CFG桩复合地基褥垫层的试验研究和有限元分析

【摘要】本论文首先对褥垫层作用机理概述进行了说明，然后对CFG桩复合地基褥垫层的试验进行了研究，论文详细阐述了CFG桩复合地基褥垫层的有限元分析。

【关键词】CFG桩，复合地基，褥垫层，有限元

中图分类号：TU44文献标识码： A

一、前言

我国CFG桩工程虽然取得了飞速发展，但依然存在一些问题和不足需要改进，在行业快速发展的新时期，加强对CFG桩复合地基褥垫层的试验的研究和对有限元的分析，对确保工程的质量有着重要意义。

二、褥垫层效果机理概述

CFG桩复合地基是复合地基的一种，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水搅拌构成的高粘结强度桩，和桩间士、褥垫层构成复合地基。CFG桩复合地基经过褥垫层与底部连接，无论桩端落在一般土层或是坚固土层，均可确保桩间土一直参加作业。因为桩的效果使复合地基承载力提高，变形减小，因为CFG桩不配筋，桩体使用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价。

褥垫层是CFG复合地基中处理地基不均匀的一种办法。如建筑物一边在岩石地基上，一边在粘土地基上时，选用在岩石地基上加褥垫层(级配砂石)来处理。褥垫层受上部底部荷载效果发生变形后以相应的份额将荷载分摊给桩及桩间土，使二者受力，构成了一个复合地基的受力全体，承受上部传来的荷载。因为桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载效果下，桩顶应力比桩间土应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少桩间土承受的荷载。因为桩的效果使复合地基承载力提高，沉降变形减小，并提高了土体的抗剪强度，亦可使CFG桩防止发生刺入损坏的几率。

褥垫层在复合地基中具有的效果是确保桩、土承受荷载，它是水泥粉煤灰碎石桩构成复合地基的重要条件。经过改动褥垫厚度，调整桩笔直荷载的分管，一般褥垫越薄桩承受的荷载占总荷载的百分比越高，反之亦然。调整桩、土水平荷载的分管，褥垫层越厚，土分管的水平荷载占总荷载的百分比越大，桩分管的水平荷载占总荷载的百分比越小。

三、CFG桩复合地基褥垫层的实验研讨

1、工程地质概略

烟台市环海路工业园区，拟建建筑物为现浇钢筋混凝土构造-剪力墙构造，地下1层，地上16层。地质状况如下：①层为杂填土，厚度为3～4m；②层为含泥粗砂土，厚度为1.5～2.0m，承载力特征值为160kPa，③层由黏土、粉质黏土及粉土构成，软可塑状况，承载力特征值为125kPa，厚度为2～4m；④层为砂质黏土，软塑状况，承载力特征值为220kPa，厚度为2.2～4m；⑤层为软黏土，可塑状况，承载力特征值为170kPa，厚度为3.5～4.5m；⑥层为含卵石砾砂，承载力特征值为320kPa，厚度为2.5～4m。因为天然地基的承载力不能满足上部构造的荷载需求，因此，选用CFG桩复合地基的办法进行处理。CFG桩桩长为18.0m，桩径为0.4m，桩间距为1.4m，需求处理后单桩地基承载力特征值≥400kPa。

2、实验概述

本次实验共挑选12根桩进行实验，褥垫层的材料分别选用了粗砂、砾砂和碎石3种。同一种垫层材料又选用了不一样的厚度：粗砂、砾砂褥垫层的厚度分别为0.06、0.1、0.2、0.3m；碎石褥垫层的厚度分别为0.1、0.2、0.3、0.4m。本实验联系单桩复合地基载荷实验进行。在垫层与天然土交接处埋设6个压力盒，量程为1.0MPa，载荷实验时，对不一样荷载下、不一样垫层材料及厚度时的桩间土压力进行量测，每加一级荷载P均记载压力盒显现的值。最终，求取压力盒显现的压力均匀值，求得桩间土的均匀应力sσ，然后依据承压板压力与桩间土应力及面积联系得出桩顶应力。

3、实验成果剖析

（一）、褥垫层厚度对桩土应力比的影响

褥垫层厚度对桩土应力比具有相应的调理效果，无论是粗砂、砾砂或是碎石褥垫层材料，由于褥垫层厚度的添加，桩土应力比根本呈降低趋势。褥垫层厚度小于0.2m时，桩土应力比较大，即桩承受的荷载较大，而桩间土承载能力不能充沛表现；褥垫层厚度为0.2～0.3m之间时，桩土应力比降低趋缓，桩土应力比值适中；超越0.3m后（如碎石褥垫层），曲线出现拐点，褥垫层厚度对桩土应力比的影响较小，这说明由于垫层厚度的增大，垫层对桩土应力的调整效果逐步减小。因此，褥垫层的厚度应有一个合理值，以便到达调整桩土应力比的效果，充沛表现复合地基中桩和桩间土的承载效果。从本次实验成果来看，粗砂、砾砂及碎石褥垫层的最佳厚度为0.2～0.3m摆布。

（二）、褥垫层材料对桩土应力比的影响

①在垫层厚度一样的状况下，由于荷载的增大，桩土应力比的改变规则是先减小后又逐步增大。当荷载为250kPa时，桩土应力比较大，因桩顶的褥垫层易被紧缩，桩承受的荷载较大；当荷载在400kPa以内时，由于荷载的添加，桩体发生反向刺入，此刻桩间土逐步开端表现效果，桩土应力比急剧减小；随后当荷载超越400kPa今后，曲线根本呈递加联系，此刻桩土应力比略有增大，桩承受的荷载有所添加。以砾砂为材料的垫层，褥垫层厚度为0.06m时的桩土应力比不契合这一规则。原因是垫层较薄时，构成垫层的材料颗粒较大，易发生较严峻的应力会集表象，桩间土的承载力不能得到极好的表现，因此，垫层调理桩土应力比的效果较小。②当垫层厚度一样时，同一级压力下其他条件不变时，垫层材料的粒径越大（刚度越大），其桩土应力比也较大，桩土应力比出现碎石＞砾砂＞粗砂的规则。

四、CFG桩复合地基褥垫层的有限元剖析

1、有限元剖析模型的树立

使用软件ANSYS树立桩、土、垫层效果的三维有限元触摸单元的数值模型，对竖向荷载效果下褥垫层的效果机制进行剖析。在树立有限元模型时对土体、桩体、垫层均选用三维8节点实体单元――Solid45单元模仿，在桩体与桩间土、桩体与垫层之间均设置了触摸单元。刚性面与触摸单元分别选用Target170和Conta173单元模仿，思考了桩体与桩间土之间的滑移冲突。桩体选用弹性材料模仿，土体以Drucker-Prager本构联系模仿其弹塑性。

元求解域旁边面鸿沟，求解域的底部鸿沟取值为2倍桩长深度。

2、剖析对象的概化与假定

为不失构造系统主要性质和便于上述模型的数值剖析，核算中作如下概化和假定：假定土体、褥垫层均为抱负弹塑性体；假定CFG桩体、承台为线弹性体，契合广义虎克规律；假定在笔直荷载效果下，荷载面与基土之间、桩与周土之间不发生相对滑移，其触摸面上的结点在变形过程中一直保持触摸；同一种材料为均质、各向同性体。

3、算例及核算成果剖析

（一）、算例

联系ANSYS程序特色，将土体、褥垫层视为抱负弹塑性体，选用Mohr-Coulomb屈服等效的等面积圆D-P屈服原则，以判别和履行塑性期间的核算。对于单桩疑问，能够简化为二维疑问进行核算。桩、土、垫层及承台均选用四节点SOLID42单元，外荷载按均布荷载思考。网格区分由ANSYS程序完成，在桩顶、桩端进行网格加密，单元区分总数258个，节点总数323个。鸿沟条件为两边均无水平位移，下鸿沟无水平缓竖向位移。

（二）、核算成果剖析

（1）、为桩土沉降与荷载之间的联系

由于荷载的添加，桩顶、土外表的沉降也添加。当荷载较小时，沉降根本为线性；当荷载超越相应水平，垫层内部、桩端、桩顶开端出现塑性区域，垫层、土体的变形加大，沉降呈非线性添加。这与大量已有现场实测成果所得结论是共同的。

（2）、桩-土沉降与垫层厚度的联系

随垫层厚度的添加，桩顶效果的荷载减小，使得桩顶沉降略有减小，而土体外表效果的荷载添加，加大了土外表的沉降。但当垫层厚度超越相应水平，桩顶、土外表的沉降根本不变，这说明在此垫层厚度范围内（垫层厚度为40cm摆布），桩土应力比随垫层厚度添加而减小的趋势不再显着，这表明荷载已得到充沛调整，桩顶、土外表的应力值根本不变，因此沉降也不变，此刻承台的沉降添加主要是垫层紧缩量的添加导致的。

（3）、沉降与垫层紧缩模量之间的联系

由于垫层紧缩模量添加，桩土应力比添加，桩顶分管的荷载也添加，因此桩顶的沉降也添加；而土体分管的荷载减小，因此土体的沉降也减小，承台的沉降也减小，土体与桩顶的沉降差，即上刺入量也减小。当垫层紧缩模量超越相应水平，二者的沉降改变梯度都减小，此刻垫层的调整均化效果现已很小。因此，垫层紧缩模量对CFG桩复合地基完成桩土的协同效果有重要意义。可见，在工程设计中挑选适宜的垫层紧缩模量是非常必要的。

（4）、垫层厚度与桩土应力比之间的联系

桩土应力比为桩顶应力pσ与桩间土的轴向均匀应力之比，即sp/σσ=n。由于垫层厚度增大，桩土应力比减小，最终趋向相应值。依据前面剖析可知，经过调整垫层的模量和厚度能够调理桩土应力比，较好的表现桩和土的承载力，到达降低工程造价的目的。

五、结束语

CFG桩施工管理至关重要，因此，在工程的后续发展中，要不断提高对CFG桩复合地基褥垫层的重视，加强对CFG桩复合地基褥垫层的试验研究，提高CFG桩复合地基褥垫层的有限元分析的专业性。

参考文献

[1]栗冰.CFG桩复合地基褥垫层作用机理及按变形控制设计方法的研究[硕士学位论文D].上海:同济大学，2011.

[2]阎明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京:中国水利水电出版社，2010

[3]邓跃光，黄荣.CFG桩复合地基的原理和设计[J].地质灾害与环境保护，2012

作者简介：张凯男汉山西吕梁―在读硕士研究生，研究方向：岩土体稳定性评价与治理