CFG复合地基褥垫层对地基作用影响研究

摘要：基于有限差分软件FLAC3D，对CFG复合地基褥垫层对地基作用影响模拟结果表明：随着褥垫层厚度的增加，桩与桩间土的应力比逐渐减小，而沉降量逐渐增大。因此，在工程中应利用这种非线性的变化关系，合理解决桩土应力比与沉降量及工程经济之间的辩证关系。

关键词：CFG桩；褥垫层;地基处理；FLAC3D

中图分类号：[TU973+.35]文献标识码：A

The study of CFG composite foundation cushion impact on the role of foundations

Liu JinGang1 ,CHENG Hai-feng2

(1. Beijing Aviation Investigation and Design Institute Limited, Beijing 100191;

2. College of Architecture and Civil Engineering, North China University of Technology，Beijing 100144;

Abstract: Based on the finite difference software FLAC3D ，study of CFG composite foundation cushion impact on the foundation , the simulation results show that: With the increase of the thickness of cushion, piles and soil stress ratio decreases, the amount of settlement gradually increasing. Therefore, it is necessary to take advantage of this non-linear relationship, deal with the dialectical relationship among the pile-soil stress ratio, reasonable settlement and engineering economy.

Key words: CFG piles; CFG piles; foundation treatment; FLAC3D

0引言

自CFG桩复合地基问世以来，随着其在全国范围内应用的推广，20年来对复合地基的研究从未中断，专家学者[1~5]分别从不同角度对复合地基进行了研究。赵其华、李建光等针对CFG桩复合地基的设计提出了同时控制沉降量和承载力的设计思想，并且建立了 CFG桩复合地基半无限约束最优化理论模型，利用Matlab工具进行求解；阎明礼针对CFG桩复合地基工程特性作了大量的试验工作，总结了其工程特点；郑东明、邓安福等在复合地基垫层效用的研究方面，采用有限元数值分析方法，对CFG桩单桩带台复合地基褥垫层的效用进行了研究分析。虽然国内，对CFG桩都有一定的研究，但是，具体到不同地层和地质情况下，CFG桩的各个参数及褥垫层对复合地基的作用，仍然不能准确的确定，不能符合工程要求的情况下，达到经济适用的目的[6,7]。所以需要结合软件来分析确定CFG的设计方案。

1褥垫层的作用

褥垫层技术是CFG桩复合地基的核心技术[8]，复合地基的许多特性都与褥垫层有关，它是由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的散体垫层。

（1）保证桩、同承担荷载

在基础下面不设置褥垫层的情况下，基础直接与桩间土接触，在垂直和水平荷载作用下承载特性与桩基差不多。在给定荷载作用下，桩承受较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。在桩端落在坚硬土层或岩石的情况下，桩的沉降很小，桩上的荷载向上转移数量很小，桩间土承载力很少发挥。在基础下设置一定厚度的褥垫层，由于褥垫层为CFG桩复合地基在受荷载后提供了桩上下刺入的条件，即使桩端落在持力层良好的土层上，也可以保证桩间土始终参与工作。

(2)调整桩、土荷载分担比

复合地基桩、土荷载分担，可用桩、土应力比表示。当褥垫层厚度为零时，桩、土应力比很大，在软土中，桩分担的荷载相当大，而桩间土承载力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。在褥垫层厚度很大时，桩、土应力比接近于1，此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置己经失去了意义。因此要合理设置褥垫层厚度。

(3)减小基础底面积的应力集中

当褥垫层厚度为零时，桩对基础的应力集中很显著，和桩基础一样，需要考虑桩对基础的冲切破坏。

(4)调整桩、土水平荷载的分担

试验表明[9]，褥垫层厚度越大，桩顶承受的水平荷载越小。大量工程实践和室内外试验表明，褥垫层厚度不小于10cm，桩体不会发生折断，桩在复合地基中不会失去工作能力。

2褥垫层的合理厚度

垫层越厚、密实度越低，桩顶反力降低程度越大，沉降越大，很显然，当桩间土承载力低，但桩承载力高时，采用垫层不利于单桩承载力的发挥，反而使沉降增大[10]。褥垫层厚度直接影响桩和桩间土的荷载分担比，影响桩的作用的发挥和复合地基沉降量、桩顶刺入量、垫层压缩量的大小，褥垫层厚度为零时，荷载主要由桩承担；随着褥垫层厚度的增加，桩分担荷载的比例逐渐减少，桩间土分担荷载的比例逐渐增加。当褥垫层厚度很大时，荷载主要由桩间土承担，刚性桩复合地基中桩的设置失去了意义。

垫层越厚，桩承担的荷载越小，沉降量、桩顶刺入量、垫层压缩量都有所增加，桩顶以下设置一定厚度的褥垫层可有效提高桩的分担比，有利于桩发挥其承载力，并且减小沉降与柱顶刺入量。考虑到为降低桩顶分担的水平荷载，褥垫层厚度通常要求有一定的厚度,但褥垫层厚度的增大又限制了桩承载力的发挥，因此，褥垫层厚度的控制对复合地基的要求就至关重要。

3工程应用

本文采用的是FLAC3D进行单桩静载试验的数值模拟，采用的是“移来移去”的方法，将需要建立接触面的几个模型分开，然后再一个网络的制定位置建立接触面，然后把另外的部分网络移到特定的位置（模型见图2）。具体到本次模拟中，分别建立桩体、褥垫层、土体的模型，然后再放在同一个网络下。采用400mm的桩径，10m的桩长，褥垫层厚度分别为200mm，250mm, 300mm。荷载从250kPa开始，分为250kPa、400kPa、600kPa、800kPa。

材料参数如下表：

表1材料参数

图2 分析模型示意图

根据模拟结果得到CFG桩在不同厚度褥垫层影响下的桩顶应力和桩间土应力以及沉降量变化曲线图，如下图所示。

a 桩顶应力曲线图

b 桩间土应力曲线图

c 沉降量曲线图

图3 模拟结果曲线图

如图a、b所示，随着荷载的增大，桩顶应力与桩间土反力呈现逐渐增大的趋势，且为非线性变化，并且随着褥垫层厚度的增加，桩顶应力逐渐减小而桩间土应力逐渐增大，即：随着荷载的增大，桩与桩间土的应力比是逐渐减小的。并且，随着褥垫层厚度增加这种变化趋势是逐渐减小的。此外，如图c所示，沉降量随着褥垫层厚度的增大逐渐增大，因此应根据具体工程实际处理应力比合理与控制沉降量在允许范围内之间的矛盾。

4结论

基于有限差分软件FLAC3D，对CFG复合地基褥垫层对地基承载力及沉降变化影响关系探讨表明：随着垫层厚度的增加，CFG桩承担的荷载减小，桩间土体承担的荷载增加，即二者应力比减小。当褥垫层厚度较大时CFG桩的高承载力就不能充分的发挥出来，且此时沉降量较大。鉴于以上分析总结说明褥垫层的作用是辩证的，对工程实践中CFG桩褥垫层的设计施工及工程经济控制具有一定的指导借鉴意义。

参考文献(References)：

[1]崔亚楠, 洪宝宁, 李凯. 高填方路段 CFG 桩复合地基变形规律计算分析[J]. 水利与建筑工程学报, 2013, 11(3): 131-134.

[2]张敏静, 罗强, 詹学启, 等. 高速铁路穿透型 CFG 桩复合地基沉降计算修正系数分析[J]. 岩土力学, 2013, 34(2).

[3]范崇民, 王浩, 邴宇峰. CFG 桩复合地基的数值模拟分析[J]. 岩土工程技术, 2013, 27(1).

[4]黄涛, 彭典华, 王存娟. CFG 桩在河漫滩吹填地基处理中的试验研究及应用[J]. 施工技术, 2013 (1): 71-75.

[5]郭成军. CFG 桩复合地基在黄土地区高层建筑中的应用探讨[J]. 煤炭工程, 2013 (1): 49-51.

[6]牛伟. 深厚砂层地区 CFG 桩地基处理试验研究[J]. 建材发展导向, 2013 (5).

[7]黎杉. 高速公路 CFG 桩复合地基设计与工程应用研究[J]. 路基工程, 2013 (3): 21-24.

[8]蒲忠, 何有善, 何腊平. CFG 桩―素土挤密桩组合型复合地基处理湿陷性黄土应用[J]. 西部探矿工程, 2013, 25(3).

[9]李平. CFG 桩复合地基的试验研究[J]. 中外建筑, 2013 (6): 115-116.

[10]鲁小兵, 徐刚. CFG 桩复合地基设计计算及应用相关问题浅析[J]. 广东水利水电, 2013 (4): 69-70.