CFG樁復合地基在超高層建筑中的應用

摘 要：探究CFG樁復合地基在超高層建筑中的應用對提高地基的承載能力和穩(wěn)定性，保障超高層建筑的安全性和保證耐久性至關(guān)重要。本文采用數(shù)值模擬方法，探究了超高層建筑CFG樁復合地基褥墊層厚度和變形模量、樁長以及置換率對樁土應力比的影響。結(jié)果表明，隨著荷載、樁長、樁長徑比以及褥墊層變形模量的增加樁土應力比逐漸增加，隨著褥墊層厚度和置換率增加，樁土應力比逐漸降低，在實際工程中，建議褥墊層厚度取150mm～400mm，此外，樁體存在有效樁長，當樁長徑比大于40后，樁土應力比趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：CFG樁；復合地基；超高層建筑；樁土應力比

中圖分類號：TU 47" " 文獻標志碼：A

隨著城市人口數(shù)量的不斷增加，土地資源日益緊張，在此背景下，超高層建筑逐漸興起[1]。超高層建筑的特殊性質(zhì)和建筑高度對地基承載力提出了更高的要求。CFG樁因其高承載能力、穩(wěn)定性和可控性，廣泛應用于地基工程中[2]。然而，仍須進一步探索CFG樁在超高層建筑中的應用情況。

目前，已經(jīng)有多位學者針對CFG樁在超高層建筑中的應用進行相關(guān)研究，周圣斌等[3]采用CFG樁復合地基方案，解決了超高層建筑軟弱下臥層承載力不足和高層建筑沉降的問題。鄧日海等[4]采用筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，成功運用CFG樁復合地基，并用靜載試驗表明，地基承載力滿足設計要求，建筑物沉降穩(wěn)定，平均沉降量為45.16mm。張麗華等[5]提出了一種針對高層、超高層建筑，采用CFG樁復合地基的沉降全過程安全控制方法，并證明其在實際工程中具有安全控制效果。

在現(xiàn)有研究中，關(guān)于不同因素對樁土應力比的影響研究較少，基于此，本文對不同褥墊層、樁體以及置換率參數(shù)對樁土應力比的影響進行研究，研究成果有助于推動城市建設發(fā)展和地基工程技術(shù)進步。

1 工程概況

本研究依托某超高層建筑工程項目，該建筑地下1層，地上35層，建筑總層高108.6m，屬于超高層建筑。該建筑采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為-6.4m，建筑場地復雜程度為二級，地基等級為二級。建筑場地較為平坦，土層主要有素填土層、粉質(zhì)黏土層、粗砂層，經(jīng)計算天然地基承載力不滿足設計要求，因此采用CFG樁復合地基。

2 數(shù)值模型與材料參數(shù)

依托實際工程概況建立數(shù)值分析模型，單樁模型能夠更精細地考慮復合地基系統(tǒng)中樁的幾何形狀、材料性質(zhì)以及與周圍土體的相互作用，因此本研究采用單樁模型進行分析。模型計算范圍選取樁體的四分之一及樁間土復合地基的一半，在水平方向上取2倍載荷板寬度，在豎直方向上，取2倍的樁長。采用三節(jié)點單元對模型進行網(wǎng)格劃分，對樁頂及樁端部位進行局部網(wǎng)格加密，在網(wǎng)格劃分完畢后，共有節(jié)點數(shù)3180個，單元數(shù)6162個。在模型底部約束豎向及水平位移，模型兩側(cè)約束水平位移，將模型頂面設置為自由邊界。模型包括土層、樁體、墊層以及承臺4個部分，模型示意圖如圖1所示，數(shù)值模擬材料物理力學參數(shù)見表1。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 褥墊層厚度的影響

由圖2可知，在相同褥墊層厚度條件下，CFG樁復合地基樁土應力比隨著荷載增加逐漸增加。因為施加的荷載會引起地基土的壓實和應力傳遞，所以在初始階段，當荷載施加時，CFG樁會承受一部分荷載，并將其傳遞到地基土中，地基土在受到荷載作用后會逐漸壓實，使其密度增加，同時地基土顆粒之間的摩擦力也會增加，從而提高了地基土的抗剪強度，進而土體應力比增加。此外，以褥墊層厚度為800mm為例，荷載由100kPa依次增至600kPa，每增加100kPa，樁土應力比的增加幅度分別為8.8%、4.7%、3.9%、2.4%和0.5%，表明隨著荷載的持續(xù)增加，樁土應力比的變化幅度變小并趨于穩(wěn)定。不同荷載及褥墊層厚度下樁土應力比變化如圖2所示。

從圖3中可以看出，隨著褥墊層厚度增加，樁土應力比逐漸降低，褥墊層可以分散并分擔施加在樁頂?shù)暮奢d，減輕了樁身下部土體所承受的荷載。褥墊層通常是一種比較松軟的土層或軟弱的地基材料，其較低的抗剪強度和較大的變形特性能夠吸收和分散荷載，從而減少上部土體的應力，即應力比降低。褥墊層厚度由0mm依次增至500mm，每增加100mm，樁土應力比的降低幅度依次為27.86%、16.57%、4.88%、1.99%和0.99%，表明隨著褥墊層厚度增加，樁土應力比的降低幅度逐漸變小，在褥墊層厚度增至一定程度后，樁土應力比基本趨于穩(wěn)定。褥墊層厚度過大，可能會導致地基穩(wěn)定性較差，厚度過小，分散荷載的能力較差且無法提供足夠支撐，導致地基沉降，因此建議褥墊層厚度取值為150mm～400mm。

3.2 樁長的影響

觀察圖4可知，在相同荷載作用下，隨著樁長增加，樁土應力比增加，因為長樁在荷載作用下能夠?qū)⒑奢d傳遞至更深的穩(wěn)定土層，所以土層的壓縮變形降低，土層的剛度增加，使地基系統(tǒng)整體的剛度增強，荷載通過長樁傳遞到地下的應力比短樁或沒有樁的情況更加集中，從而使樁土應力比增加。此外，樁長越短，隨著荷載的變化，樁土應力比增加幅度越小，短樁的剛度相對較低，導致其承受荷載時產(chǎn)生較大的變形和位移，而較長的樁則具有更高的剛度，能夠更有效地抵抗荷載引起的變形，因此較短的樁更容易受到荷載的影響，樁土應力比增加幅度較小。

由圖5可知，樁長徑比與樁土應力比呈現(xiàn)正比關(guān)系，在樁長徑比大于40后，樁長徑比增加，樁土應力比變化不明顯。樁長徑比越大，樁體更加細長，傳遞荷載時，能夠?qū)⒑奢d分散至更大范圍的土體中，導致單位長度內(nèi)的荷載傳遞面積增加，進而使樁土應力比增加。然而，當樁長徑比大于40后，樁長徑比增加不會顯著改變樁土應力比，因為此時樁體已經(jīng)相對足夠細長，土體的應力響應已趨于穩(wěn)定，所以樁土應力比不會有顯著變化。

3.3 置換率的影響

觀察圖6可知，隨著置換率增加，樁土應力比逐漸降低。改變樁徑及承臺直徑均能控制置換率變化，其中，改變樁徑，樁土應力比呈現(xiàn)先降低后穩(wěn)定的趨勢，樁土應力比降幅為20.08%；改變承臺半徑樁土應力比的降低速率更快，降幅為29.84%，表明與改變樁徑相比，改變承臺半徑對樁土應力比的影響更加顯著。承臺半徑的變化會直接影響復合地基系統(tǒng)的剛度分布，當增加承臺半徑時，承臺的剛度增加，導致樁頂和承臺之間形成更大的剛性聯(lián)系，從而使樁與承臺之間的相互作用更強烈。

3.4 褥墊層變形模量的影響

從圖7可以看出，樁土應力比隨著褥墊層變形模量增加呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢，褥墊層變形模量小于200MPa，變形模量增加對樁土應力比的影響較為顯著，在褥墊層變形模量大于200MPa后，樁土應力比無明顯變化。當褥墊層的變形模量較小時，相對較柔軟，因此承受荷載時容易發(fā)生較大的壓縮變形，導致樁土應力比逐漸增加。然而，當褥墊層的變形模量大于200MPa時，其剛性較大，能夠更有效地分擔荷載，從而減少了對樁土應力比的直接影響，因此樁土應力比趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本研究采用數(shù)值模擬方法對CFG樁復合地基中褥墊層厚度和變形模量、樁長、長徑比以及置換率對樁土應力比的影響進行研究，得出以下結(jié)論。1）在相同褥墊層厚度條件下，樁土應力比隨著荷載增加而增加且幅度逐漸降低，隨著褥墊層厚度增加，樁土應力比逐漸降低并趨于穩(wěn)定，因此建議褥墊層厚度取150mm～400mm。2）樁長越長，樁土應力比越大，樁長越短，隨著荷載的變化，樁土應力比的增幅越小。樁長徑比與樁土應力比呈現(xiàn)正比關(guān)系，樁體存在有效樁長，在樁長徑比大于40后，樁土應力比變化不明顯。3）隨著置換率增加，樁土應力比逐漸降低，與改變樁體直徑相比，樁土應力比受承臺半徑變化的影響更加顯著。褥墊層變形模量小于200MPa，變形模量增加使樁土應力比顯著增加，在褥墊層變形模量大于200MPa后，樁土應力比趨于穩(wěn)定。

參考文獻

[1]黃銘楓，王淳禾，林巍，等.基于優(yōu)化準則法與粒子群算法的超高層建筑抗風性能設計優(yōu)化[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2023，44（5）：58-67.

[2]廖德祥.CFG樁復合地基樁土應力比影響因素分析[J].科技創(chuàng)新導報，2009（5）：42.

[3]周圣斌，孫訓海.某超高層建筑采用CFG樁復合地基協(xié)同作用分析[J].武漢大學學報（工學版），2020，53（增刊1）：196-199.

[4]鄧日海，羅鐵生.CFG樁復合地基在某超高層建筑中的應用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43（8）：92-96.

[5]張麗華，于曉東，牛芩濤.高層建筑CFG樁復合地基沉降的全過程安全控制[J].煤炭工程，2006（10）：38-40.