CFG桩复合地基褥垫层厚度研究的有限元分析

[摘要] 褥垫层是CFG桩复合地基的重要组成，用于联结复合地基和基础。褥垫层的厚度对CFG桩和桩间土承载能力的发挥以及CFG桩对基础的冲切起着比较敏感的作用。本文将采用有限元软件Abaqus模拟复合地基，研究褥垫层厚度对于桩土协调工作，桩与基础的相互作用的变化规律。

关键词：CFG桩复合地基，褥垫层，应力集中，有限元

中图分类号：TU47文献标识码： A 文章编号：

1 引言

CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和褥垫层组成，共同承担上部荷载。其中，CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩（Cement Flyash Gravel Pile）的简称，由碎石、石屑、粉煤灰掺适量水泥加水拌合，用振动沉管打桩机或其他成桩机具制成的一种具有一定粘结强度的桩。褥垫层是CFG桩复合地基的重要组成，由碎石、级配砂石和粗砂等散体材料组成，用于联结复合地基和基础。褥垫层的厚度对CFG桩和桩间土承载能力的发挥，CFG桩对基础的冲切起着比较敏感的作用。因此选择合适的褥垫层厚度，可以最大程度的协调桩与桩间土的共同作用，保证桩和基础的完美联结，确保CFG桩承受水平荷载之后稳定安全。李宁等利用数值方法，系统研究了不同模量桩体复合地基施加褥垫层之后的承载性状。周爱军等根据现场试验和有限元模拟，分析了不同褥垫层厚度，不同褥垫层刚度以及不同的压力下的桩土应力比变化情况。张建伟等通过有限元数值模拟分析，得到了不同褥垫层厚度及其压缩模量对桩土沉降的影响规律。郑东明等采用邓肯—张模型，通过自行编制的程序，研究了桩身轴向应力和桩土应力比与褥垫层厚度的关系。本文将采用有限元软件Abaqus模拟复合地基，研究褥垫层厚度对于桩土协调工作，桩与基础的相互作用的变化规律。

2 褥垫层的作用与作用机理

2.1 褥垫层的作用

（1）保证桩、同承担荷载

在桩基础中，只有承台产生沉降，桩间土才会发挥一定的承载能力，而对于端承桩，承台沉降变形一般很小，桩间土的承载能力很难发挥。增加褥垫层可以充分发挥桩间土的承载能力，减少桩的数量，可以降低工程造价。

（2）减少基础底面的应力集中

应力通过褥垫层传递给复合地基，桩会相对于地表会发生向上的穿刺，由于褥垫层的存在，桩与基础没有直接接触，可以保证基础底面的受力均匀。

（3）褥垫层可以调整桩土荷载分担比

当荷载一定是，褥垫层越厚，桩间土承担的荷载越多；褥垫层厚度一定是，荷载越大，桩承担的荷载所占比例越大。

（4）褥垫层可以调整桩、土水平荷载分担比

有关试验表明，褥垫层厚度越大，桩顶水平位移越小，当褥垫层厚度不小于10cm时，桩体不会发生水平折断。

2.2 褥垫层的作用机理

在竖向荷载作用下，由于桩体的压缩模量远远大于土的压缩模量，桩的变形要小于土的变形，褥垫层能够起到协调这种变形的作用，桩体向褥垫层刺入，构成褥垫层的颗粒状散体材料不断补充到桩间土表面上，基础通过挤压褥垫层和桩间土接触，使得桩和桩间土始终参与工作，并使桩间土在桩体沉降不断增加的情况下不断发挥其承载力，随着时间推移，桩和桩间土的荷载分担趋于一常值即使桩端落在良好的土层上，也能由桩和同分担荷载。

3 单桩复合地基有限元分析

3.1 模型的建立

在地质条件不好的桥涵工程中，采用复合地基，因为本文主要研究单桩褥垫层厚度对工程性状的影响，所以在建模的时候，以单桩为中心建立一个轴对称模型，其中，模型数据分别是：桩体直径为0.5m，桩长15m，褥垫层和基础全宽度为4.0m，基础厚度为1.5m。土体深度为30m，宽度为15m，模型尺寸如图1。对于桩体和基础采用线弹性模型，土体和褥垫层采用摩尔—库伦模型，各材料参数如表1。

表1

图1 模型几何尺寸示意图（单位：mm）

3.2 计算结果分析

3.2.1 不同褥垫层厚度对桩土协调工作的影响

复合地基承载力的计算公式有两个表达方式，其中一种涉及到桩土应力比，如式1所示

（1）

式中n为桩土应力比，是复合地基设计的一个重要参数，表示着桩土之间应力分配的比值，其公式如2所示

（2）

根据有限元模拟，如图2所示随着褥垫层厚度的增加，桩土应力比将会减小，在10cm到30cm之间桩土应力比变化较大，而在30cm到50cm之间桩土应力比变化则比较平缓。当褥垫层较小时，桩土应力比很大，不能发挥桩间土的承载能力。当褥垫层较大时，桩土应力有可能会缩小为1，桩的承载能力将不会发生作用。所以选择桩土应力比比较适中的褥垫层厚度最为合适。

图2 桩土应力比与褥垫层厚度关系图

3.2.2 不同褥垫层厚度对基础的影响

图3~7分别是褥垫层厚度为10cm到50cm时基础的竖向力云图，图8是基础竖向力与褥垫层厚度和距中心距离的关系图。如图3~7所示，随着褥垫层厚度的增加，基础所承受的最大竖向力从1034kPa下降到600kPa，如图8所示，随着褥垫层厚度的增加 ，距离基础中心0.5m范围内是，竖向应力的降低分别从700kPa到300kPa。综上，随着厚度的增加，在基础中心处产生的应力集中将会减小，为防止应力集中导致基础的冲切破坏，褥垫层厚度不能太小，褥垫层过大时，又不能完全发挥桩的承载能力，所以可以选用一个比较适中的软垫层厚度。

图3 褥垫层厚度10cm的基础受力云图

图4 褥垫层厚度20cm的基础受力云图

图5 褥垫层厚度30cm的基础受力云图

图6 褥垫层厚度40cm的基础受力云图

图7 褥垫层厚度50cm的基础受力云图

图8 不同褥垫层厚度和基础竖向力的关系图

4 总结

通过对褥垫层不同厚度的有限元模拟，可以得到以下结论：

（1）随着褥垫层厚度的增加，桩土应力比将会减小。当褥垫层较小时，桩土应力比很大，不能发挥桩间土的承载能力。当褥垫层较大时，桩土应力比会缩小，桩的承载能力将不能完全发挥。

（2）随着厚度的增加，在基础中心处产生的应力集中将会减小，为防止应力集中导致基础的冲切破坏，褥垫层厚度不能太小，褥垫层过大时，又不能完全发挥桩的承载能力，所以可以选用一个比较适中的软垫层厚度。

参考文献

[1]黄生根,张希浩等.地基处理与基坑支护工程[M].中国地质大学出版社,2004.

[2]李宁,韩煊.褥垫层对复合地基承载机理的影响[J].土木工程学报,2010,34(2):68—73.

[3]周爱军,栗冰等.CFG桩复合地基褥垫层的试验研究和有限元分析[J].岩土力学,2010,31(6):1803—1808.

[4]张建伟,戴自航等.CFG桩复合地基褥垫层效用的有限元分析[J].岩土力学,2005,26:171—174.

[5]郑东明,邓安福等. CFG桩复合地基褥垫层效用的有限元分析[J].地下空间,1999,19(2):89—92.

[6]费康等.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].中国水利水电出版社,2010.

作者简介

姓名：任亚静 性别：女出生年月：1984.03 学历：大学本科 职称:助理工程师