CFG樁復合地基中樁帽的作用分析

曾小波 邱恩喜，2 陳利容

(1.中鐵二院，四川 成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

CFG樁復合地基中樁帽的作用分析

曾小波1邱恩喜1，2陳利容1

(1.中鐵二院，四川 成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

結合某客運專線工程實例，從CFG樁及樁間土的應力和沉降兩個方面對樁帽在CFG樁復合地基中的作用進行了數值模擬分析，得出了樁帽在CFG樁復合地基中的作用效果，以供參考。

CFG樁，樁帽，樁土應力，樁頂刺入量

1 概述

CFG樁是20世紀80年代末由中國建筑科學研究院地基所立題進行試驗研究，隨后成功應用于工程實踐，它是由水泥、粉煤灰、碎石或砂加水拌和形成的高粘結強度樁，最初在房屋建筑地基處理中應用最為廣泛；隨著CFG樁復合地基理論的不斷完善與高速鐵路(公路)建設需求，許多專家對其進行大量的研究，逐漸形成了比較系統的理論。近年來，CFG樁復合地基在鐵路、公路地基處理中得到大量推廣應用，已成為鐵路、公路地基處理的主要技術之一。

2 樁帽作用數值模擬分析

文獻[1][2]中指出，樁帽的存在能顯著減小樁頂刺入量，從而減小CFG樁復合地基的總沉降量；增大樁帽使得樁體承擔的荷載增加，從而樁體承擔的荷載得到集中，但當樁帽面積與單樁加固總面積的比值超過一定值后，增加樁帽對減小CFG復合地基樁頂刺入量和總沉降作用明顯減弱，因而，對于一定樁間距的復合地基存在一個最佳的樁帽尺寸。

本文將從樁土應力和沉降兩方面對樁帽在CFG樁復合地基中的作用，利用FLAC3D進行數值模擬分析，從而得出樁帽在CFG樁復合地基中的作用。

2.1 模型的建立

本文結合某客運專線工程實際情況，利用FLAC3D建立鐵路填土路基荷載作用下CFG樁復合地基三維模型，鐵路填土路基橫斷面如圖1所示。根據對稱性，CFG樁復合地基模型在線路縱向選取單排樁加固范圍；以路堤中心線為對稱軸，路堤橫斷面方向取半路基斷面建立模型。水平區域計算寬度自路堤坡腳起取1.5倍樁長范圍，樁端土計算深度取2倍樁長范圍。模型的左右兩側設置X方向的約束，前后兩側設置Y方向的約束。底面固定，表面自由邊界。建立的模型如圖2所示。

2.2 基本假定

本文在數值模擬過程中，采用如下基本假定：1)本構模型的選取：結合工程實際情況，樁、樁帽采用各向同性彈性模型；墊層、填料、樁間土及樁端土均采用摩爾—庫侖彈塑性模型。2)考慮樁土之間設置接觸面。3)土體按水平分層考慮，地基土層分為樁間土和樁端土。4)樁及樁帽根據面積等效換算為正方形。5)不考慮填土的分層填筑，填土荷載按一次性加載。6)基于文獻[3]研究成果，采用總應力法進行分析，不考慮土體的排水固結，不考慮復合地基在荷載作用下的固結效應，并認為土體在自重應力下固結已經完成。7)復合地基中網和褥墊層視為一整體，網的作用通過轉換，采用提高褥墊層參數的方法實現。

2.3 參數的選取

文中依據工點實際情況進行數值模擬，該工點地基采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，樁間距2.0 m，按正三角形布置。樁加固至強風化巖層頂面。路堤填土高度約5.0 m，樁頂鋪設0.6 m厚的碎石墊層，內鋪一層雙向土工格柵。

CFG樁復合地基模型參數取值如表1所示。

表1 基本參數表

2.4 計算結果分析

本文著重從樁土應力比、荷載分擔比及沉降方面分析樁帽在CFG樁復合地基中的作用。樁帽直徑分別取0.8 m,1.0 m,1.2 m,1.4 m，模擬不同的樁帽大小對CFG樁復合地基的影響。將數值計算結果進行整理，繪制成如圖3～圖7所示關系圖。

2.4.1 豎向變形分析

分析圖3～圖5可得：

1)樁間距一定時，當樁帽直徑從0.8 m增加到1.4 m，樁頂刺入量從16.6 mm減小到5.2 mm，樁底刺入量從17.2 mm減小到13.4 mm，總沉降量從86.2 mm減小到73.2 mm。隨著樁帽直徑的增大，樁頂刺入量、總沉降均顯著減小，樁底刺入量減小相對緩慢。由此可知，樁帽對減小樁頂刺入量和總沉降效果顯著。

2)圖5曲線表明，當樁帽直徑從0.8 m變化到1.4 m過程中，開始階段總沉降減小較快，但當樁帽直徑達到1.2 m以后，總沉降減小緩慢。由此表明，當樁帽尺寸增大到一定值后，繼續增加樁帽對減小復合地基沉降效果不佳。因此，對于一定的樁間距和荷載水平存在一個最佳樁帽尺寸，這與文獻[2]試驗結果吻合。本文計算工況下，當樁帽尺寸為1.2 m，即樁帽面積與單樁加固面積比為0.32時效果最佳。

2.4.2 樁土應力分析

繪制樁帽直徑與樁土應力比、荷載分擔比的關系如圖6和圖7所示。

分析圖6和圖7可得，當樁帽直徑從0.8 m增加到1.4 m，樁土應力比從7.6上升到13.6，樁體承擔的荷載從55%增加到91%。隨著樁帽直徑的增大，樁土應力比、樁體分擔的荷載均增加，樁間土分擔的荷載減少。由此可知，樁帽對于增大樁土應力比、增加樁體分擔荷載效果顯著。

3 結語

1)樁帽對于減小樁頂刺入量和總沉降量效果顯著。由于加設樁帽，增加了樁頂的剛性面積，使得樁頂分擔荷載的面積增大，從而樁體承擔的荷載增加，另一方面，剛性面積的增大，使得填土在樁間土上方容易產生土拱效應，樁間土分擔的一部分荷載可通過土拱效應向樁體轉移。因此，樁間土分擔荷載減小，沉降減小，另一方面，因為樁底端置于較好的持力層中，雖然樁體承擔的荷載加大，但由于持力層較好，同樣的荷載由樁體承擔比由樁間土承擔所產生的沉降小，這樣便充分利用了樁和樁端土的承載能力。其次，當樁體沉降較樁間土大時，樁體承擔的一部分荷載可通過樁帽傳遞給樁間土，迫使樁間土和樁一起下沉，樁間土的沉降量增大，這樣又充分利用了樁間土的承載力。

綜上所述，樁帽的作用是通過使樁間土承擔的荷載減小從而減小樁間土沉降量；充分利用樁體強度和較好的持力層來分擔路基填土更多荷載而不產生過大沉降量；當樁體沉降相對樁間土沉降較大時，樁體承擔的一部分荷載可通過樁帽向樁間土轉移，充分利用樁間土的承載能力，因此，樁帽起到一個調節作用，使得樁和樁間土共同沉降，充分發揮復合地基樁間土的作用。

2)調整樁土應力比及荷載分擔比例。由于設置樁帽以后容易形成土拱，可通過設置樁帽大小調整樁土應力比和樁土荷載分擔比例，從而可更好地根據工點沉降要求有針對性地進行設計計算。

3)對于一定的樁間距和荷載水平存在一個最佳樁帽尺寸。本文計算工況下，樁帽面積與單樁加固面積比為0.32時效果最佳。

[1] 芮 瑞．剛性樁加固軟土地基的路堤荷載傳遞機理與優化研究[D]．武漢：武漢理工大學博士學位論文，2007.

[2] 鄭也平．公路地基處理CFG樁樁帽作用效應試驗研究與設計計算方法[J]．福建技術，2007(11)：60-62.

[3] 李國維，楊 濤．柔性基礎下復合地基樁土應力比現場試驗研究[J]．巖土力學，2005，26(2)：65-69.

The role analysis on pile cap in CFG pile composite foundation

ZENG Xiao-bo1QIU En-xi1,2CHEN Li-rong1

(1.China Railway Eryuan, Chengdu 610031, China; 2.Civil Engineering College, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Combining with a passenger dedicated line engineering examples, from the stress and settlement of CFG foundation pile soil two aspects made numerical simulation analysis on CFG pile composite foundation, gained the effect of pile cap in CFG pile composite foundation, for reference.

CFG pile, pile cap, pile soil stress, pile cap penetration

1009-6825(2014)18-0063-02

2014-04-13

曾小波(1981- )，男，工程師； 邱恩喜(1981- )，男，高級工程師，在讀博士后； 陳利容(1983- )，女，工程師

TU473.1

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