大型石化CFG樁復合地基三維有限差分模擬

丁 禮 建

(中鐵十九局集團 第一工程有限公司，遼寧 遼陽　111000)

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大型石化CFG樁復合地基三維有限差分模擬

丁 禮 建

(中鐵十九局集團 第一工程有限公司，遼寧 遼陽111000)

摘要：針對大型石化工程軟土地基處理的復雜性,建立了CFG復合地基的三維有限差分模型,詳細分析了不同樁間距下復合地基受力和變形特性，探討了軟土夾層對復合地基的影響，在樁間土加固深度影響分析的基礎上,獲得了不同基礎尺寸的臨界加固深度。此外,通過變樁長和變樁距方法,對復合地基進行了變剛度調平。研究表明：基礎沉降和差異沉降與荷載成線性關系,基礎兩側約1/3直徑范圍內CFG樁可采用變樁長或變樁距方法優化;樁間土體不加固時,樁間距不宜大于6d;軟土夾層埋深10 m以上,其對CFG復合樁基的影響基本可忽略;不同基礎尺寸下臨界加固深度約為6 m;變樁長或樁距方法均能控制基礎沉降和差異,但需根據工程條件和實際地質情況合理選用。

關鍵詞：石化工程;CFG樁;復合地基;三維;有限差分方法

0引言

隨著我國經濟建設高速發展，對石油能源需求進一步加大，不少沿海地區及城市興建石化工程，其規模也日益增大，因此，一個重要問題隨之產生：如何對軟弱地基進行處理從而控制地基變形，成為了該類工程地基與基礎設計中的重要研究內容。水泥粉煤灰碎石樁(cement fly-ash gravel,CFG)是地基處理常用方法之一，其作用方式為樁與樁間土、褥墊層一起組成復合地基。CFG樁是中國建筑科學研究院在20 世紀80年代末研發的一種地基處理新技術，它能大幅度提高地基承載力、有效減少地基施工后沉降，并能有效地消除地基的不均勻變形[1-3]，因而在建筑地基處理中得到廣泛應用。CFG 樁復合地基在高速公路[4]或高速鐵路[5]軟基處理中也得到了較為廣泛的應用。此外，CFG 樁還能與其他地基處理技術或結構形式結合在一起，組成復合型的地基處理方法[6-8]。近年來，針對大型石化軟弱地基處理實踐的需要，CFG樁也開始得到一定程度的應用[9-10]，但由于該類型工程主要興建在沿海地區，具有軟弱地基處理復雜的特點，使得CFG樁在復合地基受力、變形特性等方面尚需進一步研究。

本文開展了CFG樁復合地基在豎向荷載作用下的受力和特性的三維有限差分模擬，提出關于地基沉降、改善樁-土應力及荷載的控制方法，為大型石化軟弱地基與基礎設計提供借鑒與參考。

1工程背景

本文依托工程為某大型石化工程地基處理項目，該石化工程位于東南沿海某地，占地面積約6 km2，工程建設周期長達4年，項目總投資額為500億元左右，地基處理費用接近20億元，地基處理工期至少需要1年時間。

場地地質條件如下： 地貌單元為榕江三角洲平原， 地形較為開闊平坦。 地基土主要由第四系人工填土層、 第四系全新統的風-水堆積層、 沼澤相沉積層、 海陸相交互沉積層、 第四系上更新統的海陸相交互沉積層、 沖積層、 洪積層、 殘積層以及燕山期花崗巖組成。 揭露巖層分別是全風化層、 強風化和中風化層，局部為微風化層。場地上部廣泛分布0.5～21.0 m厚度的淤泥質粘性土及10.0～20.0 m厚度的第四系風-水堆積粉細砂層，其中:②1層為細砂層，級配不良，呈松散狀態，局部為稍密，可歸類為中等液化土層；②2層為粉細砂層，級配不良，呈稍密-中密狀態，飽和，歸屬為輕微-中等液化土層，局部嚴重液化；淤泥質粘性土呈軟塑-可塑狀態，具有孔隙比及有機質含量大、抗剪強度低、高靈敏度、高壓縮性和強流變性等不良工程特性。

2有限差分模擬

2.1模型的建立

利用FLAC3D軟件建立樁、土、基礎及墊層相互作用的三維有限差分的數值模型,對豎向荷載作用下CFG復合地基位移響應和樁-土應力變化進行分析。 在建立有限差分模型時對土體、 樁體、 基礎及墊層均采用三維8節點六面體單元,同時,在樁體與樁間土、 樁體與墊層之間均設置了接觸單元。 樁體采用彈性材料模擬, 土體和墊層以Mohr-Coulomb本構關系模擬。 結合依托工程的現場試驗數據, 選取CFG樁復合地基的三維有限差分模型如下: 基礎直徑和厚度分別為48、 0.4 m, 墊層厚度0.2 m, CFG樁直徑600 mm, 樁長24 m, 樁間距按照3種情況設定(4d、 5d、6d, 其中d為樁徑); 設置長108 m、 寬20 m、 深50 m的計算模型。模型根據對稱性取其1/2分析, 底部邊界全部固定, 側面邊界施加法向固定約束。

2.2巖土參數的選取

模型采用的各材料參數見表1,模型及網格劃分如圖1所示。

表1　土體及其他材料參數Table 1　Parameters of soil and other materials

圖1　CFG復合地基三維計算模型Fig.1　3D Model of CFG composite foundation

3計算結果與分析

為簡化模型,數值計算時,取分析對象尺寸的一半建立相應模型,本節分析時,按照對稱性,給出的是全斷面計算結果。

3.1不同樁間距計算結果分析

3.1.1單一間距情況圖2為CFG復合地基典型沉降云圖, 在上部荷載作用下, CFG樁與樁間土體發生沉降,但由于沉降不一致,樁頂上部刺入上部褥墊層,樁端亦有少量刺入下部土體。基礎中間段沉降相對均勻,呈現“中間大、兩端小”的特征。

圖2　CFG復合地基典型沉降云圖Fig.2　Settlement cloud of CFG composite foundation (樁間距5d和荷載250 kPa)

基礎中間段(約30 m范圍內)沉降基本一致,最大沉降可為該范圍內沉降特征指標,故下文采用最大沉降作為代表分析。各級荷載作用下,基礎中間段沉降較協調一致地增大(圖3),即中間段沉降差異不隨荷載增大發生明顯變化。基礎兩側約10 m范圍內沉降隨荷載增大而增大,但沉降增量小于基礎中間段增量,基礎差異沉降隨之增大。這是由于選用相同樁長和樁距時,基礎兩側荷載引起的附加地基應力相對較小。因此,若要減小基礎差異沉降,可考慮基礎兩側約1/3直徑范圍內采用變樁長或變樁距方案來設計。

樁、樁間土受到的應力隨荷載增大而增大,各CFG樁的應力差異較小,樁間土的應力差異亦較小。樁-土應力比兩側較中間段小,并隨著荷載增大而增大,但增大幅度有限。

3.1.2不同間距情況圖4為不同荷載級別下基礎最大沉降、差異沉降隨樁間距變化情況。同一荷載下,基礎最大沉降與樁間距呈線性關系,同一樁間距下基礎最大沉降各級荷載下增量變化很小(樁間距5d最大沉降變化規律已在圖3中反映);同一荷載下,差異沉降隨樁間距加大而增大,同一樁間距下差異沉降在小荷載時增量稍大于大荷載時增量,整體上呈線性關系(圖3)。當CFG樁端進入持力層內一定深度后,4d～6d樁間距的CFG樁復合地基的沉降和差異沉降均很小,遠小于油罐基礎沉降的允許值。

同一豎向荷載下,總樁-土荷載比隨著樁間距增大而減小。3種樁間距下,100 kPa荷載為變化拐點,荷載小于100 kPa,樁-土荷載比較小,且隨著荷載增大有所降低;荷載大于100 kPa時,總樁-土荷載比隨荷載增加逐漸增大,表明隨著外荷載的增加,荷載由CFG樁體承擔的比例逐漸增大,如圖5所示。

CFG樁體和樁間土所承受的荷載隨著樁間距不斷增大(圖6，樁體承載用軸力表示, 向下為正方向),樁間距過大會使得樁體承受的荷載過大,但由于樁體的單樁承載力有限及復合地基的土體承載力有限,并且增大樁間距會使得基礎整體沉降和基礎差異沉降增大,故在實踐中應適當控制樁間距的大小。對于本工程,比較單樁極限承載力實測結果,可判定:當樁間土不進行加固時,CFG樁的樁間距不宜大于6d。

3.1.3軟土夾層的影響為分析軟土夾層的影響，對依托工程10 m以下不同深度的軟土夾層進行了現場試驗。試驗結果揭示，樁身10 m以下深度內軟土夾層對CFG樁及復合地基承載力影響不明顯。故本節針對軟土夾層的影響進行數值分析。

在6 m深度以下存在一定厚度的軟土夾層為前提， 分別設定軟土夾層厚度為3、6、9和12 m(CFG樁穿透軟弱夾層且樁端進入持力層，樁間距為5d)，基于上述4種工況下模擬結果，分析軟土夾層的影響(圖7、 8)。

圖3　基礎最大沉降和差異沉降隨荷載變化Fig.3　Maximum settlement and settlement difference of different loading

圖4　基礎最大沉降和差異沉降隨荷載變化Fig.4　Maximum settlement and settlement difference change with loading

圖5　樁-土荷載比隨荷載變化Fig.5　Pile-soil load ratio change with loading

圖6　不同樁間距下樁頂軸力Fig.6　Pile axial force under different pile space

圖7　不同軟土夾層厚度下基礎最大沉降、 差異沉降和樁-土應力比Fig.7　Maximum settlement,differential settlement and pile-soil stress ratio of different soft soil interlayer thickness

圖8　不同軟土夾層厚度下單樁樁頂軸力計算結果Fig.8　Pile axial force value of different soft soil interlayer thickness

軟土夾層對基礎沉降和差異沉降的影響如下：軟土夾層厚度在小于4 m時(即軟土夾層埋深為6～10 m)增大，基礎沉降和差異沉降有一定程度的增加，但增加幅度不大；當軟土夾層厚度超過4 m(即軟土夾層埋深10 m以上)，基礎沉降和差異沉降變化很小。

與現場試驗結果進行對比發現：當6～10 m深度內有淤泥質軟土夾層，基礎沉降、總樁-土荷載比及樁-土應力比會受到一定影響，當軟土夾層埋深達到10 m，軟土夾層的影響基本可忽略。

3.2樁間土加固深度對CFG復合地基影響

現場試驗和數值分析表明，CFG樁施工對樁間土體影響很小,若先采用強夯等方法先行加固樁間土體,提高其承載力,則可有效提高復合地基承載力和改善其工程特性。但是否需要加固樁長范圍內的全部土體還是部分厚度,需要進一步分析研究。

3.2.1加固深度的影響針對4d、5d、6d樁間距下復合地基,選取3、6、9、12 m四種樁間土加固深度進行分析,此時基礎直徑和荷載分別為48 m、250 kPa。

不同間距下基礎最大沉降、 樁-土應力比及荷載比隨加固深度變化情況如圖9、 10所示。 加固深度小于6 m時, 基礎最大沉降和差異沉降隨樁間土加固深度的增加逐漸減小, 樁-土應力比、 荷載比亦減小; 但當加固深度超過6 m后, 上述指標的變化幅度明顯減小, 說明再加大、加固深度對CFG復合地基承載力和控制基礎沉降的效果已不明顯。 在基礎直徑48 m條件下, 臨界加固深度可為6 m。

圖9　不同間距下基礎最大沉降與加固深度變化曲線Fig.9　Curves of maximum settlement and reinforcement depth under different pile space

圖10　不同間距下樁-土應力比、荷載比 與加固深度變化曲線Fig.10　Pile-soil stress and loading change with different reinforcement depth under different pile space

分析圖10可知,樁間距越大,樁-土荷載比越小,樁間土體承載越大。特別是土體被加固以后,土體承受的荷載比例更大,故應結合加固后土體的地基承載力,合理控制樁間距,以免土體承載過大而發生破壞。

3.2.2不同基礎尺寸的臨界加固深度上節分析了基礎直徑48 m時加固深度對復合地基的影響,本節以樁間距5d為對象(加固深度、 荷載與上節相同),對不同基礎直徑下合理加固深度進行了分析。同一直徑下基礎沉降、樁-土應力比及荷載比變化規律在前一節已作表述;隨著基礎尺寸的增加,基礎沉降、樁-土應力比及荷載比明顯增大,差異沉降小幅變化(圖11、 12);4種基礎尺寸下,上述指標隨著加固深度增加變化幅度逐漸減小,即不同基礎尺寸下樁間土臨界加固深度均為6 m左右,基礎尺寸對CFG樁復合地基臨界加固深度影響很小。

3.3復合地基變剛度調平

基礎兩側邊緣附近的沉降較中部小,差異沉降主要發生在基礎兩側,中部10～30 m范圍內沉降基本均勻。可考慮采用長短樁或變樁距的方案來控制差異沉降和優化基礎受力,亦會產生一定的經濟效益。

3.3.1變樁長調平變樁長方案如圖13所示。4根短樁、 6根中長樁及6根長樁, 各樁置于相對較硬的土層上(基礎尺寸48 m、 樁間距5d、 荷載250 kPa)。 在此考慮兩種樁間距變化, 分別為4、6 m(第1種樁長分布為16、 20、 24 m, 第2種分布為12、 18、 24 m)。此外,還考慮了短樁懸浮于軟土層對基礎沉降和樁-土應力比及樁頂軸力的影響。

圖11　不同基礎尺寸下沉降隨加固深度變化曲線Fig.11　Curves of settlement and reinforcement depth under different foundation size

圖12　不同基礎尺寸下樁-土應力比、總荷載比 與加固深度關系Fig.12　Curves of pile-soil stress ratio or total loading ratio and reinforcement depth under different foundation size

圖13　變樁長方案示意圖Fig.13　Scheme of variable pile length

分析圖14、15可知：① 根據基礎受力情況合理安排不同位置處的樁長,可減小基礎差異沉降,且部分受力較小區域樁長的減小基本不會增大基礎沉降;② 短樁范圍內樁-土應力、樁頂軸力較中部小, 短樁的存在有利于優化基礎受力、 發揮樁間土承載力、減小差異沉降及節約工程成本;③ 增大每級樁長的變化量引起基礎差異沉降變小(圖9),但是在樁長變化處會出現應力的突變:樁長變化為4 m時,樁-土應力比和樁頂軸力為漸變趨勢,樁長變化為6 m時則發生突變,為避免變樁長附近基礎受力過大,應控制相鄰每級樁長的變化值,不宜變化過大;④ 當短樁懸浮于軟土層中,基礎沉降明顯增大,基礎中部的沉降也變得不均勻,同時會導致變樁長附近樁-土應力比、樁頂軸力發生突變,使中部樁體承載增大。這些對控制基礎沉降和優化基礎受力均是不利的,故采用變樁長調平時,要避免樁懸浮于軟土層中,盡量尋找相對較好的硬土層作為樁端持力層。

圖14　不同長短樁組合下基礎沉降Fig.14　Foundation settlement of different pile length combination

圖15　不同長短樁組合下樁-土應力比及單樁樁頂軸力Fig.15　Pile-soil stress ratio and pile axial force of different pile length combination

3.3.2變樁距調平由于軟土夾層可能存在,僅靠調整樁長調平,可能會使得短樁懸浮于軟土層中,需要采取其他方案來處理,以下將分析變化樁間距對基礎差異沉降和樁-土受力的影響。基礎中部10～30 m范圍內沉降均勻,兩側10～20 m內沉降漸變狀態,越靠邊緣沉降越小。故分析方案為中間密、兩側疏的變樁間距布置方式,選用一組4根6d、6根5d、6根4d對稱布置來分析變樁距對基礎沉降及樁-土受力的影響(荷載250 kPa、 基礎尺寸48 m)。

圖16為變樁距、變樁長及等間距情形下沉降比較結果。分析3種情形下基礎沉降和樁頂軸力,可得出兩點結論:① 變樁距時中部4d區域基礎沉降和樁頂軸力與等間距4d時基本相同(變樁距時樁頂軸力顯示在圖14中), 邊緣6d區域與等間距6d時基礎沉降和樁頂軸力基本相同(圖6); 3種等間距布置, 以4d的基礎差異沉降最小, 而變間距方案下的基礎差異沉降比等間距的還小30%; 兩側CFG樁頂軸力較中部樁頂軸力明顯增大(圖6)。 ② 變樁長和變樁距均能明顯減小基礎的差異沉降, 但變樁長對基礎中部的差異沉降調整能力好于變樁距(圖16)。變樁長使得基礎兩側的CFG樁體承載較中部小,而變樁距導致兩側樁體承載較中部大。但采用變樁長調平時可能會導致樁端懸浮于軟土層中,故軟土層存在或者不確定其存在時,可考慮用變樁距方案來控制基礎差異沉降。

圖16　變樁距、變樁長及等間距的基礎沉降Fig.16　Foundation settlement of variable pile spacing, variable length and fixed spacing condition

4結論與建議

本文開展了CFG樁復合地基在豎向荷載作用下的受力和特性的三維有限差分模擬，經過對數值模擬結果的系統分析，初步結論與建議如下：

(1)數值模擬結果揭示，只要CFG樁端進入持力層足夠深度，樁身10 m以下深度內存在的軟土夾層對復合地基承載特性的影響很小。

(2)一定深度內樁間土加固可明顯控制基礎沉降并能較好地改善CFG樁復合地基受力特性，但加固存在一個臨界深度，超過此深度，加固效應影響基本可忽略，不同基礎尺寸時的臨界加固深度均在6 m左右。

(3)對于CFG復合地基， 基礎兩側1/3直徑范圍內可采用變樁長或變樁距方法進行變剛度調平， 但兩種方法各有優缺點， 需要結合實際地質情況和工程要求， 合理確定調平方案， 或者條件允許時， 可考慮使用兩種方法相結合的綜合調平方法。

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文章編號:1674-9057(2016)02-0278-07

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.013

收稿日期：2014-11-23

基金項目：中國石油工程建設公司科學研究與技術開發項目(CPECC2011KJ22)

作者簡介：丁禮建(1971—),男,碩士,高級工程師,主要從事鐵路、公路、水利水電施工工作,421908865@qq.com。

中圖分類號：TU473;TU433

文獻標志碼：A

3D finite difference simulation of CFG-pile composite foundation in large petrochemical project

DING Li-jian

(No.1 Engineering Co., Ltd., China Railway 19th Bureau Group, Liaoyang 111000,China)

Abstract:CFG piles are more and more widely used in foundation treatment engineering. Currently, soft-soil foundation treatment in large petrochemical project is very complex. In such condition, one 3D finite difference model was built. The stress and deformation behaviors of CFG composite foundation under different pile spacing condition were analyzed in detail. The effect of soft soil interlayer was also investigated. Based on the effect analysis of reinforcement depth, the critical reinforcement depth of different foundation size was obtained.Besides, variable rigidity leveling of composite foundation was carried out by variable pile length or spacing method. Some conclusions have been drawn. The relationship between foundation settlement or settlement difference and loading is linear type. CFG pile of the 1/3 diameter zone outside two sides can be optimized by variable pile length or spacing method. When soil among CFG piles is not reinforced, the pile spacing should not be larger than 6d. If the burial depth of soft soil interlayer is large than 10 m, the effect can be ignored. the critical reinforcement depth of different foundation size is about 6 m. The foundation settlement or settlement difference can be controlled by variable pile length or spacing method, and suitable method should be chosen for geotechnical and engineering condition.

Key words:petrochemical project; CFG pile; composite foundation; 3D; finite difference method

引文格式：丁禮建.大型石化CFG樁復合地基三維有限差分模擬[J].桂林理工大學學報，2016,36(2):278-284.