樁帽對CFG樁復(fù)合地基的影響

於程席 劉 鵬

中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

復(fù)合地基是天然地基經(jīng)過地基處理，使得部分土體被加強(qiáng)或者被置換后，形成的具有較高承載力的地基。天然土地基和加強(qiáng)部分經(jīng)過復(fù)雜的變形協(xié)調(diào)作用后共同承擔(dān)上部的荷載[1-2]。復(fù)合地基可以由天然的土地基、樁體以及碎石墊層組成[3]。復(fù)合地基的承載力一般由現(xiàn)場靜荷載試驗(yàn)確定，也可以采用經(jīng)驗(yàn)公式對復(fù)合地基承載力進(jìn)行估算[4]。由于復(fù)合地基是由樁、樁間土以及褥墊層共同作用承擔(dān)荷載，其受力條件比較復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者采用理論計(jì)算及數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了許多復(fù)合地基承載特性的研究，也取得了一些突破性的進(jìn)展[5]。

在復(fù)合地基的施工過程中，為了改善復(fù)合地基的承載特性，在設(shè)計(jì)中會在樁頂部設(shè)置樁帽[6]。本文先總結(jié)了復(fù)合地基承載力相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，這些經(jīng)驗(yàn)公式不能體現(xiàn)樁帽對復(fù)合地基承載力的影響；進(jìn)而通過理論研究樁帽對復(fù)合地基承載特性的影響，得到一些定性的結(jié)論；最后通過建立現(xiàn)場數(shù)值計(jì)算模型，分析有樁帽與無樁帽的CFG樁復(fù)合地基的承載特性的區(qū)別，并分析了樁帽的尺寸和強(qiáng)度對復(fù)合地基承載特性的影響。

1 工程概況

武漢智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試場一期競速區(qū)位于武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)東荊河河畔，距長江約2 km，賽道規(guī)劃用地面積約0.875 km2，設(shè)計(jì)速度為300 km/h，國際汽聯(lián)對賽道提出了1/2 000的平整度要求，遠(yuǎn)超高速公路的設(shè)計(jì)要求。項(xiàng)目工期要求緊，地基土層分布變化大，沉降控制非常嚴(yán)格，在此情況下，控制不均勻沉降是項(xiàng)目質(zhì)量控制的重點(diǎn)，根據(jù)上海賽車場的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合場地天然地基土層特征，場地工后沉降應(yīng)控制在15 cm以內(nèi)；同時，各種樁的樁端應(yīng)當(dāng)進(jìn)入較好的持力層，避免出現(xiàn)懸樁等不利于沉降控制的情況。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)路基填高和地質(zhì)條件的不同，將區(qū)域內(nèi)路基劃分為低填區(qū)、高填區(qū)及過渡段。低填區(qū)采用CFG樁進(jìn)行深層地基處理，樁間距設(shè)置為2.0 m，基本樁長16～18 m，樁頂設(shè)方形樁帽，尺寸為1.0 m×1.0 m，厚度0.3 m，樁徑為0.6 m，樁帽凈間距為1.0 m。CFG樁單樁承載力特征值不小于300 kN，復(fù)合地基承載力特征值不小于160 kPa，樁體強(qiáng)度為20 MPa。樁帽上方填筑厚20 cm碎石層，壓實(shí)后鋪設(shè)鋼塑土工格柵，隨后填筑碎石，并每隔20 cm設(shè)置1層土工格柵，直至路基頂面。

2 CFG樁復(fù)合地基理論分析

2.1 CFG樁復(fù)合地基作用機(jī)理

CFG復(fù)合地基的加固作用主要體現(xiàn)在以下2個方面：一是CFG樁體的置換作用，二是褥墊層的荷載傳遞和分擔(dān)作用。

CFG樁中的水泥、粉煤灰、水通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)后凝結(jié)硬化，生成不溶于水的結(jié)晶化合物，這些結(jié)晶延伸到碎石的縫隙中形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將原來的點(diǎn)-面結(jié)構(gòu)和點(diǎn)-點(diǎn)結(jié)構(gòu)的粗細(xì)骨料緊緊黏結(jié)在一起，極大地提高了樁體的彈性模量、剪切模量。在荷載的作用下，樁體的變形明顯小于樁間土的變形，這樣會使樁體承受的荷載大于樁間土的荷載，形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象，樁體承受了大部分的上部荷載，減少了樁間土承受的荷載。CFG樁樁體本身具有很強(qiáng)的黏結(jié)力，能夠承擔(dān)荷載作用，并不依賴樁周圍土體的約束，CFG樁的樁土應(yīng)力比一般為3～20[7]。

在CFG樁復(fù)合地基上部施加荷載后，由于樁體的強(qiáng)度大于褥墊層的強(qiáng)度，樁頂端會向褥墊層內(nèi)部移動，樁頂端褥墊層受到擠壓后會向周圍擴(kuò)散，褥墊層的擴(kuò)散作用使得樁間土與地基始終保持接觸，這種作用讓樁間土的承載力得到充分發(fā)揮，樁和樁間土共同承載的特性得到增強(qiáng)。此外，CFG樁復(fù)合地基中的應(yīng)力分布得到均勻化，地基的變形受力情況得到改善，地基的承載力顯著提高。由于樁間土的應(yīng)力提高，使得樁側(cè)摩擦力增大，樁體的承載力提高。

在CFG樁成樁過程中，由于水泥、粉煤灰和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，軟土中的水分也會加入反應(yīng)中，反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱并且會使軟土發(fā)生膨脹，對軟土起到擠密的效果。

2.2 CFG樁復(fù)合地基承載力計(jì)算

復(fù)合地基承載力的計(jì)算較為復(fù)雜，目前有一種方法是先分別計(jì)算樁的承載力和樁間土的承載力，然后根據(jù)一定的方法對這2種力進(jìn)行疊加，得出復(fù)合地基的承載力。采用這種方法需先引入面積比公式，即復(fù)合地基面積置換率（m）＝樁的橫截面積（Ap）與樁的加固面積（A）的比值，即如式（1）所示。

2.3 有樁帽與無樁帽CFG復(fù)合地基承載特性分析

當(dāng)無樁帽存在時，樁間土在載荷的作用下會發(fā)生壓縮變形，并且上部的壓縮變形往往大于下部。由于樁的彈性模量大，在上部載荷的作用下樁的頂部變形較小。樁的變形和樁間土的變形差異大，表現(xiàn)為樁刺入褥墊層。當(dāng)有樁帽存在時，樁、樁帽及樁間土共同承受上部的荷載，樁、樁帽及樁間土的變形差異很小。上部荷載很大一部分由樁帽直接承擔(dān)，樁帽下部的樁間土變形較小，樁帽一般不會刺入褥墊層。

有無樁帽時的復(fù)合地基如圖1所示。有樁帽的復(fù)合地基的總沉降量較無樁帽的復(fù)合地基總沉降量小，因?yàn)闃睹钡拇嬖谑沟脴冻袚?dān)了更多的上部載荷，而樁間土承受了較小的上部載荷，荷載由樁更多地傳遞到地基深部。

圖1 有樁帽和無樁帽復(fù)合地基示意

在荷載作用下無樁帽的復(fù)合地基的樁間土?xí)扔跇扼w達(dá)到屈服極限，當(dāng)樁間土達(dá)到屈服極限時，樁體僅發(fā)揮了其部分的承載力，導(dǎo)致復(fù)合地基的承載力未充分發(fā)揮。有樁帽的復(fù)合地基的樁體先于樁間土達(dá)到屈服極限，當(dāng)樁體達(dá)到屈服極限后，由于樁間土的承載面積很大，單位面積的樁間土僅需承受較小的載荷，因此有樁帽的復(fù)合地基承載力較好。

3 樁帽對復(fù)合地基影響的數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型與參數(shù)

通過查閱項(xiàng)目的地質(zhì)勘察資料和混凝土澆筑資料，獲取了地層、樁帽和樁體的參數(shù)，參數(shù)取值的準(zhǔn)確性較高。計(jì)算模型選用摩爾-庫侖模型，將各地層、樁帽和樁體假定為各向同性的彈塑性體。樁帽的混凝土強(qiáng)度等級為C30，其彈性模量為30 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3，黏聚力為3 MPa，內(nèi)摩擦角為50°；樁體的混凝土強(qiáng)度等級為C20，其彈性模量為25.5 GPa，泊松比0.2，容重23.5 kN/m3，黏聚力為2 MPa，內(nèi)摩擦角為45°；褥墊層的彈性模量為60 MPa，泊松比0.3，容重22 kN/m3，黏聚力為5 kPa，內(nèi)摩擦角為40°。CFG樁復(fù)合地基位于項(xiàng)目低填區(qū)，地層自上而下依次為黏土、粉土、粉砂。地層參數(shù)見表1，有樁帽的CFG樁復(fù)合地基數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

表1 地層參數(shù)

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

圖3 網(wǎng)格劃分模型

3.2 上部荷載作用下數(shù)值模擬結(jié)果分析

將ANSYS Workbench中處理完的網(wǎng)格模型通過ANAYS經(jīng)典界面導(dǎo)入Flac3D中進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果通過Tecplot軟件進(jìn)行后處理。先對有樁帽的CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行計(jì)算，上部荷載施加至200 kPa，再對無樁帽的CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行計(jì)算，上部同樣施加200 kPa的荷載。通過分析CFG樁的受力及樁間土的受力可知，樁帽的存在改善了樁間土的受力狀態(tài)，相應(yīng)地使CFG樁的受力增大，充分發(fā)揮了樁的承載作用，樁間土和CFG樁能夠共同承受上部荷載。樁帽在復(fù)合地基中能夠有效地改善復(fù)合地基的承載力，有樁帽的復(fù)合地基整體變形較小，施工中有必要進(jìn)行樁帽施工。

3.3 樁帽的尺寸對復(fù)合地基的影響

為了研究樁帽的尺寸對復(fù)合地基承載力的影響規(guī)律，選取樁帽尺寸為0.8 m×0.8 m、1.0 m×1.0 m、1.2 m×1.2 m、1.4 m×1.4 m、1.6 m×1.6 m進(jìn)行研究。數(shù)值模擬中保持其他參數(shù)不變，僅改變樁帽的尺寸，記錄樁頂位移以及樁帽下樁間土位移隨荷載的變化規(guī)律。樁頂位移變化如圖4所示，樁帽下樁間土位移如圖5所示。樁頂位移隨著樁帽尺寸的增大而增大，樁間土位移隨著樁帽尺寸的增大而減小。模擬結(jié)果說明樁帽尺寸越大，CFG樁所分擔(dān)的荷載量也越大，產(chǎn)生的位移變形也越大；樁間土所分擔(dān)的荷載越小，樁間土的位移變形越小。

圖4 樁帽尺寸對樁頂位移的影響

圖5 樁帽尺寸對樁間土位移的影響

3.4 樁帽混凝土的強(qiáng)度對復(fù)合地基的影響

為了研究樁帽混凝土的強(qiáng)度對復(fù)合地基承載特性的影響，選取樁帽混凝土強(qiáng)度等級分別為C20、C25、C30、C35、C40進(jìn)行研究，其他參數(shù)保持不變，僅改變樁帽混凝土的強(qiáng)度等級。記錄數(shù)值模擬結(jié)果中樁頂位移及樁間土的位移隨樁帽強(qiáng)度變化的規(guī)律，樁頂位移隨樁帽混凝土強(qiáng)度等級的變化如圖6所示，樁間土的位移隨樁帽混凝土強(qiáng)度等級的變化如圖7所示。樁帽混凝土的強(qiáng)度越大，樁頂位移及樁間土位移也越小；當(dāng)樁帽混凝土強(qiáng)度等級大于C30時，樁帽混凝土的強(qiáng)度對樁頂位移及樁間土位移的影響逐漸減小。樁帽混凝土強(qiáng)度等級在設(shè)計(jì)中需綜合考慮安全及經(jīng)濟(jì)因素。

圖6 樁帽混凝土強(qiáng)度對樁頂位移的影響

圖7 樁帽混凝土強(qiáng)度對樁間土位移的影響

4 結(jié)語

1）本文對武漢智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試場項(xiàng)目CFG樁復(fù)合地基是否需要設(shè)置樁帽進(jìn)行了理論分析及數(shù)值模擬研究。樁帽改變了復(fù)合地基樁及樁間土的受力和變形，實(shí)際工程中有必要進(jìn)行樁帽施工。

2）樁帽的尺寸越大，樁頂?shù)奈灰圃酱螅瑯堕g土的位移越小；樁帽混凝土的強(qiáng)度越大，樁頂位移及樁間土的位移越小，當(dāng)樁帽混凝土強(qiáng)度等級大于C30時，樁帽混凝土強(qiáng)度對復(fù)合地基的影響力變小。