CFG桩复合地基沉降数值模拟

刘武涛， 刘增荣， 徐亚莉

1西安建筑科技大学土木工程学院（710055） 2皖西学院城市建设与环境系（237012）

CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌合形成高粘结强度桩，并由桩、桩间土和褥垫层一起组成复合地基的地基处理方法[1]。国内许多学者对CFG桩沉降进行了大量的研究，但桩复合地基的沉降计算比较困难，本文以西安某高层CFG复合地基加固工程为背景,提出一种通过ANSYS数值模拟CFG单桩承载力现场载荷试验确定计算参数的方法，并分析了褥垫层厚度对沉降的影响，为褥垫层厚度取值提供参考。

1 工程概况

建筑物共三栋，均为24层，高度74.0m,框剪结构，基础埋深5.0m,采用CFG桩复合地基主要设计参数如下表。

表1 CFG桩设计参数

2 三维有限元数值模拟

2.1 模型建立及参数选取

表2 模型参数表

模型采用SOLID42单元,网格划分桩及其周围适当加密,约束为四周水平链杆,底部铰支,顶部自由边界,模型及网格划分如图1、图2、图3。计算范围水平10倍直径,深度2倍桩长[3-4]。

用于数值模拟的现场载荷试验数据取自2号试验桩，现场载荷试验采用慢速维持荷载法,荷载为800 kPa,分8级加载，首次加载为100 kPa,后每次加载100 kPa。

2.2 单桩复合地基承载力数值模拟

有限元计算与现场载荷试验结果比较相符，说明计算采用的模型和参数比较合理。

2.3 褥垫层厚度对沉降的影响

采用上述模型,其中褥垫层厚度分别取 100、200、300、400、500，600、700、800 单位为 mm；采用面荷载，大小为 800 kPa 其数值模拟结果如图5，从图中可以看出:

1）随着褥垫层厚度增加，桩顶沉降减小。地基土表面沉降增加，原因在于桩顶应力减少，地基土应力增加。当厚度超过一定值后，桩土应力及其沉降基本不变。褥垫层起到很好的调节应力的作用。

2）褥垫层厚度越大，桩间土分担的荷载越大。从而引起桩间土沉降量的增加，进而桩反向刺入褥垫层量也在增加，还由于褥垫层自身的压缩变形,导致整个地基沉降量有所增加。

3）从图5中可以看出，当褥垫层厚度超过500mm以后,桩和土沉降量增加趋势明显减弱，趋于稳定，褥垫层对桩土应力比调整作用不再明显，原因在于当垫层超过一定厚度，褥垫层刚度增大，将与加固区共同构成双层地基。CFG桩复合地基效应将很难发挥。

3 结论

1）通过数值模拟CFG单桩承载力试验来确定计算参数的方法是可行的，能为群桩提供可靠的参数，进而用于地基沉降的进一步分析。

2）因为本文实例所采用的为级配砂石垫层，对其褥垫层厚度在100mm～500 mm之间，沉降随厚度的增加而增加，但随着厚度继续增加沉降不再显著。综合各种因素，褥垫层厚度推荐为100mm～450mm。

3）由于计算机资源有限，大面积群桩效应还停留在理论阶段，CFG桩的优化设计理论假设和实际工程还存在诸多矛盾，有关参数还难以确定，这方面问题还有待进一步研究。

[1] 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,2001

[2] 李椋京,化建新.CFG桩复合地基问题[J].岩土工程技术,2004（6）

[3] 王瑞芳,雷学文.CFG桩复合地基沉降数值分析[J].建筑科学,2003,19(2):3841

[4] 师旭超,王延垓,汪稔等.水泥土桩复合地基变形分析[J].土工基础,2002,16(3):2l-23