褥墊層參數(shù)對(duì)CFG樁復(fù)合地基承載特性的影響研究

付 豪

（重慶市設(shè)計(jì)院，重慶市400015）

0 引 言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)的不斷發(fā)展，需要利用有限的土地資源來(lái)修建交通、水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施。由于各地區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等的不同，當(dāng)?shù)鼗鶙l件不符合建筑物的承載需求時(shí)，需要對(duì)該地進(jìn)行地基處理。CFG樁復(fù)合地基具有較好的承載性能，處理成本較低且節(jié)能環(huán)保，因此在粉土地區(qū)得到廣泛使用，許多學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。劉統(tǒng)廣[1]通過(guò)室內(nèi)載荷試驗(yàn)研究了褥墊層厚度對(duì)水泥土樁復(fù)合地基承載性能的影響，表明合理控制墊層厚度能夠優(yōu)化樁土應(yīng)力比。周志軍等[2]基于極限分析下限法，推導(dǎo)出褥墊層的極限承載力下限解以及樁土應(yīng)力比公式，并揭示了褥墊層存在壓密和塑性流動(dòng)變形特性。李守德、郭海慶等[3-4]采用FLAC3D建立了PHC短樁復(fù)合地基模型，結(jié)果表明褥墊層厚度及模量對(duì)其承載特性具有一定影響。谷成岳[5]采用灰色關(guān)聯(lián)分析法研究了長(zhǎng)短樁復(fù)合地基作用機(jī)理，并對(duì)影響其承載能力的因素進(jìn)行敏感性分析，得出路基填筑高度對(duì)復(fù)合地基受力和沉降變形的影響最大。

褥墊層的存在有以下四個(gè)作用：（1）保證了樁、土間的共同作用；（2）使樁頂對(duì)基礎(chǔ)底面的作用力均勻分布；（3）改善樁、土豎向荷載承擔(dān)比例；（4）調(diào)節(jié)樁、土之間的水平荷載[6-7]。實(shí)際工程中各地區(qū)地質(zhì)條件不同，復(fù)合地基受力情況也較為復(fù)雜，為更好地研究復(fù)合地基承載機(jī)理，優(yōu)化地基設(shè)計(jì)處理，運(yùn)用MIDAS GTS NX有限元軟件對(duì)CFG樁復(fù)合地基褥墊層進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了褥墊層厚度以及模量對(duì)復(fù)合地基承載特性的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算原理

某路基工程地基承載力較差，天然地基無(wú)法滿(mǎn)足建筑物的承載需求，需要對(duì)天然地基進(jìn)行加固處理。經(jīng)過(guò)各種方案比對(duì)，CFG樁復(fù)合地基能夠?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化處理。復(fù)合地基沉降變形的有限元法是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，將連續(xù)體有規(guī)律的分割為有限個(gè)單元，通過(guò)分析單個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)的力和位移變化，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變以及位移等進(jìn)行分析。確定場(chǎng)地函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值，將節(jié)點(diǎn)位移作為未知量，假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)近似模擬其位移分布規(guī)律，基于彈塑性理論原理建立節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的聯(lián)系，獲得節(jié)點(diǎn)位移作為未知量的代數(shù)方程，解得節(jié)點(diǎn)的位移分量，最后利用插值函數(shù)確定單元結(jié)合體上的場(chǎng)函數(shù)。解的精確程度會(huì)隨著單元尺寸的減小、單元數(shù)量的增加、自由度的增多以及插值函數(shù)精度的提高而增大，若單元收斂則近似解將無(wú)限趨近于精確解。單元?jiǎng)偠染仃囉商摴υ淼玫剑簕F}e={k}e{δ}e

其中{F}e為單元節(jié)點(diǎn)力矩陣；{k}e為單元?jiǎng)偠染仃嚕瑊k}e=∫∫∫[B]T[D][B]dxdydz。

1.2 幾何模型及工況

為了能夠直觀全面的了解整個(gè)路堤對(duì)復(fù)合地基的作用形式，將路堤施工簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題進(jìn)行處理。某工程路面寬度為12 m，路堤坡度為1∶1.5，整個(gè)路堤分6層進(jìn)行填筑，每層填筑厚度為1 m。建模時(shí)為消除邊界效應(yīng)對(duì)路基的影響，將地基延伸10 m，地基寬度為40 m，高度為17 m。CFG樁長(zhǎng)為10 m，樁徑為0.5 m，樁間距為1.5 m。土層以及CFG樁的物理參數(shù)見(jiàn)表1，其參數(shù)皆來(lái)自于地勘報(bào)告和經(jīng)驗(yàn)值。各土層采用摩爾-庫(kù)倫模型，CFG樁為彈性模型用1D梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。生成網(wǎng)格采用自動(dòng)-區(qū)域功能，生成混合網(wǎng)格，褥墊層通過(guò)尺寸控制細(xì)化區(qū)域單元網(wǎng)格的尺寸，建立邊界約束和重力荷載。CFG樁復(fù)合地基有限元模型與網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。

表1 土層、樁的物理參數(shù)設(shè)置

圖1 路基模型

采用控制變量法分析褥墊層厚度和模量對(duì)路基沉降量和樁土應(yīng)力比的影響，數(shù)值模擬工況見(jiàn)表2。施工步驟分為以下幾步：（1）開(kāi)挖初始地應(yīng)力平衡；（2）激活CFG樁和碎石褥墊層；（3）路堤填土分6層激活施工。其中某工況最終的沉降云圖見(jiàn)圖2，樁間應(yīng)力見(jiàn)圖3，樁間土應(yīng)力見(jiàn)圖4。

表2 墊層工況設(shè)置

圖2 復(fù)合地基的最終沉降云圖

圖3 樁身應(yīng)力云圖

圖4 樁間土應(yīng)力云圖

2 結(jié)果分析

2.1 褥墊層厚度的影響

用控制變量法模擬褥墊層厚度對(duì)路基填筑沉降量的影響，其他條件保持不變，設(shè)置褥墊層厚度的范圍為0～600 mm。圖5褥墊層厚度對(duì)路基沉降量的影響，可以看出不同工況下路堤的沉降量范圍為0～60 mm。設(shè)置褥墊層條件下的路基的沉降量低于無(wú)褥墊層條件下的路堤沉降，說(shuō)明鋪設(shè)褥墊層可以有效減小路基沉降。在相同褥墊層厚度條件下，隨著上部荷載的增加，路基沉降量不斷增大；在相同上部荷載條件下，隨著鋪設(shè)褥墊層厚度的增大，其沉降量逐漸減小。當(dāng)褥墊層厚度由100 mm增大至600 mm，路基沉降量變化率依次分別為9%、12%、17%、5%、7%。當(dāng)褥墊層厚度小于400 mm時(shí)沉降量變化率隨著褥墊層厚度的增大而逐漸增大；褥墊層厚度達(dá)到400 mm時(shí)，沉降量的變化率達(dá)到最大值；當(dāng)沉降量大于400 mm后，沉降量變化率隨褥墊層厚度的增加而減小。由此可以得出墊層厚度超過(guò)400 mm時(shí)，沉降量變化率不夠明顯。褥墊層對(duì)減小地基沉降具有一定作用，但并不是厚度越大其調(diào)節(jié)作用越明顯，需要在考慮到經(jīng)濟(jì)效益和安全適宜的條件下，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)褥墊層厚度。

圖5 不同墊層厚度對(duì)地基沉降的影響

圖6為不同褥墊層厚度對(duì)路基樁土應(yīng)力比的影響，樁土應(yīng)力比為樁頂應(yīng)力與樁間土之間的應(yīng)力比，不同工況下的樁土應(yīng)力比范圍為0～6。從圖中可以看出在同一褥墊層厚度情況下，隨著上部荷載的增加，樁土應(yīng)力比不斷增大。在相同上部荷載條件下，隨著褥墊層厚度的增大，樁土應(yīng)力比逐漸減小。路基分層填筑施工完成后，當(dāng)褥墊層厚度小于400 mm時(shí)，隨著褥墊層厚度的增大樁身應(yīng)力比相差較大；當(dāng)褥墊層厚度大于400 mm后，隨著褥墊層厚度的增加樁身應(yīng)力比差別不明顯。由此可以得出墊層厚度超過(guò)400 mm后，褥墊層的增加對(duì)樁土應(yīng)力比的減小作用在弱化。當(dāng)褥墊層厚度較小時(shí)，樁土應(yīng)力比較大，樁端刺入墊層會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得樁土間承載力不能有效發(fā)揮。當(dāng)褥墊層厚度逐漸增大，樁端有適當(dāng)?shù)纳洗炭臻g，從而調(diào)節(jié)樁土間應(yīng)力比，使得樁土間承載力得以有效發(fā)揮。基于上述數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出該工程較合理的褥墊層厚度為400 mm，在安全經(jīng)濟(jì)的范圍內(nèi)既能減小沉降量也能適當(dāng)調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力比。

圖6 不同墊層厚度對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

2.2 褥墊層模量的影響

圖7為褥墊層模量對(duì)地基沉降的影響，可以看出在相同墊層模量條件下，隨著上部荷載的增大，地基沉降量不斷增大。在相同上部荷載作用下，隨著褥墊層彈性模量的增大，地基沉降量呈逐漸減小的趨勢(shì)，說(shuō)明增大褥墊層彈性模量可以減小地基沉降量。增加墊層模量會(huì)加劇樁身應(yīng)力集中的現(xiàn)象，則更多的荷載由樁體承擔(dān)，從而調(diào)節(jié)了樁土間荷載分擔(dān)，這時(shí)土體承擔(dān)荷載較小，因此沉降量隨之逐漸減小。路堤分層填筑施工完成后，當(dāng)褥墊層模量由30 MPa增大至90 MPa，地基沉降量變化率分別為7%、11%、5%。當(dāng)褥墊層模量小于70 MPa時(shí)地基沉降量變化率隨彈模的增大而增大；褥墊層模量達(dá)到70 MPa時(shí)，沉降量變化率達(dá)到最大值；當(dāng)墊層模量大于70 MPa后，地基沉降量變化率最小。由此可以得出墊層模量超過(guò)70 MPa時(shí)，地基沉降量變化不再明顯，增大彈性模量對(duì)地基沉降的減小作用在弱化。

圖7 不同墊層模量對(duì)地基沉降的影響

褥墊層模量對(duì)樁土應(yīng)力比也會(huì)產(chǎn)生一定影響，圖8是樁土應(yīng)力比隨填筑土層和褥墊層模量變化的曲線(xiàn)。從圖中可以看出，在相同墊層模量下，樁土應(yīng)力比隨著上部荷載的增大而增大；在相同上部荷載作用下，墊層模量越大樁土應(yīng)力比越大。當(dāng)褥墊層模量由30 MPa增大至90 MPa，四種工況下填筑完成后其樁土應(yīng)力比變化率分別為14%、8%、3%。可以得出隨著褥墊層模量的增大，樁土應(yīng)力比變化率在緩慢減小，當(dāng)模量達(dá)到70 mm后，樁土應(yīng)力比變化不再明顯，說(shuō)明增大彈性模量對(duì)增大樁土應(yīng)力比的作用在弱化。這是由于墊層模量越大，樁體向上部刺入量減小，導(dǎo)致褥墊層對(duì)樁間土體的擠密作用弱化，從而樁身承擔(dān)更多荷載，樁土應(yīng)力比就越大。如果模量設(shè)置較大，會(huì)造成樁頂應(yīng)力集中，容易引發(fā)樁在淺層發(fā)生鼓脹破壞；模量設(shè)置較小會(huì)增大地基沉降量，因此實(shí)際工程中需要根據(jù)地質(zhì)條件來(lái)選擇墊層材料。由上述模擬結(jié)果可知，該工程褥墊層模量宜控制在70 MPa左右較為合理。

3 結(jié) 論

采用Midas/GTS建立了CFG樁復(fù)合地基的數(shù)值模擬，研究了褥墊層厚度和模量對(duì)地基承載特性的影響，以指導(dǎo)地基褥墊層設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：

（1）隨著上部荷載的增大，CFG樁復(fù)合地基的沉降量呈增大的趨勢(shì)，樁土應(yīng)力比也呈增大的趨勢(shì)。設(shè)置褥墊層能夠有效減小地基沉降量。

（2）在相同上部荷載條件下：褥墊層厚度越大沉降量越小，樁土應(yīng)力比越大；褥墊層彈性模量越大，沉降量越小，沉降量樁身應(yīng)力比越大。

（3）褥墊層厚度以及模量對(duì)復(fù)合地基的承載特性會(huì)造成較大影響，選擇合理的褥墊層參數(shù)有利于調(diào)節(jié)樁土荷載分擔(dān)比例，充分發(fā)揮地基承載性能，通過(guò)本次數(shù)值模擬工況分析，該工程褥墊層厚度宜取值為400 mm，模量宜取值70 MPa。