褥墊層參數對CFG樁復合地基承載特性的影響研究

付 豪

（重慶市設計院，重慶市400015）

0 引 言

隨著我國基礎建設行業的不斷發展，需要利用有限的土地資源來修建交通、水利工程等基礎設施。由于各地區工程地質、水文地質條件等的不同，當地基條件不符合建筑物的承載需求時，需要對該地進行地基處理。CFG樁復合地基具有較好的承載性能，處理成本較低且節能環保，因此在粉土地區得到廣泛使用，許多學者也對其進行了深入的研究。劉統廣[1]通過室內載荷試驗研究了褥墊層厚度對水泥土樁復合地基承載性能的影響，表明合理控制墊層厚度能夠優化樁土應力比。周志軍等[2]基于極限分析下限法，推導出褥墊層的極限承載力下限解以及樁土應力比公式，并揭示了褥墊層存在壓密和塑性流動變形特性。李守德、郭海慶等[3-4]采用FLAC3D建立了PHC短樁復合地基模型，結果表明褥墊層厚度及模量對其承載特性具有一定影響。谷成岳[5]采用灰色關聯分析法研究了長短樁復合地基作用機理，并對影響其承載能力的因素進行敏感性分析，得出路基填筑高度對復合地基受力和沉降變形的影響最大。

褥墊層的存在有以下四個作用：（1）保證了樁、土間的共同作用；（2）使樁頂對基礎底面的作用力均勻分布；（3）改善樁、土豎向荷載承擔比例；（4）調節樁、土之間的水平荷載[6-7]。實際工程中各地區地質條件不同，復合地基受力情況也較為復雜，為更好地研究復合地基承載機理，優化地基設計處理，運用MIDAS GTS NX有限元軟件對CFG樁復合地基褥墊層進行數值模擬，分析了褥墊層厚度以及模量對復合地基承載特性的影響規律。

1 數值模擬

1.1 計算原理

某路基工程地基承載力較差，天然地基無法滿足建筑物的承載需求，需要對天然地基進行加固處理。經過各種方案比對，CFG樁復合地基能夠對其進行優化處理。復合地基沉降變形的有限元法是以連續介質力學為基礎，將連續體有規律的分割為有限個單元，通過分析單個或多個節點的力和位移變化，對整個結構的應力應變以及位移等進行分析。確定場地函數的節點值，將節點位移作為未知量，假設一個簡單的函數來近似模擬其位移分布規律，基于彈塑性理論原理建立節點力與節點位移之間的聯系，獲得節點位移作為未知量的代數方程，解得節點的位移分量，最后利用插值函數確定單元結合體上的場函數。解的精確程度會隨著單元尺寸的減小、單元數量的增加、自由度的增多以及插值函數精度的提高而增大，若單元收斂則近似解將無限趨近于精確解。單元剛度矩陣由虛功原理得到：{F}e={k}e{δ}e

其中{F}e為單元節點力矩陣；{k}e為單元剛度矩陣，{k}e=∫∫∫[B]T[D][B]dxdydz。

1.2 幾何模型及工況

為了能夠直觀全面的了解整個路堤對復合地基的作用形式，將路堤施工簡化為二維平面問題進行處理。某工程路面寬度為12 m，路堤坡度為1∶1.5，整個路堤分6層進行填筑，每層填筑厚度為1 m。建模時為消除邊界效應對路基的影響，將地基延伸10 m，地基寬度為40 m，高度為17 m。CFG樁長為10 m，樁徑為0.5 m，樁間距為1.5 m。土層以及CFG樁的物理參數見表1，其參數皆來自于地勘報告和經驗值。各土層采用摩爾-庫倫模型，CFG樁為彈性模型用1D梁單元進行模擬。生成網格采用自動-區域功能，生成混合網格，褥墊層通過尺寸控制細化區域單元網格的尺寸，建立邊界約束和重力荷載。CFG樁復合地基有限元模型與網格劃分見圖1。

表1 土層、樁的物理參數設置

圖1 路基模型

采用控制變量法分析褥墊層厚度和模量對路基沉降量和樁土應力比的影響，數值模擬工況見表2。施工步驟分為以下幾步：（1）開挖初始地應力平衡；（2）激活CFG樁和碎石褥墊層；（3）路堤填土分6層激活施工。其中某工況最終的沉降云圖見圖2，樁間應力見圖3，樁間土應力見圖4。

表2 墊層工況設置

圖2 復合地基的最終沉降云圖

圖3 樁身應力云圖

圖4 樁間土應力云圖

2 結果分析

2.1 褥墊層厚度的影響

用控制變量法模擬褥墊層厚度對路基填筑沉降量的影響，其他條件保持不變，設置褥墊層厚度的范圍為0～600 mm。圖5褥墊層厚度對路基沉降量的影響，可以看出不同工況下路堤的沉降量范圍為0～60 mm。設置褥墊層條件下的路基的沉降量低于無褥墊層條件下的路堤沉降，說明鋪設褥墊層可以有效減小路基沉降。在相同褥墊層厚度條件下，隨著上部荷載的增加，路基沉降量不斷增大；在相同上部荷載條件下，隨著鋪設褥墊層厚度的增大，其沉降量逐漸減小。當褥墊層厚度由100 mm增大至600 mm，路基沉降量變化率依次分別為9%、12%、17%、5%、7%。當褥墊層厚度小于400 mm時沉降量變化率隨著褥墊層厚度的增大而逐漸增大；褥墊層厚度達到400 mm時，沉降量的變化率達到最大值；當沉降量大于400 mm后，沉降量變化率隨褥墊層厚度的增加而減小。由此可以得出墊層厚度超過400 mm時，沉降量變化率不夠明顯。褥墊層對減小地基沉降具有一定作用，但并不是厚度越大其調節作用越明顯，需要在考慮到經濟效益和安全適宜的條件下，科學合理的設計褥墊層厚度。

圖5 不同墊層厚度對地基沉降的影響

圖6為不同褥墊層厚度對路基樁土應力比的影響，樁土應力比為樁頂應力與樁間土之間的應力比，不同工況下的樁土應力比范圍為0～6。從圖中可以看出在同一褥墊層厚度情況下，隨著上部荷載的增加，樁土應力比不斷增大。在相同上部荷載條件下，隨著褥墊層厚度的增大，樁土應力比逐漸減小。路基分層填筑施工完成后，當褥墊層厚度小于400 mm時，隨著褥墊層厚度的增大樁身應力比相差較大；當褥墊層厚度大于400 mm后，隨著褥墊層厚度的增加樁身應力比差別不明顯。由此可以得出墊層厚度超過400 mm后，褥墊層的增加對樁土應力比的減小作用在弱化。當褥墊層厚度較小時，樁土應力比較大，樁端刺入墊層會產生應力集中現象，使得樁土間承載力不能有效發揮。當褥墊層厚度逐漸增大，樁端有適當的上刺空間，從而調節樁土間應力比，使得樁土間承載力得以有效發揮。基于上述數值模擬結果，可以得出該工程較合理的褥墊層厚度為400 mm，在安全經濟的范圍內既能減小沉降量也能適當調節樁土應力比。

圖6 不同墊層厚度對樁土應力比的影響

2.2 褥墊層模量的影響

圖7為褥墊層模量對地基沉降的影響，可以看出在相同墊層模量條件下，隨著上部荷載的增大，地基沉降量不斷增大。在相同上部荷載作用下，隨著褥墊層彈性模量的增大，地基沉降量呈逐漸減小的趨勢，說明增大褥墊層彈性模量可以減小地基沉降量。增加墊層模量會加劇樁身應力集中的現象，則更多的荷載由樁體承擔，從而調節了樁土間荷載分擔，這時土體承擔荷載較小，因此沉降量隨之逐漸減小。路堤分層填筑施工完成后，當褥墊層模量由30 MPa增大至90 MPa，地基沉降量變化率分別為7%、11%、5%。當褥墊層模量小于70 MPa時地基沉降量變化率隨彈模的增大而增大；褥墊層模量達到70 MPa時，沉降量變化率達到最大值；當墊層模量大于70 MPa后，地基沉降量變化率最小。由此可以得出墊層模量超過70 MPa時，地基沉降量變化不再明顯，增大彈性模量對地基沉降的減小作用在弱化。

圖7 不同墊層模量對地基沉降的影響

褥墊層模量對樁土應力比也會產生一定影響，圖8是樁土應力比隨填筑土層和褥墊層模量變化的曲線。從圖中可以看出，在相同墊層模量下，樁土應力比隨著上部荷載的增大而增大；在相同上部荷載作用下，墊層模量越大樁土應力比越大。當褥墊層模量由30 MPa增大至90 MPa，四種工況下填筑完成后其樁土應力比變化率分別為14%、8%、3%。可以得出隨著褥墊層模量的增大，樁土應力比變化率在緩慢減小，當模量達到70 mm后，樁土應力比變化不再明顯，說明增大彈性模量對增大樁土應力比的作用在弱化。這是由于墊層模量越大，樁體向上部刺入量減小，導致褥墊層對樁間土體的擠密作用弱化，從而樁身承擔更多荷載，樁土應力比就越大。如果模量設置較大，會造成樁頂應力集中，容易引發樁在淺層發生鼓脹破壞；模量設置較小會增大地基沉降量，因此實際工程中需要根據地質條件來選擇墊層材料。由上述模擬結果可知，該工程褥墊層模量宜控制在70 MPa左右較為合理。

3 結 論

采用Midas/GTS建立了CFG樁復合地基的數值模擬，研究了褥墊層厚度和模量對地基承載特性的影響，以指導地基褥墊層設計，主要結論如下：

（1）隨著上部荷載的增大，CFG樁復合地基的沉降量呈增大的趨勢，樁土應力比也呈增大的趨勢。設置褥墊層能夠有效減小地基沉降量。

（2）在相同上部荷載條件下：褥墊層厚度越大沉降量越小，樁土應力比越大；褥墊層彈性模量越大，沉降量越小，沉降量樁身應力比越大。

（3）褥墊層厚度以及模量對復合地基的承載特性會造成較大影響，選擇合理的褥墊層參數有利于調節樁土荷載分擔比例，充分發揮地基承載性能，通過本次數值模擬工況分析，該工程褥墊層厚度宜取值為400 mm，模量宜取值70 MPa。