基于ANSYS模拟的CFG短桩复合地基性状研究

2011-05-04崔燕伟

铁道建筑 2011年7期

崔燕伟，满媛

(河南城建学院土木与材料工程系，河南平顶山 467036)

CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)常用来处理黏性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。CFG桩复合地基处理技术也被广泛采用。普通CFG桩的桩长多在6 m以上，本文所研究的CFG短桩是指桩长为2.5～5 m的CFG桩。CFG短桩一般选择持力层相对较高的土层作为桩端持力层。CFG短桩的特点是桩“密而短”，用较大的面积置换率，使桩承担较大的上部竖向荷载，桩土共同作用，从而达到加固地基的作用。本文结合实际工程，利用 ANSYS有限元软件对CFG短桩复合地基性状进行研究，并与处理后持力层复合地基承载力和完工后建筑物的实际沉降量进行对比，对桩体材料、桩间距、桩长、置换率、桩土模量比等因素对CFG短桩复合地基的影响进行分析，对CFG短桩复合地基处理技术提出了一些合理的建议，为工程设计和施工提供一定的参考。

1 工程实例

河南省舞钢市一高层住宅楼位于舞钢市石漫滩大道中段南侧，楼高地上16层，地下1层，东西长180.0 m，南北宽17.8 m，框架剪力墙结构，筏板基础，基础埋深6.0 m。按设计要求，处理后的地基承载力特征值要求达到260 kPa，最终沉降量不大于80 mm。

根据勘察报告，拟建场地的地层主要由第四系杂填土、冲积洪积形成的粉质黏土及下伏震旦系石英砂岩组成，自上而下分布如下:①层杂填土，层厚0.60～1.20 m;②层粉质黏土，可塑，层厚 1.00～5.80 m;②-1层淤泥质粉质黏土，可塑～软塑，层厚 2.80～7.80 m;③层石灰砂岩，全风化，层厚0.70～4.80 m;④层石灰砂岩，强风化，层厚1.30～4.10 m;⑤层石灰砂岩，中风化，揭露最大厚度16.50 m。拟建场地各岩土层均为弱透水层，地下水类型为潜水，地下水埋藏较浅，为0.50～1.20 m。场地按地层情况分为三区(见图1)，场地岩层分布不均匀，东高西低，向北缓倾。Ⅰ区岩层为第⑤层石灰砂岩，稳定分布在基坑以下8～10 m;Ⅱ区岩层为第④层石灰砂岩，分布在基坑以下3.5～5.0 m;Ⅲ区岩层为第③层石灰砂岩，岩层较浅，基坑表面即见大面积岩层，最深处也仅在基坑以下1.5 m。

图1 拟建住宅楼场地平面图

各土层的承载力特征值(fak)及压缩模量(Es)值见表1。根据场地情况，Ⅰ区采用普通CFG桩复合地基，Ⅲ区采用毛石混凝土换填。对于Ⅱ区，因换填土方量较大，不采用;钻孔灌注桩、预制桩方案造价较高，且施工工艺复杂，质量不宜控制，对周围环保排污，振动危害较大，也不采用;综合各种情况，决定Ⅱ区采用CFG短桩复合地基，结合工程经验，采用 C20素混凝土作为桩体材料，桩长3.5～5.0 m，桩端持力层为岩层，桩径400 mm，桩间距1.2 m，正方形布桩，面积置换率为8.7%。地基处理后，复合地基上覆盖厚300 mm的砂石垫层，以调节沉降。

表1 地基承载力特征值及压缩模量

2 CFG短桩复合地基性状分析

对Ⅱ区采用的CFG短桩复合地基进行性状分析。Ⅱ区基坑以下地层分布自上而下为:②层粉质黏土，可塑，层厚3.50～5.80 m;④层石灰砂岩，强风化，层厚1.30～4.10 m;⑤层石灰砂岩，中风化，最大揭露厚度16.50 m。CFG短桩桩基设计参数如下:第②层粉质黏土，桩的极限侧阻力标准值qsk=60 kPa;第④层强风化石灰砂岩，桩的极限端阻力标准值qpk=3 000 kPa。

2.1 CFG短桩复合地基计算

按《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2002)与《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)对Ⅱ区CFG短桩复合地基进行计算。

1)单桩竖向承载力特征值Ra为

式中，fcu为桩体混合料试块标准养护28 d立方体抗压强度;Ap为桩的截面积。

式中，up为桩的周长;qski为第i层土的侧阻力标准值;li为第i层土的厚度。

取以上两式的最小值，Ra=320 kN。

2)复合地基承载力特征值

式中，fsp为复合地基承载力特征值;m为面积置换率;β为桩间土承载力折减系数，取0.9;fsk为处理后桩间土承载力特征值，可取天然地基承载力特征值。计算可知，fspk=337 kPa。

2.2 CFG短桩复合地基有限元分析

依据文克勒模型，ANSYS有限元分析采用弹簧模型来模拟。考虑建模方便，将桩径400 mm的CFG短桩，按截面相等的原则，近似等效为边长为350 mm的方桩建立模型，桩身采用六面体8节点单元Solid45实体单元;桩土间的作用力用弹簧单元来模拟，采用Combin14单元;桩周表面的正负摩阻力，采用表面效应单元Sure154模拟。模型中参数按工程实际情况采用。

2.3 CFG短桩复合地基性状分析

结合ANSYS有限元模型对复合地基进行性状分析。对于普通CFG桩，尤其是桩长较长的 CFG桩来说，一般桩的沉降会受到桩的负摩阻力的影响。桩刚开始受荷后，由于桩上部的部分土体变形量大于桩沉降量，使得这部分土对桩产生向下的摩擦力，相当于在桩上施加下拉荷载，这种作用被称为负摩阻力。土体的下沉量与桩的下沉量相等的位置即为摩擦力为零的位置，此位置以上为负摩阻力，以下为正摩阻力，此位置被称为中性点，中性点处桩身轴力最大。对CFG短桩来说，这种特征仍然存在。

由图2可知，随着桩间土模量Es的减小，CFG短桩沉降增大，当荷载较小时，二者成线性关系，当荷载增大到一定程度时，桩沉降增长显著，这是因为此时桩侧与桩端的塑性区已明显展开。

由图3可知，CFG短桩沉降受桩端土影响较大，桩端土模量Es越大，桩端越坚硬，桩沉降越小，荷载较小时，这种影响较小，当荷载增大到一定程度时，桩端土对CFG短桩复合地基影响显著增大。

图2 桩沉降—桩间土模量关系曲线

图3 桩沉降—桩端土模量关系曲线

由图4可知，CFG短桩复合地基沉降受置换率影响较大，置换率越大，复合地基的沉降越小。CFG短桩复合地基正是依靠较大的置换率来减少复合地基的沉降，并提高复合地基承载力的。

由图5可知，CFG短桩桩长均较短，在3.5～5.0 m之间，桩长差别较小，对桩沉降影响不大。但总体上看，还是桩越长，桩端沉降越小。CFG短桩进行地基处理时，对桩长没有严格的要求，但桩端要求必须置于较坚硬土层上。

图4 复合地基沉降—置换率关系曲线

图5 桩沉降—桩长关系曲线

CFG短桩的材料对桩身弹性模量影响较大，其变化范围在2～30 GPa之间。从图6可知，桩身弹性模量越大，桩的沉降越小，但实际工程表明桩体弹性模量也存在一个临界值，在此基础上再增大桩体弹性模量对复合地基沉降没有意义。

图6 桩沉降—桩身弹性模量关系曲线

从图7可知，褥垫层的厚度对CFG短桩复合地基性状影响也较大。垫层越薄，桩顶应力越大，桩间土应力越小，桩本身承担的作用大于土体承担的作用。垫层越厚，桩顶应力越小。垫层厚度的增加可减小桩顶应力集中，但垫层厚度超过一定的临界值后，对桩土间应力就不会产生较大影响，垫层过厚也会使建筑物沉降增大。因此，垫层厚度要在一个适当的范围内，一般在200～300 mm之间。