巴新西高地省Hagen至青布省Kundiawa段公路软土复合地基桩参数优化设计

摘要：本文以巴新西高地省Hagen至青布省Kundiawa段公路软基处置试验段CFG复合地基参数优化设计为目标，以桩间距、桩长、褥垫层厚度以及模量参数为研究对象，分析了各个因素对CFG桩复合地基沉降特性的影响，分析在不同因素水平组合下CFG桩复合地基的沉降量的大小，找出使得复合地基沉降量最小的影响因素的最优的设计方案。

关键词：CFG桩，有限元分析，复合地基，优化设计

中图分类号：S611文献标识码： A

1.工程概况

本项目为巴新西高地省Minj至青布省Kodiawa段公路38.32公里升级改造项目，项目穿越巴布亚新几内亚的西高地省和青布省，地处热带雨林地区，气象资料显示年均降雨量2500mm以上，地下水埋深为0.6~1m。为了保证低成本地处理软土路基问题，项目部设置了3公里的试验段，用以实验检测地基的可行性。

2. CFG桩复合地基有限元模型的建立

设计中地基采用CFG桩加固，桩间距1.5~3 m，桩径0.5 m，加固深度为12~20 m，桩顶铺设碎石垫层，桩底持力层为强风化或者全风化的花岗岩。现场试验段选取长螺旋钻孔灌注桩。采用等级为32.5普通硅酸盐水泥，掺加等级不低于III级的优质粉煤灰，粉灰比1:1.2，掺加的石料率为0.3，最大粒径不大于25 mm，骨料级配满足要求。为了充分反映土体的非线性应变特性建模时采用ABAQUS有限元软件。

基本假定：在保证计算精度的前提下为了减少运算量对模型做了如下假设：

(1)假定桩为线弹性体，褥垫层、桩间土以及持力层为弹塑性体，采用Mohr-Coulomb模型进行模拟。

(2)假定复合地基的所有材料均为各向同性材料。

(3)只考虑初始重力场对复合地基的作用，不考虑施工对其的扰动[1]。

几何模型的建立：在竖向荷载作用下CFG桩复合地基是一个轴对称模型，在进行计算时取其1/4区域为研究对象。考虑到桩―土相互作用影响范围，侧面边界取9.5 m。桩、土、褥垫层以及承压板均采用采用C3D8R(八节点实体减缩单元)。

模型材料参数：材料参数见表1 。

表1模型各部分的计算参数

接触与边界条件：桩侧面与土体间采用面面接触，接触面法向“硬接触”，切向摩尔库伦摩擦接触，模型其他接触面为绑定约束；在模型侧面上设置位移边界条件约束其侧向位移，两个对称面上采用对称边界，限制转角与位移，模型底部为全约束。

分析步的设置：首先是初始分析步模拟地应力场的作用，用以模拟桩与桩间土之间在自重作用下的的相互影响，土体的自重应力场即为初始应力场，本文通过导入外部文件来反映各个高斯点的应力值，具体命令为：*initial conditions，type=stress，input=stress；其次施加竖向荷载模拟基础上部结构的自重荷载及路面动载，其大小根据实际载荷设计换算得到。

3.复合地基优化设计

3.1承载力与沉降控制

复合地基可有效增加基础的承载力并减少沉降，在设计中常以极限承载力控制或允许最大沉降控制为要求进行桩基础设计，在设计基础上再分别以沉降和承载力校核桩基础设计的合理性，大量实践表明地基的沉降要求比承载力要求更为严格，并且在软土地区当地基的承载力满足要求时，沉降变形过大或者产生不均匀沉降会对地基的稳定性造成严重的威胁，因此，在CFG桩复合地基中以控制地基沉降变形为原则的设计思路越来越被人们所认可[2]。

3.2正交试验方案设计

复合桩基础的设计需要确定基础多个因素，根据以往的研究经验选择桩间距、桩长、褥垫层厚度以及模量这四个设计参数为研究对象[4]，分析在不同因素水平组合下CFG桩复合地基的沉降量的大小，为了减小计算任务量，采用正交试验分析各水平对试验目标的影响，进而寻求各因素水平的最优组合方案。根据相关规范中给出的设计参数的变化范围结合工程勘测结果确定数值计算中各因素的水平见表2。

表2CFG桩复合地基因素水平

3.3结果分析

实验结果：实验过程中不考虑各因素之间的相互影响，假设因素之间是相互独立的，根据正交试验规则选用5因素4水平的正交表，即L16(45)进行正交方案，方案设计参照正交试验表，实验荷载依据取道路等级和路面结构设计取250 kPa。试验方案结果及数据分析见表3、表4。

表3CFG桩复合地基正交设计方案试验结果

表4 实验数据分析（桩沉降值/桩间土沉降值）

利用正交表Ln(rm)安排试验时，假设各列中同一水平进行了t次试验，试验总数n=rt，假设y1，y2，… ，y3为试验结果，第j列因素的偏差平方和为Sj，Kij为第i因素第j水平的试验数据，Sj的自由度为r-1。当正交表上的由空白列时，该空白列的偏差平方和S是由误差所引起的，且S的自由度f=fT（各因数自由度之和）[3]。

采用F分布来检验各个因素对实验指标的显著性水平，可以证明：

查《分布分位数表》可知：F0.90(1,3)=5.39，F0.95 (1,3)=9.28，F0.99 (1,3)=29.5。

结果分析

（1）方差分析。沉降方差分析见表5。

表5沉降试验结果方差分析（中心桩/桩间土）

(2)极差分析。极差Rj即试验因素j水平的改变对试验结果的影响程度。Rj越大则该因素对结果影响越深刻。中心桩桩顶及桩间土沉降的因素―指标图如图2、3所示。

图2 因素―指标图（中心桩）图3 因素―指标图（桩间土）

由图2、3可以发现桩间距对CFG桩的沉降影响最大，复合地基设计时减小桩间距是控制沉降的有效手段；桩长对桩体的沉降量影响较大，随着桩长的增长桩体的沉降减少，但存在最优桩长；褥垫层的厚度和模量对沉降结果影响微弱；桩间距对CFG桩复合地基桩间土沉降的影响要远远大于其他三个因素。随着桩间距的增加，桩间土的沉降量迅速加大，减小桩间距，增加面积置换率是减少复合地基沉降的有效方法；桩长对桩间土沉降量的影响也比较明显；增加褥垫层的厚度和模量会在桩顶出现应力集中，土体承担的荷载比例减小，桩间土的沉降减少，但存在最优值。

根据上述试验结果和分析可知，各因素对桩体沉降影响的重要性次序为：桩间距>桩长>褥垫层模量>褥垫层厚度，对桩间土沉降影响的重要性次序为：桩间距>褥垫层厚度>褥垫层模量>桩长。因此，从桩体沉降角度分析，桩间距的最佳水平为A1，桩长的最佳水平为B4，褥垫层厚度的最佳水平为C1，褥垫层模量的最佳水平为D1；从桩间土沉降角度分析，桩间距的最佳水平为A1，桩长的最佳水平为B4，褥垫层厚度的最佳水平为C4，褥垫层模量的最佳水平为D2。

4.小结

由以上分析可以看出，以中心桩桩体沉降为试验指标所得出的最优组合为A1B4C1D1，以桩间土沉降为试验目标所得出的最优组合为A1B4C4D2，二者在褥垫层厚度和褥垫层模量这两个因素上选取的水平是不同的，由桩体沉降和桩间土沉降的方差分析可知，褥垫层的厚度和模量对桩间土沉降的影响要远大于对桩体沉降的影响，同时经过计算增加褥垫层的厚度会导致复合地基的成本较大，综合考虑复合地基桩体和桩间土的沉降要求以及经济性，CFG桩复合地基的最优组合为A1B4C2D2，即桩间距为1.5 m，桩长20 m，褥垫层厚度0.4 m，褥垫层模量30 MPa。

参考文献：

[1] 秦继英. CFG桩复合地基理论及工程应用研究[D]. 郑州: 郑州大学建筑与土木工程学院, 2006.

[2] 陈兵. 复合地基中优化设计参数的方法[J]. 结构设计与应用研究, 2002(2): 86-87.

[3] 邰淑彩, 孙韫玉, 何娟娟. 应用数理统计(第2版)[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2007.

[4] 李海芳, 龚晓南. 路堤下复合地基沉降影响因素有限元分析[J]. 中国公路学报, 2005,

作者简介：孟斌（1986年-）男，河南省巩义市，中国海外工程有限责任公司，助理工程师，学士学位，研究方向公路工程。