褥墊層剛度對CFG 樁復合地基的樁土應力比影響規律研究

任志勇

（湖南教建集團有限公司,湖南 長沙 410013）

引言

近些年，CFG 樁復合地基加固處理技術在我國的建筑、公路及鐵路等領域得到了廣泛應用[1]。樁土應力比是復合地基工作狀態協調關系的反映，許多學者對復合地基樁土應力比的影響因素開展了研究，如Ata等[2]利用ABAQUS 研究了褥墊層厚度、樁徑、樁長對復合地基樁土應力比的影響。褥墊層在復合地基中起核心調整作用，合理的褥墊層設計可改善荷載傳遞關系，調節樁土荷載分配，從而起到充分發揮樁間土承載能力的作用[3]。國內外學者針對褥墊層對樁土應力比影響規律進行大量研究。周愛軍等[4]開展現場試驗并結合數值模擬試驗數據對比研究，分析了不同褥墊層厚度和變形模量剛性樁復合地基樁土應力比的影響規律。芮瑞等[5]基于模型試驗和DEM 數值正交試驗，提出了褥墊層協調性能評價指標并建議按相對厚度控制褥墊層參數。褥墊層對復合地基工作特性影響復雜，有必要針對不同樁間土和褥墊層模量對樁土應力分配規律的影響開展進一步研究。本研究結合CFG樁復合地基模型試驗和三維數值模型研究不同樁間土體和褥墊層彈性模量參數對CFG 樁復合地基樁-土應力的影響規律，以期為CFG 樁復合地基的設計提供參考。

1 模型試驗

1.1 模型試驗簡介

以長沙某建筑的地基處理工程為背景，根據試驗條件選定相似常數為15 來制作CFG 模型樁。CFG 模型樁樁徑為53 mm，樁長為1 m，梅花型布樁，樁間距為160 mm，樁身混凝土強度等級為C20。

在樁間土和樁頂表面共布設三個高精度土壓力盒傳感器進行測量樁間土和樁頂的應力，土壓力盒布置見圖1。本次采用200 kN 數控液壓作動器進行試驗，采用慢速維持加載法分級加載，共加載八級，每級加載25 kPa。在加載過程中每隔15 分鐘記錄一次沉降數據，當沉降達到相對穩定之后再進行下一級加載。

圖1 樁體及土壓力盒布置示意（單位：mm）

1.2 模型試驗結果分析

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

圖2 樁土應力比隨荷載變化曲線

2 有限元數值模型

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，材料參數見表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，研究樁土荷載分擔的變化規律。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）。

表1 材料參數

2.2 模型驗證

由圖3 可知，樁土應力比隨荷載變化先上升后下降最后趨向于穩定，數值計算結果和模型試驗結果整體變化規律基本一致。說明本研究所建立的數值模型較合理，可用來研究不同因素對樁土應力比變化規律的影響。

圖3 有限元計算與模型試驗結果對比

2.3 模型試驗設計工況

為進一步研究樁間土體與褥墊層的參數變化對樁土應力比的影響，分別改變樁間土體以及墊層參數，研究分析參數波動對CFG 樁復合地基樁土應力變化的影響。以表1 材料參數為基準工況（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行研究參數對樁土應力比的影響，共設置25 種不同工況，具體工況見表2。

表2 數值計算工況

3 計算結果分析

3.1 褥墊層彈性模量對樁土應力比的影響

由圖4 可知，在加載初期，樁土應力比較小，隨著荷載的不斷增加，樁土應力比先上升后下降，最終穩定在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上部荷載；隨著荷載不斷增加，褥墊層材料不斷移動補充到樁間土中，樁間土承載作用逐步發揮，樁間土應力逐步增大并趨于穩定，樁土應力比開始減小最后趨于穩定。

圖4 不同褥墊層彈性模量隨荷載變化曲線

由圖5 可知，樁土應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樁- 土應力的影響小于高樁間土體彈性模量，而過高的褥墊層彈性模量會影響褥墊層的流動調節能力，導致樁間土的承載能力不能充分發揮，最終對樁- 土應力的影響不大。

圖5 不同樁間土體工況下褥墊層模量對樁土應力比的影響（P=200 kPa）

3.2 樁間土體彈性模量對樁土應力比的影響

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定，樁土應力比穩定在5.04～6.13。樁土應力比隨著樁間土體彈性模量增加呈下降趨勢，表明樁間土體的彈性模量越高，樁間土體的承載性能越好，樁間土所能分擔的荷載越大，樁體分擔的荷載減小，樁土應力比變化下降。

圖6 不同樁間土體彈性模量隨荷載變化曲線

由圖7 可知，樁間土體彈性模量從20 MPa 增至40 MPa 時，五種不同工況褥墊層彈性模量的樁土應力比降低了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樁土應力比的影響不同，樁間土體彈性模量較低時的樁土應力比變化幅度小于樁間土體彈性模量較高時的。隨著樁間土體彈性模量變化，褥墊層彈性模量越高，樁土應力比出現拐點快速下降時所對應樁間土體彈性模量越大。表明樁間土體彈性模量較高時，褥墊層彈性模量的相應提高，樁間土的承載能力才能充分發揮。

圖7 不同褥墊層工況下樁間土體模量對樁土應力比的影響（P=200 kPa）

因此，選取褥墊層彈性模量時要充分考慮褥墊層和樁間土體彈性模量之間的適配關系以及二者相互作用對樁土應力比的影響，從而滿足合理經濟效益。

4 結論

本研究通過室內模型試驗和數值模擬的方法，研究了褥墊層彈性模量變化對CFG 樁復合地基樁土應力比的影響規律，得到以下結論：

（1） 樁土應力比隨荷載增加先上升后下降并趨于穩定，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彈性模量較大的樁間土體影響顯著，對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提高褥墊層彈性模量，從而保證樁體的承載能力充分發揮。