;⑥-1層黏土，厚度3.60～18.50m，平均12.82m;⑥_-2層粉質黏土，厚度2.50～10.80m，平均5.13m;⑥_-3層粉質黏土，厚度1.00～3.80m，平均2.44m;⑦-1層粉土，厚度0.50～5.80m，平均2.07m;⑦_-2層粉質黏土，厚度1.10～10.60m，平均4.98m;⑦_-3層粉質黏土，厚度1.60～6.60m，平均3.55m;⑧-1層黏土，厚度0.70～27.70m，平均13.91m。各層土的物理力學指標如表1所示。

3" "有限元數值模型的建立

為研究CFG樁復合地基的承載規律，以及單樁、樁間土的承載發揮系數的變化關系，采用商用ABAQUS軟件建立數值模擬進行計算。計算時，選取的整體模型為在平面兩個方向上取45～50倍樁徑，即18m，在深度方向上取2倍的樁長，即24m，土層的網格劃分密度為5cm，樁體的劃分密度為20cm，如圖1所示。

褥墊層厚度為20cm，平面尺寸為1.0m×1.0m，其重度取為22kN/m³，彈性模量為60MPa，泊松比為0.30。CFG樁重度取為20kN/m³，彈性模量為15000MPa，泊松比為0.25。承壓板的尺寸為1.1m×1.1m，重度取為30kN/m³，彈性模量為200000MPa，泊松比為0.20。

計算時，承壓板和CFG樁體采用理想線彈性本構關系，而土體、褥墊層則選用適用于理想彈塑性模型的摩爾庫倫本構。忽略樁體變形和受力對土體泊松比和彈性模量的影響，樁土間發生小位移的變形和滑移時，兩者仍保持接觸關系，不發生脫離，模擬過程只對加載過程進行分析，不對卸載過程進行分析。模型側面土體約束x方向和y方向上位移和轉角，模型底面設置固定邊界，頂面設置自由邊界。施加土體自重應力作為初始地應力，計算初始地應力平衡后的位移與應力如圖2所示。

4" "數值模擬結果與現場載荷試驗結果對比分析

4.1" "CFG樁復合地基的承載力性狀

為更好地驗證數值模擬結果的可靠性，了解CFG樁復合地基樁土間的承載規律。在工程現場隨機選擇CFG樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗和復合地基荷載試驗。具體的試驗方法和試驗步驟可參考《建筑地基檢測技術規范》（JGJ 340-2015）、《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）。

圖3所示為現場單樁載荷試驗得到的荷載沉降曲線與數值模擬計算結果對比。加載等級從90kN增加至720kN，加載增量為90kN，共8個等級。從圖3中可以看出，CFG樁復合地基的單樁承載力模擬曲線與實測曲線兩者十分接近，表明數值模型參數和模型本構等能夠較好地反映CFG樁的承載特性。在加載初期，CFG樁的荷載與沉降曲線呈現線性關系。而隨著施加載荷的不斷增加，CFG樁的荷載與沉降曲線則呈現出非線性關系，且當載荷達到630kN時，模擬沉降量從7.47mm迅速增加至42.55mm，增幅達到35.08mm。

圖4為現場載荷試驗得到的荷載沉降曲線與數值模擬計算結果對比。加載等級從85kPa至850kPa，加載增量為85kPa，共10個等級。從圖4中可以看出，CFG樁復合地基的承載力模擬曲線與實測曲線兩者十分接近，在荷載小于170kPa時，荷載與沉降呈現線性關系。而荷載大于170kPa后，CFG樁復合地基的荷載與沉降曲線表現出明顯非線性關系，與單樁的荷載沉降曲線不同，曲線中無明顯的突降段。

圖5為承壓板、CFG樁樁頂、樁間土的荷載與沉降曲線。由圖5可知，在加載初期，承壓板、CFG樁樁頂、樁間土的沉降量接近，土體和樁體處于彈性變形階段。而隨著荷載的增加，三者的變形均處于非線性變化階段且逐漸分離，土體和樁體進入塑性變形階段，沉降量按承壓板、樁間土、CFG樁樁頂的次序依次減小。由此可知，在復合地基變形的塑性階段，土體的變形大于樁體的變形，導致了兩種結果：其一為土體的負摩阻力作用于樁體;其二為土體承擔的荷載逐步依賴褥墊層向CFG樁樁體轉移，樁體分擔的荷載加劇。

圖6所示為不同荷載等級條件下的樁頂應力與樁間土頂部應力曲線。從圖6中可以看出，CFG樁樁頂應力均大于樁間土的應力。隨著荷載的增加，樁頂應力和樁間土應力均呈非線性變化，其中樁間土的應力在荷載小于340kPa時，增長迅速。而大于340kPa時，樁間土應力進入收斂穩定狀態，約為154kPa，而此時的樁頂應力仍呈現出增加的趨勢，表明土體已達到了極限承載狀態，并將荷載逐漸轉移至CFG樁樁體。

4.2" "CFG樁復合地基的樁土發揮系數變化特征

為了更為明確地研究CFG樁樁體和樁間土的應力分擔情況，將圖6中不同荷載等級條件下的樁頂應力與樁間土頂部應力求比值，結果如圖7所示。由圖7可知，樁土應力比隨著荷載的增加呈現出明顯的指數增加，其擬合關系式如公式（1）所示：

n=8.471e^0.0021P （1）

式中：

n——樁土應力比;

P——外荷載，kPa;

R²——統計學確定系數，0.9868。

對不同荷載等級條件下的CFG樁樁體和樁間土的應力分擔情況計算，結果如圖8所示。從圖8中容易看出，在加載初始階段，樁土受力，荷載分配均勻。而隨著荷載的增加不斷增加，樁體承受的荷載比例逐漸增大，而樁間土的荷載則相反。表明荷載的分擔比例逐漸由樁間土向CFG樁樁體轉移，樁體的剛度比樁間土的剛度大，導致樁體荷載的應力集中現象越加明顯。

在CFG樁復合地基中，復合地基的承載力大小及沉降量計算與單樁承載力發揮系數λ和樁間土發揮系數β密切相關。對場區的CFG樁復合地基每個級荷載作用下的單樁承載力發揮系數λ，和樁間土發揮系數β密切相關進行計算，結果如圖9所示。

由圖9可知，單樁承載力發揮系數和樁間土發揮系數并非協調增加，存在著各自的增長“臺階”。CFG樁復合地基的承載力并非是單樁承載力和樁間土承載力的簡單疊加，而是存在各自的承載力發揮系數，且發揮系數的取值是可以同時增大的，單樁承載力發揮系數λ的變化范圍為0.86～0.94，而樁間土發揮系數β的變化范圍為0.93～1.00。

5" "結論

本文依托焦作市馬村區靳作城中村改造項目CFG樁復合地基處理實例，采用數值模擬手段，研究CFG樁復合地基的樁土承載性狀以及樁土發揮系數變化特征，得出以下幾個結論：

CFG樁復合地基的單樁承載力、復合地基承載力的模擬曲線與實測曲線兩者十分接近，均表現出加載初期為線性關系，塑性變形階段呈現為非線性關系，CFG樁復合地基與單樁的荷載沉降曲線不同，曲線中無明顯的突降段;

土體達到極限承載狀態后，將荷載逐漸轉移至CFG樁樁體，樁土應力比隨著荷載的增加呈現出明顯的指數關系;

CFG樁復合地基的承載力并非是單樁承載力和樁間土承載力的簡單疊加，而是存在各自的承載力發揮系數，且發揮系數的取值是可以同時增大的，單樁承載力發揮系數λ的變化范圍為0.86～0.94，而樁間土發揮系數β的變化范圍為0.93～1.00。

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