CFG 樁復合地基有限元分析

潘宏鑫

(寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川750021)

當天然地基不能滿足上部結構對承載能力的要求時，應該考慮改善和提高天然地基的承載能力，以滿足現代高層建筑對地基承載能力的需求。復合地基(composite foundation)指部分土體被增強或被置換形成增強體，由增強體和周圍地基土共同承擔荷載的地基。 在國內外建筑工程地基處理中采用復合地基的比較多，即使在地質條件較好的工程情況下，為了達到承載能力和經濟適用的要求，材料樁逐漸被工程師們在實際工程中所使用。 作為材料樁的一種，CFG 樁已經廣泛應用我國建設工程項目之中，只是在計算理論方面存在著落后于實踐工程的問題，還有待于工程師們在這方面多做一些研究分析。

CFG 樁(cement-flyash-gravel pile)是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌合形成高黏結強度樁，并由樁、樁間土和褥墊層一起組成復合地基的地基處理方法。 具有施工便利、操作方便、污染小、工程造價較低等優點， 逐漸地被工程師們在我國建設工程之中所采納。

在本文中，對CFG 樁復合地基采用有限元數值模擬分析，結合銀川地區具體工程實例，分析了理論和實際值之間存在的差異，為銀川地區在實際工程中采用CFG 樁復合地基提供一些合理的參考。 目前銀川地區采用CFG 樁復合地基處理技術缺乏理論和試驗依據， 只能是參照行業標準《建筑地基處理技術規范》所給出的承載力、沉降進行計算分析。

1 工程實例

寧夏銀川市某商業廣場位于銀川市金鳳區， 其Ⅱ-6# 住宅±0.00標高為1114.20m， 基礎底標高為1107.20m， 基礎與CFG 樁之間做300mm 厚的砂石墊層，總建筑面積27500㎡，總高度99m，框架剪力墻結構，地上32 層，地下1 層，基礎埋深7m，使用筏板基礎。 綜合考慮，采用C25 素混凝土的樁體材料，設計樁長為11m，樁直徑為400mm，樁的布置為正三角形布樁其樁間距1.2m，面積置換率為0.10，總樁數1248 根，經過處理后，設計要求應具有不小于520kPa 的復合地基承載力特征值。

工程區域位于銀川市區，場地較為平坦，屬銀川平原的中部，由于“喜山”構造運動使得鄂爾多斯地臺和賀蘭山褶皺帶相對上升，形成一種“銀川地塹”現象，場區地貌單元屬于Ⅱ級階地的黃河沖積平原。 根據現場鉆孔揭露的情況，表面淺層為素填土，其較深處為第四系黃河黃河沖積及湖積地層，主要以黏性土、砂土為主，其自上而下分為：第①層是雜填土(Q4m1)：成分復雜，雜色，以建筑垃圾、粉細砂、生活垃圾為主，稍濕，松散。 其層厚0.40—6.60m，平均厚度1.85m。 不宜用作基礎持力層，應當挖除。第②層素填土(Q4m1)：以粉土、粉細砂、粉質黏土為主，黃褐及灰褐色，含炭質、煤屑、石灰渣、碎骨、植物根莖及有機物等雜質，可塑，稍濕，稍密，屬于老填土，為中、高壓縮性土。 其層厚在0.80—5.90m 之間，平均厚度2.60m。 承載力特征值fak是120kPa，彈性模量E 是8.35MPa。第③層粉質黏土(Q4a1+1)：以粉質黏土、黏土為主，偶見藍色條紋,灰褐及黃褐色，土層具有光澤反應，干強度、韌性高，土質均勻性較差，呈可塑狀態，屬中等壓縮性土。 其層厚在0.50—5.00m之間， 平均厚度1.25m。 承載力特征值fak是200kPa， 彈性模量E 是8.50MPa。 第④層粉土(Q4a1+1)：以粉土為主，黃褐色，稍濕—很濕，稍密—密實，韌性、干強度低，土質較為均勻，屬中壓縮性土。 其層厚在0.50—3.00m 之間，平均厚度1.35m。 承載力特征值fak是180kPa，彈性模量E 是9.55MPa。 第⑤層粉細砂(Q4a1)：鉆孔過程中都揭露了這層，上部以粉砂為主，黃褐色，細砂次之，稍濕—飽和，局部松散、密實，屬中性壓縮、低壓縮性土層；中部為細砂，黃綠色，密實；下部以細砂為主，灰色，粉砂次之，飽和，密實，隨著深度的增加，密實度也在增加，屬低壓縮性土層。顆粒成分以長石、石英為主，其中還含有云母及暗色礦物， 其顆粒結構均勻， 分選性較好。 鉆頭未穿透此層， 揭露厚度在35.50—39.60m 之間。 承載力特征值fak是300kPa， 彈性模量E 是26.00MPa。

2 CFG 樁復合地基有限元分析

運用有限元計算分析CFG 樁復合地基，其中ANSYS 軟件中參數的設置應符合實例， 樁身和土體均采用六面體8 節點單元SOLID45實體單元，采用Drucker-Prage 屈服準則，樁為線彈性本構模型，土體為Drucker-Prage 材料本構模型， 剛性目標在接觸上為170Targel 單元，接觸面為173Targel 單元。 在劃分單元時，樁體和褥墊層網格劃分較密，土體網格劃分相對較疏，模型劃分后計算網格單元23223 個、節點總數27887 個。模型底面假定為固定邊界，無變形，模型的兩對稱面進行相應對稱約束，側面無水平位移，表面為自由邊界。

本工程CFG 樁復合地基樁間距為1.2m 的正三角形方式布置樁，采用直徑為1260mm 的圓形承壓板進行現場試驗，假定荷載均勻的分布在基礎上，荷載的作用方向與基礎面相垂直，按照設計要求CFG 樁復合地基承載力特征值520kPa 的2 倍，分8 級進行逐級加載分析，即施加在作用面的荷載順序為：130—260—390—520—650—780—910—1040kPa。

3 CFG 樁復合地基性狀分析

根據具體工程案例現場試驗所測得數據，有限元計算成果與之對比分析，得出有限元建模分析CFG 樁復合地基是否合理可行，模擬分析不同因素影響下的CFG 樁復合地基的基本性狀。

3.1 荷載的影響

根據實例現場試驗測得CFG 樁復合地基沉降數據， 選取3 個#試驗點，進行數據的整理分析，繪制其P-S 曲線，如圖1 所示。

圖1 CFG 樁復合地基實例現場試驗P-S 曲線

由圖1 可知，曲線未出現比例界限且未達到極限荷載，其安全系數k 值取2， 相對沉降s/d 取值0.008 所對應承載力最小值為798.4kPa。 綜合考慮，取最大加載量1040kPa 的一半即520kPa 為復合地基承載力特征值，符合本工程在設計規范要求。可以看出，隨著荷載增大，沉降呈線性增加。

根據本工程案例現場試驗值與有限元計算模型模擬成果作對比分析，如圖2 所示。

由圖2 可知，CFG 樁復合地基試驗值與有限元計算值P-S 曲線基本吻合，定量大小比較接近。 主要是實際工程中土體本構關系較復雜，隨著荷載的增加，把土體簡單的看成理想彈塑性模型與實際不太相符。 可以看出，有限元計算模型還是能夠反映CFG 樁復合地基的影響情況，說明了有限元分析具有一定的可行性和合理性。

圖2 CFG 樁復合地基實測值與計算值P-S 曲線

3.2 樁長的影響

有限元計算模型模擬不同樁長在荷載作用下的沉降變形，得到圖3 所示的各級荷載作用下樁長對沉降的影響曲線。

圖3

由圖3 可知，樁長較短時，樁長的增加對減小地基沉降效果影響比較明顯， 當樁長達到一定長度時增加樁長對沉降影響就不是很明顯。 增加樁長時，樁體承擔的荷載會增大，土體承擔的荷載會減小，這樣一來沉降就隨之減小。

3.3 褥墊層厚度的影響

針對不同墊層厚度有限元計算模型模擬分析，得到如圖4 所示的各級荷載作用下墊層厚度對沉降的影響曲線。

圖4

由圖4 可知，隨著對計算模型褥墊層厚度作增加的調整，使得地基沉降逐漸減小。 當褥墊層厚度超過一定值后效果不再明顯，荷載已經得到了充分的調整，沉降不再變化，所以褥墊層厚度有一個合理的區間。

4 結論與建議

在CFG 樁復合地基施工完畢后，保護、養護后經對其進行現場試驗， 本工程案例單樁靜載試驗、CFG 樁復合地基靜載試驗以及低應變動力試驗檢測均符合工程設計規范要求，得到滿足本工程設計要求的CFG 樁復合地基承載力特征值為520kPa。

（1）CFG 樁復合地基施工方便，污染小，造價低廉，具有很好的經濟效益和社會效益，在銀川地區應推廣使用。

（2）CFG 樁復合地基樁端應選在本工程中粉細砂這樣的較堅硬土層作為持力層，以保證樁端土層具有較高的極限端阻力；樁周土層應當具有一定的極限側阻力， 以保證樁土共同作用時較好地達到CFG樁復合地基工程實際要求。

（3）CFG 樁復合地基布樁時， 應布置較密， 樁間距在1.2 至1.5m左右，有較大的面積置換率，以滿足復合地基處理要求。

（4）通過現場試驗和有限元計算，CFG 樁復合地基褥墊層厚度應為200—300mm，樁身采用C15—C25 素混凝土。

［1］JGJ 79—2002 建筑地基處理技術規范[S].中國建筑工業出版社,2002.

［2］GB 5007—2011 建筑地基基礎設計規范[S].中國建筑工業出版社,2011.

［3］JGJ 94—2008 建筑樁基技術規范[S].中國建筑工業出版社,2008.

［4］龔曉南.地基處理技術發展展望[J].地基處理,2000.

［5］陳濤.CFG 樁復合地基各因素對沉降影響的數值模擬研究[J].工業建筑,2009.