CFG樁復合地基的變形和破壞機理

摘要：在高層建筑建設過程中，對于CFG樁復合地基進行加固時，往往由于加固效力不強使得建筑物出現復沉、復傾，為了保障高層建筑的穩定性，以洛陽市瀍河區中窯村棚戶區改造項目（三期）安置房建設工程為例，借助有限元分析軟件ABAQUS，通過采用大直徑樁進行托換加固，對CFG樁復合地基的加固前后應力應變變化和止沉糾偏情況進行研究。研究發現：大直徑樁對于止沉前后過程中的CFG樁應力會起到約束作用，約束程度與其和大直徑樁的距離有關。在糾傾回傾過程中，靠近地基應力和CFG樁受力情況，均在靠近大直徑樁的一側呈現明顯減小趨勢，進一步表明大直徑樁加固下的CFG樁復合地基具有顯著的抗變形能力。

關鍵詞：CFG樁；加固；約束；應力

0" "引言

相對普通民用建筑，高層和超高層建筑需要承受更高的荷載和更大的基礎底面壓力，因此在建設過程中需要應用強度更高、整體性相對更好的地基 [1-3]。CFG樁復合地基因其良好的整體性，和對不均勻沉降具備一定的調節性，在高層超高層建筑中得到了較為廣泛的應用。但在實際的建設過程中，CFG樁復合地基可能出現局部的承載能力不足現象，進而使得地基產生局部變形，對建筑物的穩定性產生極大危害[4]。

目前，對于復合地基中產生的此種局部承載能力不足現象，往往采用地基加固的方式增大其局部承載能力，具體為采用錨桿靜壓樁和微型樁進行樁式托換。二者相對其他方式的地基加固措施，具備造價低、便于施工等優點。為了驗證錨桿靜壓樁和微型樁托換加固下的復合地基的承載能力的相對提高，不少學者對樁式托換下的復合地基變形和破壞特征進行了研究。

胡天喜[6]針對深厚的軟黏土地基，對其在錨桿靜壓樁托換技術下的建筑物沉降特征進行研究，并對樁式托換技術進行總結歸納，發現錨桿靜壓樁托換，對于軟黏土地基中建筑物的止沉具有較好的效果。陳國政[7]以陜西省西北橡膠廠露天跨柱基為例，對其采用的樁式托換地基加固技術，分別從地基加固效果、柱基糾偏程度和施工造價成本進行了研究，發現加固后的地基總體受力性能良好，表明加固的實際效果較好，且最終的施工造價成本均在可控范圍內。

雖然眾多學者對樁式托換加固下的復合地基的受力和變形進行了不少研究，卻鮮有研究從CFG樁復合地基的角度出發。采用錨桿靜壓樁和微型樁進行的樁式托換，往往由于樁直徑較小，導致其無法滿足對高層超高層等高荷載的建筑物承載能力要求。本文以洛陽市瀍河區中窯村棚戶區改造項目（三期）安置房建設工程為依托，通過采用大直徑樁進行托換加固，對CFG樁復合地基的加固前后應力應變變化和止沉糾偏情況進行研究，為高層建筑下CFG樁復合地基的加固處理提供一定的參考依據。

1" "工程概況

洛陽市瀍河區中窯村棚戶區改造項目（三期）位于洛陽市瀍河區瀍澗大道與班家街交叉口東側100m路北，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，包含26層住宅9棟、3層幼兒園1棟、3層社區服務中心1棟。其中住宅樓地上26層，地下2層，鋼筋混凝土筏板基礎，剪力墻結構。

考慮到該項目場地的濕陷類型為非自重濕陷性黃土場地，且地基的濕陷等級為Ⅰ級～Ⅱ級，為了提高地基承載力，項目通過采用“剛柔性組合型樁復合地基處理非自重濕陷性黃土施工工法”進行地基加固處理。

采用CFG樁與素土擠密樁進行地基加固處理，先施工素土擠密樁，再施工CFG樁。其中CFG樁直徑為400mm，樁長21m，樁頂在第 3 層黃土狀粉質黏土，承載力特征值為125kPa。以第7層黃土狀粉質黏土為樁端持力層，CFG樁端進入第7層不小于1m。素土擠密樁成孔直徑400mm，夯實后500mm，樁頂在第3層黃土狀粉質黏土。素土擠密樁采用正三角形布置，樁間距1000mm，素土擠密樁成孔樁長15.0m。

CFG樁采用長螺旋鉆機成孔，混凝土輸送泵泵壓混凝土成樁，混凝土的強度等級為C20。經現場試驗檢測，確認消除了該建筑場地的濕陷性，地基承載力滿足設計要求。

2" "研究方法

為了研究大直徑樁進行托換加固下CFG樁復合地基的加固前后應力應變變化和影響特征，采用ABAQUS有限元軟件按照實際構造情況、施工順序等實際工況進行研究分析。

本次研究的CFG樁復合地基，其建模大小與實際大小按1：1進行確定。本文對其地基基礎的頂部標高取-9.53m，底部標高取-10.68m，基礎邊長為3700mm。其中CFG樁直徑取400mm，樁長與實際相同為21m。隨后按實際情況，確定材料性質、單元參數和荷載邊界條件，并進行網格劃分，得到整體結構網格模型如圖1所示。其中設置的主要土層參數如表1所示。

3" "結果分析

3.1" " 止沉前的復合地基受力分析

為了動態分析大直徑樁對具有一定傾斜程度高層建筑的應力應變特征，本文將模擬過程分為2個階段進行分析，分別為止沉前CFG樁復合地基受力情況分析和止沉過程中CFG樁復合地基受力情況分析。根據模擬結果，得到止沉前CFG樁復合地基中1～19排樁的受力分布情況如圖2所示。

為了反映地基應力的分布情況，根據模擬的結果，繪制如圖3所示的止沉前復合地基的應力分布情況。

通過圖2可以看出，在建筑止沉前，CFG樁中各處排樁受力分布總體上呈現V字型分布。其中中間位置的樁受力偏大，第10排樁受力最大，而兩頭位置處受力較小。由此可以推測，1～8排樁產生的沉降量較大，且在端部位置沉降量應為最大，因而使得此處位置的樁受力較小，產生不均勻沉降，造成局部失穩狀態。

結合圖3可以看出，第1排樁中的地基應力最大，并往后依次遞減，驗證了上述的推測。從各排樁的受力分布情況可以看出，第10排樁受力最大，存在應力集中現象，對于傾斜建筑物存在一定的影響。

3.2" " 止沉中的復合地基受力分析

對于止沉過程中CFG樁復合地基受力情況分析，本文分別統計各排樁止沉前和止沉后的受力情況，取其平均值作為止沉過程中的CFG樁復合地基受力情況，并將結果繪制成圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，在使用大直徑樁進行止沉后，各排樁受力分布情況具體表現為，距大直徑樁越近的CFG樁受力減小程度越大。其中第1排樁減小程度最大，而受力減小量隨著樁號的上升呈現出減小的趨勢，第13排樁受力變化量為0。之后14～19排樁受力變化則呈現出遞增的趨勢。其可能原因在于，大直徑樁加固使得CFG樁復合地基中發生了力的重新分配，因此導致遠距離下的CFG樁受力增加。

圖5所示為止沉過程中的地基應力分布情況。從圖5可以看出，隨著樁號和距大直徑樁距離的增大，地基應力呈現出減小的趨勢，至第8排樁時，地基應力達到最小。此時對應CFG樁受力則相對達到最大值，之后地基應力逐漸增大，區域穩定。此現象表明在使用大直徑樁進行高層建筑止沉，地基應力會表現出減小的特征，并在中間位置減小幅度最大。

3.3" " 大直徑樁糾傾受力分析

為使模擬糾傾過程與實際糾傾過程吻合，在回傾過程中分別取傾斜率為5‰、4‰、3‰、2‰、1‰的數據，并根據模擬結果繪制出如圖6所示的大直徑樁在不同傾斜程度下的受力分布情況。

從圖6可以看出，在整個糾傾過程中，大直徑樁的受力總體上呈現出先減小后增加的趨勢。對比不同的建筑物傾斜程度，大直徑樁則表現出隨著傾斜程度的增大，樁的受力會呈現增大的趨勢，反之亦然。

為了全面分析大直徑樁糾傾受力情況，結合糾傾過程中CFG樁復合地基的應力分布情況進行分析，并繪制了如圖7和圖8所示的不同傾斜率下各樁及地基應力變化情況。

從圖7中可以看出，在整個糾傾過程中，隨著傾斜率的減小即回傾程度的增大，第1至第6排樁的受力逐漸減小，且減小幅度與大直徑樁的距離成正比，到底6排樁時變化量為0。之后則表現出距離大直徑樁越遠，受力會逐漸增加。根據各樁受力分布情況分析認為，CFG樁所受的力在止沉過程中被大直徑樁分擔，使得在傾斜率較低的情況下受力也較為穩定。

結合圖8的地基應力分布情況可以看出，在高層建筑糾傾過程中，隨著傾斜率變化，地基應力與各樁受力情況基本相當，且距大直徑樁較近的應力表現為減小趨勢，而遠離的則呈現出應力增大趨勢，佐證了上述結論。

4" "結論

本文以洛陽市瀍河區中窯村棚戶區改造項目（三期）安置房建設工程為例，通過采用大直徑樁進行托換加固，對CFG樁復合地基的加固前后應力應變變化和止沉糾偏情況進行研究，并得出了如下結論：

止沉前CFG樁中各處排樁受力分布總體上呈現V字型分布，第10排樁中受力最大，因此存在應力集中現象，對于傾斜建筑物存在一定的影響。

止沉中各排樁的受力會有不同程度的減小，減小幅度主要與大直徑加固樁的距離有關。糾傾過程中，各樁的受力情況和地基應力均表現出靠近大直徑樁的一側減小，遠離大直徑樁的一側增大趨勢。

參考文獻

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