CFG樁復(fù)合地基變形及承載力數(shù)值模擬研究

李修海

摘要：隨著高層或超高層建筑的不斷發(fā)展，人們對(duì)地基的變形和承載能力要求不斷提高。以洛陽市瀍河回族區(qū)中窯村棚戶區(qū)改造項(xiàng)目（三期）安置房一期工程為例，采用某有限元軟件，對(duì)CFG樁復(fù)合地基在不同褥墊層厚度和模量條件下變形情況和承載能力進(jìn)行數(shù)值研究。研究結(jié)果表明：褥墊層能夠有效減少地基沉降量并提高樁身承載能力。但厚度過大會(huì)使得樁身承載能力提升不明顯，出于經(jīng)濟(jì)的角度，需要合理設(shè)置褥墊層厚度。隨褥墊層模量提升，產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象能夠增大樁體的受力效果，但過大厚度可能使最大應(yīng)力值點(diǎn)上移，從而使得樁基發(fā)生淺層破壞。

關(guān)鍵詞：CFG樁；變形；模擬；承載力

0? ?引言

CFG樁復(fù)合地基是一種新型的地基加固技術(shù)，是在傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上引入了玻纖增強(qiáng)材料（CFRP）進(jìn)行加固，以提高地基的承載力和穩(wěn)定性[1]。隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，軟土地基的工程問題越來越突出，因此研究CFG樁復(fù)合地基的變形及承載力，對(duì)于解決軟土地基工程問題具有重要的意義[2]。

CFG樁復(fù)合地基的研究始于20世紀(jì)80年代末期，當(dāng)時(shí)相關(guān)學(xué)者主要對(duì)其力學(xué)性能和工程應(yīng)用進(jìn)行了初步研究[3-4]。隨著研究的深入，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注CFG樁復(fù)合地基的變形及承載力研究。針對(duì)CFG樁復(fù)合地基變形及承載能力的研究，主要包括實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究?jī)煞N。

實(shí)驗(yàn)研究是目前對(duì)CFG樁復(fù)合地基變形及承載力的研究主要方法之一，它主要通過模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來進(jìn)行[5]。模型試驗(yàn)是通過制作縮小比例的模型，模擬實(shí)際工程中的荷載和地基土的力學(xué)性能，通過對(duì)模型試驗(yàn)的觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析，來研究CFG樁復(fù)合地基的變形及承載力。而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是在實(shí)際工程中，通過布設(shè)傳感器和測(cè)量設(shè)備，對(duì)CFG樁復(fù)合地基的變形及承載力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，來研究CFG樁復(fù)合地基的變形及承載力[6]。

數(shù)值模擬研究則主要采用有限元方法和數(shù)值分析方法，通過建立CFG樁復(fù)合地基的數(shù)學(xué)模型，采用計(jì)算機(jī)軟件，模擬實(shí)際工程中的荷載和地基土的力學(xué)性能，借助對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析和比對(duì)，來研究CFG樁復(fù)合地基的變形及承載力。

試驗(yàn)研究基于其準(zhǔn)確性和直觀性，一直作為CFG樁復(fù)合地基變形承載能力研究的主流方法，但傳統(tǒng)試驗(yàn)方法受制于試驗(yàn)條件和環(huán)境的限制，往往研究成本較高。

鑒于此，本文以洛陽市瀍河回族區(qū)中窯村棚戶區(qū)改造項(xiàng)目（三期）安置房一期工程為例，借助有限元模擬軟件，對(duì)CFG樁復(fù)合地基在不同褥墊層厚度和模量條件下變形情況和承載能力進(jìn)行研究，為高層建筑下CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)與加固處理提供一定的參考依據(jù)。

1? ?工程概況

1.1? ?工程基本情況

洛陽市瀍河回族區(qū)中窯村棚戶區(qū)改造項(xiàng)目（三期）安置房一期，工程位于洛陽市瀍河區(qū)瀍澗大道與班家街交叉口東側(cè)100m路北。一期占地面積約5.8萬m2，建筑面積約25.03萬m2，其中地上建筑面積約16.76萬m2，地下建筑面積約8.27萬m2。

主樓地基采用CFG樁和素土樁相結(jié)合的方式，地庫(kù)和人防區(qū)域采用夯實(shí)水泥土樁和素土樁相結(jié)合的方式，以解決施工場(chǎng)地濕陷性問題，提高地基承載力。

1.2? ?土層參數(shù)

研究區(qū)土層參數(shù)如表1所示。

1.3? ?1#樓單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料，其中安置房一期1#樓的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

其中該樁的最大加載量為1300kN，最大位移量為3.06mm，最大回彈量為1.65mm，最大回彈率為53.92%。

2? ?模擬方法

本次模擬采用有限元軟件進(jìn)行，將模擬的土體劃分為3層，每層均具備均質(zhì)性，其性質(zhì)相同。將CFG狀體和復(fù)合地基承壓板設(shè)置為理想彈性模型，并選擇摩爾-庫(kù)倫模型作為各樁之間區(qū)域土體和褥墊層本構(gòu)模型。整個(gè)過程中僅對(duì)地基受荷及其加載過程進(jìn)行模擬，對(duì)地基卸荷回彈不做考慮。

模擬研究取其橫向范圍為10m，縱向即深度取樁長(zhǎng)的1.5倍，承壓板直徑取0.45m，隨后模擬研究在一定地質(zhì)條件下褥墊層厚度及其模量大小對(duì)CFG樁復(fù)合地基變形及承載力的影響，通過對(duì)不同褥墊層厚度和模量大小下CFG樁復(fù)合地基的沉降量和樁身軸向應(yīng)力變化來反映CFG樁復(fù)合地基在不同條件下的變形及承載能力情況。其中，褥墊層厚度共設(shè)置5種，分別為0mm、100mm、200mm、300mm、400mm。褥墊層模量主要設(shè)置3種，分別為30MPa、60MPa、90MPa。其中CFG樁復(fù)合地基網(wǎng)格劃分如圖1所示。

3? ?結(jié)果分析

3.1? ?褥墊層厚度影響分析

3.1.1? ?不同褥墊層厚度在荷載作用下地基沉降量

首先對(duì)不同褥墊層厚度在不同程度荷載作用下的CFG樁復(fù)合地基沉降量進(jìn)行研究。共設(shè)置100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa共6級(jí)荷載，分別在0mm、100mm、200mm、300mm、400mm共5種褥墊層厚度下進(jìn)行沉降模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，得到了不同褥墊層厚度在荷載作用下的地基沉降量變化趨勢(shì)如圖2所示。

從圖2可以看出，在同級(jí)別的荷載作用下，設(shè)置褥墊層的CFG樁復(fù)合地基沉降量，較不設(shè)置褥墊層的更小，并且隨著褥墊層厚度的增加，沉降量會(huì)隨之減小，但減小幅度會(huì)在褥墊層厚度達(dá)到300mm時(shí)降低。

此結(jié)果表明，褥墊層的設(shè)置會(huì)對(duì)地基沉降起到一定的作用，但考慮到作用效果的大小和成本問題，需要對(duì)褥墊層進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

3.1.2? ?不同褥墊層厚度下樁身軸力

為了反映褥墊層厚度對(duì)樁體軸力的影響，根據(jù)模擬的結(jié)果，繪制出如圖3所示的不同褥墊層厚度下樁身軸力的變化情況。

從圖3可以看出，在褥墊層厚度為0時(shí)，樁體的軸力最大值在樁長(zhǎng)深度比值為0的位置即樁頂位置，此后軸力隨比值的增大而減小。

但在設(shè)置褥墊層厚度時(shí)，樁體的軸力先沿樁身增大，在樁長(zhǎng)深度比值達(dá)到0.2時(shí)軸力達(dá)到最大值，之后隨著比值的增大軸力逐漸減小。此結(jié)果表明，褥墊層能夠有效減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而避免剪切破壞。

3.2? ?褥墊層模量影響分析

3.2.1? ?3種褥墊層模量在不同等級(jí)荷載下地基沉降量

對(duì)于不同褥墊層模量在不同程度荷載作用下CFG樁復(fù)合地基沉降量進(jìn)行研究，共設(shè)置30MPa、60MPa、90MPa共3種褥墊層模量，分別在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa共6級(jí)荷載下進(jìn)行沉降模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，得到3種褥墊層模量在不同等級(jí)荷載作用下地基沉降量變化趨勢(shì)如圖4所示。

從圖4可以看出，在褥墊層模量一致的情況下，沉降量隨著荷載的增大逐漸增大，而在同級(jí)別的荷載條件下，沉降量大小為：30MPa褥墊層厚度＞60MPa褥墊層厚度＞90MPa褥墊層厚度，并且隨著荷載等級(jí)的提升，三者的沉降量差距逐漸增大。

此結(jié)果表明，隨著褥墊層模量的增大，樁體應(yīng)力集中會(huì)逐漸顯著，而應(yīng)力集中的結(jié)果導(dǎo)致了更多的荷載被從土體之中分流到樁體上，提高了樁體的作用效果，使得沉降明顯減小。

3.2.2? ?不同褥墊層模量下樁身軸力

為了反映褥墊層模量對(duì)狀體軸力的影響，根據(jù)模擬的結(jié)果，繪制出如圖5所示的不同褥墊層模量下樁身軸力的變化情況。

從圖5可以看出，在褥墊層模量一致的情況下，樁身軸力隨著樁長(zhǎng)深度比值的增大而增加，在樁長(zhǎng)深度比值達(dá)到0.2時(shí)，樁身軸力達(dá)到最大值，之后隨著樁長(zhǎng)深度比值的增加，樁身軸力逐漸減小，在比值達(dá)到1即在樁底部位時(shí)，軸力達(dá)到最低力。

對(duì)比不同褥墊層模量下的軸力變化可以看出，隨著褥墊層模量的增加，樁身軸力在同一位置下逐漸升高。

此結(jié)果表明，褥墊層模量的提高，能夠使得地基產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力集中，造成最大應(yīng)力值點(diǎn)向樁頂位置移動(dòng)。但此結(jié)果可能會(huì)造成地基的淺層破壞，相對(duì)而言較低的褥墊層模量，最大應(yīng)力值點(diǎn)位置較低，能夠有效利用樁間土分擔(dān)樁身的荷載作用。

4? ?結(jié)束語

本文以洛陽市瀍河回族區(qū)中窯村棚戶區(qū)改造項(xiàng)目（三期）安置房一期工程為例，借助有限元模擬軟件，對(duì)CFG樁復(fù)合地基的在不同褥墊層厚度和模量的條件下變形情況和承載能力進(jìn)行研究，并得出如下結(jié)論：

褥墊層的設(shè)置會(huì)對(duì)地基沉降起到一定的作用并且能夠有效減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而避免剪切破壞，但考慮到作用效果的大小和成本問題，需要對(duì)褥墊層進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

隨著褥墊層模量的增大，樁體應(yīng)力集中會(huì)逐漸顯著，而應(yīng)力集中的結(jié)果導(dǎo)致了更多的荷載被從土體之中分流到樁體上，提高了樁體的作用效果，使得沉降明顯減小。

褥墊層模量的提高會(huì)使得最大應(yīng)力值點(diǎn)向樁頂位置移動(dòng)，而低褥墊層模量下其最大應(yīng)力值點(diǎn)位置較低，能夠有效利用樁間土分擔(dān)樁身的荷載作用。

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