余 旭， 吳 瑤

（安徽建筑大學 土木工程學院，合肥 230022）

隨著經濟的發(fā)展，建筑物基礎的研究受到廣泛關注。在高層建筑中，軟弱地基的基礎造價占總工程造價的1／3，實踐證明，CFG樁復合地基的基礎形式可以減少工程造價。CFG樁復合地基為高粘結強度樁基形成的復合地基，CFG樁加固土體的作用主要體現在:（1）使地基的土體結構得到加強，大大提高地基土體的承載能力；（2）樁體將上部結構荷載傳遞到下部土層，使不利的應力狀態(tài)得到調整和改善；（3）它具有剛性樁的某些力學性狀，能全樁長發(fā)揮其側阻力；（4）通過褥墊層，充分發(fā)揮樁間土的承載能力，使樁、褥墊層、樁間土共同發(fā)揮作用來承擔上部結構荷載。

在工程設計中，主要考慮CFG樁復合地基總的承載能力，規(guī)范［1］中指出CFG樁復合地基的承載力計算公式，依據CFG樁的單樁承載力和樁間土的承載力特征值的疊加得到。文獻［2］中利用可靠度理論從收集到的CFG樁復合地基承載力試驗數據出發(fā)，用數學中的概率統(tǒng)計方法進行處理，計算不同荷載組合下CFG樁復合地基承載力的可靠度指標。文獻［3］通過對工程軟弱土層進行復合地基處理后的靜載荷實驗結果分析，以樁間土和單樁的承載力試驗結果為基礎計算CFG樁復合地基的承載力。以上學者的研究重在從承載能力方面驗證CFG樁復合地基設計的合理性，本文通過對某工程的數值模擬，分析了群樁效應下的CFG樁復合地基的力學性能，以優(yōu)化設計為目的進行研究，得出CFG樁復合地基中樁土的荷載分擔比，從而計算出單樁承擔的荷載，對比理論計算的單樁承載力特征值，以分析單樁承載力的發(fā)揮。

1 工程背景

研究以某剪力墻結構住宅工程為計算模型，采用CFG樁復合地基，CFG樁樁徑400mm，混凝土標號為C25，樁長14m，以1．6m等間距布置；褥墊層厚度為250mm，采用硬質巖破碎碎石。土層地質條件見表1。

表1 土層地質條件

根據規(guī)范［1］中理論計算公式可知:單樁豎向承載力特征值取單樁豎向極限承載力的1／2，根據經驗參數法可以計算出單樁豎向承載力特征值為916．88kN，所以CFG樁加固后的復合地基承載力特征值為600kpa。

2 CFG樁復合地基最終變形量計算

根據實際工程參數計算復合地基最終變形量，計算公式如下［4］:

式（1）中，n1為加固區(qū)范圍土層分層數；n2為沉降計算深度范圍內土層總的分層數；p0為對應于荷載效應準永久組合時的基礎底面處的附加壓力；Esi為基礎底面下的第i層土的壓縮模量；zi，zi－1為基礎底面至第i層土、第i－1層土底面的距離；ˉαi，ˉαi－1為基礎底面計算點至第i層土、第i－1層土底面范圍內平均附加應力系數；ξ為加固區(qū)的模量提高系數；ψs為沉降計算修正系數。各參數取值如表2，代入公式（1）計算得:

表2 沉降計算公式中的參數值

3 數值模型

3．1 模型建立

利用ABAQUS有限元分析軟件對該CFG樁復合地基進行模擬分析，由于軟件運行所需內存較大，這里以8×4群樁模型進行模擬，平面布置見圖1。土體寬度取邊樁中心以外20倍樁徑，深度取2倍樁長；筏板厚度為1．5m，筏板寬取樁中心以外600mm；墊層厚度取250mm，墊層邊取筏板邊以外400mm。土體本構關系采用摩爾庫倫模型，采用三維八節(jié)點實體單元C3D8R；樁體、筏板、墊層都采用彈性模型，選取三維八節(jié)點實體單元C3D8R。

圖1 CFG樁平面布置及不同位置樁的編號示意圖

圖2 CFG樁復合地基計算模型

邊界條件簡化為:限制樁頭、墊層、筏板四周x、y兩個方向的位移，限制土體四周x、y兩個方向的位移，限制土體底部z方向的位移。計算模型見圖2:

3．2 參數選取

參數選取如表3所示。

表3 樁、土、筏板、墊層模型參數

3．3 加載情況

在筏板頂面施加z方向的均布荷載600kpa，為了模擬上部結構施工過程，采用ABAQUS中時間步命令進行分級加載，在有限元分析步命令中，選擇靜力分析，總時間為1，時間增量步個數為10，初始增量步為0．1。

4 模擬結果分析

4．1 樁土變形分析

利用ABAQUS有限元分析軟件對該CFG樁復合地基進行模擬分析，樁土變形云圖見圖3，樁土變形結果見表4。

圖3 樁土變形云圖

由表（4）中數據可知:

（1）數值計算的基底沉降值與理論計算的沉降值相近，說明該模型的數值計算模擬的合理性；根據兩種方式計算的數值對比圖可知，理論計算值稍大于數值計算值，且不同位置處數值計算沉降值不同，基礎中間位置沉降值較大，見圖4。

表4 1?！?＃樁變形分析對比表

（2）褥墊層通過壓縮樁間土提高土的承載力，表4中5?！?＃樁（邊樁）加固區(qū)土的變形量大于1＃～4＃樁（中樁）的變形量，說明中樁的加固作用使得土體壓縮量較小。5＃樁加固區(qū)土的變形量大于8＃樁的變形量，說明基礎中間部分承擔上部荷載作用明顯。

圖4 不同樁對應基礎底面位置的數值計算沉降與規(guī)范計算沉降值對比

4．2 樁土應力對比分析

樁土應力比是樁頂應力與樁間土應力的比值，用n表示，根據文獻［4－7］中計算樁的荷載分擔比δp和土的荷載分擔比δs公式:

其中Pp為樁承擔的荷載，Ps為樁間土承擔的荷載，P為總荷載，m＝0．049為置換率。通過ABAQUS軟件計算樁土應力云圖見圖5，樁土應力比、樁土荷載分擔比對比表見表5。

圖5 樁土應力云圖

表5 1＃～8＃樁樁土應力比、樁、土荷載分擔比對比

根據表5可知:

（1）根據規(guī)范計算樁頂應力:

表5中最大樁頂應力值為2970．35kpa，在設計強度范圍內。表中1?！?＃樁樁頂應力值大于5＃～8＃樁，且1＃樁樁頂應力值大于4＃樁，不同位置樁的樁頂應力對比分析表明，基礎中間部分樁的樁頂應力值較大，對應的樁承擔上部荷載值的比例也較大。

（2）地質條件中給出的樁間土的承載力特征值為320kpa，表5中樁間土最大應力值為169．64kpa，說明樁間土的承載力未能充分發(fā)揮，造成一定程度的浪費。分析土的荷載分擔比值，說明基礎邊部土承擔上部荷載的比例較大。

（3）以4＃樁為例，根據文獻［4］計算樁承擔的荷載值:

單樁豎向承載力特征值為916．88KN，計算CFG

樁承載力利用率為

說明CFG樁的設計可以進行優(yōu)化。

5 結 論

通過本工程CFG樁復合地基數值模擬，研究了基礎沉降、樁土應力和沉降的變化，得出以下結論:

（1）通過數值計算沉降值與理論計算值的對比，說明了有限元軟件分析的合理性；邊樁加固區(qū)土的變形量大于中樁土的變形量。

（2）在本研究中可知，CFG樁和樁間土的設計存在一定的浪費，可以提高樁的承載能力利用率和樁間土承載能力發(fā)揮，來進行優(yōu)化設計。

（3）通過計算可知CFG樁承載力利用率約為74%，可以減少CFG樁數量的方法進行優(yōu)化設計，優(yōu)化設計方案是否合理需要進一步研究。

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