基于FLAC3D的CFG桩复合地基处理工程的三维变形预测

朱登峰+王新刚+连宝琴

摘 要：CFG桩以其成本低、强度高被广泛应用于各类工程的地基处理和加固。依赖于现场原位实验和经验公式推导来判定CFG桩复合地基处理工程的处理效果，存在一定的局限性，而数值模拟分析成为分析复杂多工况下CFG桩复合地基处理工程处理效果的新途径。运用FLAC-3D对某CFG桩复合地基工程整个施工过程进行模拟分析，实现CFG桩施工三维变形预测，分析结果可为提高CFG桩的施工水平、实现信息化施工、促进该技术的推广应用提供有效的依据。

关键词：CFG桩；复合地基；FLAC3D；变形预测

引言

水泥粉煤灰碎石桩又简称CFG桩，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起组成的水泥粉煤灰碎石桩复合地基，属复合地基范畴[1、2]，以其成本低、强度高被广泛应用于各类工程的地基处理和加固[3]。

诸多学者对CFG桩问题进行了研究。董必昌等对CFG桩复合地基沉降计算方法进行了研究[4]，薛新华等基于ANFIS对CFG桩复合地基承载力进行了预测研究[5]，潘星对CFG桩复合地基沉降计算探讨[6]，唐彤芝等对CFG桩加固软基复合地基桩间距设计计算方法进行了探讨[7]，张晓敏等对CFG桩复合地基承载力进行了可靠度分析[8]。

CFG桩复合地基处理工程的处理效果仍依赖于现场原位实验和经验公式推导，但原位测试和经验公式均存在局限性不能真实反映地基的实际承载情况，而数值分析则能够基于现场的地勘资料设置材料参数并采用合理的本构模型进行模拟有效地解决复杂工况对CFG桩承载力分析的影响[9]，文章应用FLAC-3D软件对某实际工程进行三维建模，将实际工程施工过程分为两种工况，对不同工况下的加固区域外的变形进行进行变形预测分析，为提高CFG桩的施工水平、实现信息化施工、促进该技术的推广应用提供有效的依据。

1 工程概况

某工程项目总建筑面积103466平方米，该工程计划新建12栋住宅楼，地上10-18层，局部设有商业或设有单层高的地下车库，主体为剪力墙结构。场地60.0m勘察深度范围内除表层填土外，地层以第四系冲洪积地层为主，场地在勘察期间测得地下水位埋深为9.50m～10.30m（标高-9.16～-9.95m）。

文章选取拟建1#住宅地基作为模拟对象，加固区长（基坑内范围）50m，宽16m，呈矩形。该地基共设计CFG桩共80根，直径400mm，设计桩长13.5m，保护桩长1.5m，计算单桩竖向承载力特征值为730kN，桩端持力层为粉质粘土层，在加固区区域内均匀分布，桩间距为2000mm。CFG桩施工作业面标高为自然地面±0.00m，下余1.0m的保护土层厚度，如图1所示。

2 模型建立

在模型模拟CFG桩地基处理过程中，分为两个步骤，分别是：工况一，CFG桩机以自然地面作为工作平面进行CFG桩施工，保护桩长为1.5m，保护土体为2.5m。工况二，开挖2.50m，挖去CFG桩的保护土体，如图2所示；

在模型建立方法上依然采用ANSYS网格划分，将建好的模型导入到FLAC-3D中[10，11]，分别对工况1、工况2进行模拟。模型如图3、图4：

在实际模拟过程中由于勘察资料中提供的土的各项试验参数都是依据实际工程需要提供的，按设CFG桩长2倍进行建模，本次模拟模型建立为长110m、宽75m、深30m。在深度范围内土体参数只提供了①、②、③、④层，至21m，故将21.8m～30m部分全部简化为④层粉质粘土。地下水位埋深为9.2m，其下深度范围内土体参数采用上述的折减方法具体土体参数如表1：

模型应力边界条件为：加固区以外地表均布荷载q=-15000Pa（竖直向下）；位移边界条件：模型上表面为自由面，其余各面固定约束。

3 计算结果分析

为更好的观察加固区各个深度范围内的变形规律，对模型进行切片处理，切片位置如图4所示，得到两个剖面，本次模拟的目的旨在对比CFG施工前后加固区周边土体的变形量的改变，对模拟数值进行提取得出在不同工况下距离加固区不同距离点的水平位移图（图5、图6）：

对比上面各个剖面下距离加固区边界不同距离点的水平位移量可以看出，最大水平位移点位移加固区边界上，并随着距离的增加变形减小，在深度方向，变形随深度的增加而减小。在位移云图中可以看出，在没有挖去保护桩长及空桩长段的土体时最大水平变形量在加固区内部，最边缘桩的桩孔壁上，当挖去加固区域内的桩间土，最大位移点才转移到加固边界上，桩间土的挖去会增加水平位移量，但基本不会增加水平变形的影响范围，该模拟显示水平位移的最大影响距离为加固区外7m处。该工程中影响范围与桩长有密切关系。

图7 切片1工况二的Z方向位移图

工况二沉降量是CFG桩施工过城中位移变化最大的状态，由工况二Z方向位移图（图7）可以看出，在挖去保护桩长及空桩段土体后加固区底部出现向上的隆起，属于卸荷回弹，与实际情况相符合，最大回弹量为3.9×10-3cm。对比其各个工况下的水平位移量：沉降位移在数量级上远小于水平位移（水平位移数量级为10-1～100cm，沉降量数量级为10-4～10-3cm），所以在CFG桩施工过程中对周边土体的沉降影响可以忽略不计。

4 结束语

文章使用FLAC-3D软件对实际某项目进行三维建模，在建模过程中根据工程实际情况，模拟出两种工况，进行数值计算分析，对不同工况下的加固区域外的变形分开模拟分析并得出一下结论：

（1）CFG桩复合地基用于该工程中，其加固区域的CFG桩施工对加固区域以外的影响区域约为距离加固区边界7m范围内；对于该开挖仅2.5m的地基处理工程，加固区外的土体变形在CFG桩施工过程中已基本完成；基坑的沉降量在数量级上远小于水平变行量。

（2）对于CFG桩整个工程施工前后，开挖后的加固区底部出现卸荷回弹，加固区外部出现沉降，与实际情况相符合。

（3）采用FLAC-3D软件对实际CFG桩复合地基处理工程进行分析预测时能够得出较为精确的变形数值； FLAC软件在大变形问题的解决上具有较大优势，对实际工程变形模拟结果分析与实际情况相符合，在进行CFG桩复合地基处理工程的变形预测具有较好的适用性。

参考文献

[1]闫明礼，吴春林，杨军.CFG桩复合地基设计[Z]，1995（5）.

[2]叶书麟，罗宇生.地基处理[Z].1994（12）.

[3]邓小涛，张俞，孙瑞民.防止长螺旋CFG桩施工造成环境问题的措施[J].山西建筑，2007（14）：80-81.

[4]董必昌，郑俊杰.CFG桩复合地基沉降计算方法研究[J].岩石力学与工程学报，2002（07）：1084-1086.

[5]薛新华，魏永幸.基于ANFIS的CFG桩复合地基承载力预测研究[J].铁道工程学报，2010（06）：42-47.

[6]潘星.CFG桩复合地基沉降计算探讨[J].岩土力学，2005（S1）：248-251.

[7]唐彤芝，詹云刚，裴冬芒.CFG桩加固软基复合地基桩间距设计计算方法[J].公路交通科技，2005（03）：9-12.

[8]张晓敏，郑俊杰.CFG桩复合地基承载力可靠度分析[J].岩土力学，2012.12.

[9]谢蒙，李玉伟，吴立彬，等.基于土体塑性与剪胀的复合地基静载数值模拟[J].人民长江，2012，43（15）：47-50.

[10]孙书伟等.FLAC3D在岩土工程中的应用.中国水利水电出版社.2011.6.

[11]廖秋林，曾钱帮，刘彤，等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC～（3D）模型的自动生成[J].岩石力学与工程学报，2005（06）：1010-1013.

作者简介：朱登峰（1994-），男，武汉轻工大学动物科学与营养工程学院水产养殖专业三班，对工程地质和土木工程一直很感兴趣，自学了相关专业课，课余时间对基坑与边坡稳定性分析、数值模拟等方面经常进行琢磨和研究。

摘 要：CFG桩以其成本低、强度高被广泛应用于各类工程的地基处理和加固。依赖于现场原位实验和经验公式推导来判定CFG桩复合地基处理工程的处理效果，存在一定的局限性，而数值模拟分析成为分析复杂多工况下CFG桩复合地基处理工程处理效果的新途径。运用FLAC-3D对某CFG桩复合地基工程整个施工过程进行模拟分析，实现CFG桩施工三维变形预测，分析结果可为提高CFG桩的施工水平、实现信息化施工、促进该技术的推广应用提供有效的依据。

关键词：CFG桩；复合地基；FLAC3D；变形预测

引言

水泥粉煤灰碎石桩又简称CFG桩，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起组成的水泥粉煤灰碎石桩复合地基，属复合地基范畴[1、2]，以其成本低、强度高被广泛应用于各类工程的地基处理和加固[3]。

诸多学者对CFG桩问题进行了研究。董必昌等对CFG桩复合地基沉降计算方法进行了研究[4]，薛新华等基于ANFIS对CFG桩复合地基承载力进行了预测研究[5]，潘星对CFG桩复合地基沉降计算探讨[6]，唐彤芝等对CFG桩加固软基复合地基桩间距设计计算方法进行了探讨[7]，张晓敏等对CFG桩复合地基承载力进行了可靠度分析[8]。

CFG桩复合地基处理工程的处理效果仍依赖于现场原位实验和经验公式推导，但原位测试和经验公式均存在局限性不能真实反映地基的实际承载情况，而数值分析则能够基于现场的地勘资料设置材料参数并采用合理的本构模型进行模拟有效地解决复杂工况对CFG桩承载力分析的影响[9]，文章应用FLAC-3D软件对某实际工程进行三维建模，将实际工程施工过程分为两种工况，对不同工况下的加固区域外的变形进行进行变形预测分析，为提高CFG桩的施工水平、实现信息化施工、促进该技术的推广应用提供有效的依据。

1 工程概况

某工程项目总建筑面积103466平方米，该工程计划新建12栋住宅楼，地上10-18层，局部设有商业或设有单层高的地下车库，主体为剪力墙结构。场地60.0m勘察深度范围内除表层填土外，地层以第四系冲洪积地层为主，场地在勘察期间测得地下水位埋深为9.50m～10.30m（标高-9.16～-9.95m）。

文章选取拟建1#住宅地基作为模拟对象，加固区长（基坑内范围）50m，宽16m，呈矩形。该地基共设计CFG桩共80根，直径400mm，设计桩长13.5m，保护桩长1.5m，计算单桩竖向承载力特征值为730kN，桩端持力层为粉质粘土层，在加固区区域内均匀分布，桩间距为2000mm。CFG桩施工作业面标高为自然地面±0.00m，下余1.0m的保护土层厚度，如图1所示。

2 模型建立

在模型模拟CFG桩地基处理过程中，分为两个步骤，分别是：工况一，CFG桩机以自然地面作为工作平面进行CFG桩施工，保护桩长为1.5m，保护土体为2.5m。工况二，开挖2.50m，挖去CFG桩的保护土体，如图2所示；

在模型建立方法上依然采用ANSYS网格划分，将建好的模型导入到FLAC-3D中[10，11]，分别对工况1、工况2进行模拟。模型如图3、图4：

在实际模拟过程中由于勘察资料中提供的土的各项试验参数都是依据实际工程需要提供的，按设CFG桩长2倍进行建模，本次模拟模型建立为长110m、宽75m、深30m。在深度范围内土体参数只提供了①、②、③、④层，至21m，故将21.8m～30m部分全部简化为④层粉质粘土。地下水位埋深为9.2m，其下深度范围内土体参数采用上述的折减方法具体土体参数如表1：

模型应力边界条件为：加固区以外地表均布荷载q=-15000Pa（竖直向下）；位移边界条件：模型上表面为自由面，其余各面固定约束。

3 计算结果分析

为更好的观察加固区各个深度范围内的变形规律，对模型进行切片处理，切片位置如图4所示，得到两个剖面，本次模拟的目的旨在对比CFG施工前后加固区周边土体的变形量的改变，对模拟数值进行提取得出在不同工况下距离加固区不同距离点的水平位移图（图5、图6）：

对比上面各个剖面下距离加固区边界不同距离点的水平位移量可以看出，最大水平位移点位移加固区边界上，并随着距离的增加变形减小，在深度方向，变形随深度的增加而减小。在位移云图中可以看出，在没有挖去保护桩长及空桩长段的土体时最大水平变形量在加固区内部，最边缘桩的桩孔壁上，当挖去加固区域内的桩间土，最大位移点才转移到加固边界上，桩间土的挖去会增加水平位移量，但基本不会增加水平变形的影响范围，该模拟显示水平位移的最大影响距离为加固区外7m处。该工程中影响范围与桩长有密切关系。

图7 切片1工况二的Z方向位移图

工况二沉降量是CFG桩施工过城中位移变化最大的状态，由工况二Z方向位移图（图7）可以看出，在挖去保护桩长及空桩段土体后加固区底部出现向上的隆起，属于卸荷回弹，与实际情况相符合，最大回弹量为3.9×10-3cm。对比其各个工况下的水平位移量：沉降位移在数量级上远小于水平位移（水平位移数量级为10-1～100cm，沉降量数量级为10-4～10-3cm），所以在CFG桩施工过程中对周边土体的沉降影响可以忽略不计。

4 结束语

文章使用FLAC-3D软件对实际某项目进行三维建模，在建模过程中根据工程实际情况，模拟出两种工况，进行数值计算分析，对不同工况下的加固区域外的变形分开模拟分析并得出一下结论：

（1）CFG桩复合地基用于该工程中，其加固区域的CFG桩施工对加固区域以外的影响区域约为距离加固区边界7m范围内；对于该开挖仅2.5m的地基处理工程，加固区外的土体变形在CFG桩施工过程中已基本完成；基坑的沉降量在数量级上远小于水平变行量。

（2）对于CFG桩整个工程施工前后，开挖后的加固区底部出现卸荷回弹，加固区外部出现沉降，与实际情况相符合。

（3）采用FLAC-3D软件对实际CFG桩复合地基处理工程进行分析预测时能够得出较为精确的变形数值； FLAC软件在大变形问题的解决上具有较大优势，对实际工程变形模拟结果分析与实际情况相符合，在进行CFG桩复合地基处理工程的变形预测具有较好的适用性。

参考文献

[1]闫明礼，吴春林，杨军.CFG桩复合地基设计[Z]，1995（5）.

[2]叶书麟，罗宇生.地基处理[Z].1994（12）.

[3]邓小涛，张俞，孙瑞民.防止长螺旋CFG桩施工造成环境问题的措施[J].山西建筑，2007（14）：80-81.

[4]董必昌，郑俊杰.CFG桩复合地基沉降计算方法研究[J].岩石力学与工程学报，2002（07）：1084-1086.

[5]薛新华，魏永幸.基于ANFIS的CFG桩复合地基承载力预测研究[J].铁道工程学报，2010（06）：42-47.

[6]潘星.CFG桩复合地基沉降计算探讨[J].岩土力学，2005（S1）：248-251.

[7]唐彤芝，詹云刚，裴冬芒.CFG桩加固软基复合地基桩间距设计计算方法[J].公路交通科技，2005（03）：9-12.

[8]张晓敏，郑俊杰.CFG桩复合地基承载力可靠度分析[J].岩土力学，2012.12.

[9]谢蒙，李玉伟，吴立彬，等.基于土体塑性与剪胀的复合地基静载数值模拟[J].人民长江，2012，43（15）：47-50.

[10]孙书伟等.FLAC3D在岩土工程中的应用.中国水利水电出版社.2011.6.

[11]廖秋林，曾钱帮，刘彤，等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC～（3D）模型的自动生成[J].岩石力学与工程学报，2005（06）：1010-1013.

作者简介：朱登峰（1994-），男，武汉轻工大学动物科学与营养工程学院水产养殖专业三班，对工程地质和土木工程一直很感兴趣，自学了相关专业课，课余时间对基坑与边坡稳定性分析、数值模拟等方面经常进行琢磨和研究。

摘 要：CFG桩以其成本低、强度高被广泛应用于各类工程的地基处理和加固。依赖于现场原位实验和经验公式推导来判定CFG桩复合地基处理工程的处理效果，存在一定的局限性，而数值模拟分析成为分析复杂多工况下CFG桩复合地基处理工程处理效果的新途径。运用FLAC-3D对某CFG桩复合地基工程整个施工过程进行模拟分析，实现CFG桩施工三维变形预测，分析结果可为提高CFG桩的施工水平、实现信息化施工、促进该技术的推广应用提供有效的依据。

关键词：CFG桩；复合地基；FLAC3D；变形预测

引言

水泥粉煤灰碎石桩又简称CFG桩，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起组成的水泥粉煤灰碎石桩复合地基，属复合地基范畴[1、2]，以其成本低、强度高被广泛应用于各类工程的地基处理和加固[3]。

诸多学者对CFG桩问题进行了研究。董必昌等对CFG桩复合地基沉降计算方法进行了研究[4]，薛新华等基于ANFIS对CFG桩复合地基承载力进行了预测研究[5]，潘星对CFG桩复合地基沉降计算探讨[6]，唐彤芝等对CFG桩加固软基复合地基桩间距设计计算方法进行了探讨[7]，张晓敏等对CFG桩复合地基承载力进行了可靠度分析[8]。

CFG桩复合地基处理工程的处理效果仍依赖于现场原位实验和经验公式推导，但原位测试和经验公式均存在局限性不能真实反映地基的实际承载情况，而数值分析则能够基于现场的地勘资料设置材料参数并采用合理的本构模型进行模拟有效地解决复杂工况对CFG桩承载力分析的影响[9]，文章应用FLAC-3D软件对某实际工程进行三维建模，将实际工程施工过程分为两种工况，对不同工况下的加固区域外的变形进行进行变形预测分析，为提高CFG桩的施工水平、实现信息化施工、促进该技术的推广应用提供有效的依据。

1 工程概况

某工程项目总建筑面积103466平方米，该工程计划新建12栋住宅楼，地上10-18层，局部设有商业或设有单层高的地下车库，主体为剪力墙结构。场地60.0m勘察深度范围内除表层填土外，地层以第四系冲洪积地层为主，场地在勘察期间测得地下水位埋深为9.50m～10.30m（标高-9.16～-9.95m）。

文章选取拟建1#住宅地基作为模拟对象，加固区长（基坑内范围）50m，宽16m，呈矩形。该地基共设计CFG桩共80根，直径400mm，设计桩长13.5m，保护桩长1.5m，计算单桩竖向承载力特征值为730kN，桩端持力层为粉质粘土层，在加固区区域内均匀分布，桩间距为2000mm。CFG桩施工作业面标高为自然地面±0.00m，下余1.0m的保护土层厚度，如图1所示。

2 模型建立

在模型模拟CFG桩地基处理过程中，分为两个步骤，分别是：工况一，CFG桩机以自然地面作为工作平面进行CFG桩施工，保护桩长为1.5m，保护土体为2.5m。工况二，开挖2.50m，挖去CFG桩的保护土体，如图2所示；

在模型建立方法上依然采用ANSYS网格划分，将建好的模型导入到FLAC-3D中[10，11]，分别对工况1、工况2进行模拟。模型如图3、图4：

在实际模拟过程中由于勘察资料中提供的土的各项试验参数都是依据实际工程需要提供的，按设CFG桩长2倍进行建模，本次模拟模型建立为长110m、宽75m、深30m。在深度范围内土体参数只提供了①、②、③、④层，至21m，故将21.8m～30m部分全部简化为④层粉质粘土。地下水位埋深为9.2m，其下深度范围内土体参数采用上述的折减方法具体土体参数如表1：

模型应力边界条件为：加固区以外地表均布荷载q=-15000Pa（竖直向下）；位移边界条件：模型上表面为自由面，其余各面固定约束。

3 计算结果分析

为更好的观察加固区各个深度范围内的变形规律，对模型进行切片处理，切片位置如图4所示，得到两个剖面，本次模拟的目的旨在对比CFG施工前后加固区周边土体的变形量的改变，对模拟数值进行提取得出在不同工况下距离加固区不同距离点的水平位移图（图5、图6）：

对比上面各个剖面下距离加固区边界不同距离点的水平位移量可以看出，最大水平位移点位移加固区边界上，并随着距离的增加变形减小，在深度方向，变形随深度的增加而减小。在位移云图中可以看出，在没有挖去保护桩长及空桩长段的土体时最大水平变形量在加固区内部，最边缘桩的桩孔壁上，当挖去加固区域内的桩间土，最大位移点才转移到加固边界上，桩间土的挖去会增加水平位移量，但基本不会增加水平变形的影响范围，该模拟显示水平位移的最大影响距离为加固区外7m处。该工程中影响范围与桩长有密切关系。

图7 切片1工况二的Z方向位移图

工况二沉降量是CFG桩施工过城中位移变化最大的状态，由工况二Z方向位移图（图7）可以看出，在挖去保护桩长及空桩段土体后加固区底部出现向上的隆起，属于卸荷回弹，与实际情况相符合，最大回弹量为3.9×10-3cm。对比其各个工况下的水平位移量：沉降位移在数量级上远小于水平位移（水平位移数量级为10-1～100cm，沉降量数量级为10-4～10-3cm），所以在CFG桩施工过程中对周边土体的沉降影响可以忽略不计。

4 结束语

文章使用FLAC-3D软件对实际某项目进行三维建模，在建模过程中根据工程实际情况，模拟出两种工况，进行数值计算分析，对不同工况下的加固区域外的变形分开模拟分析并得出一下结论：

（1）CFG桩复合地基用于该工程中，其加固区域的CFG桩施工对加固区域以外的影响区域约为距离加固区边界7m范围内；对于该开挖仅2.5m的地基处理工程，加固区外的土体变形在CFG桩施工过程中已基本完成；基坑的沉降量在数量级上远小于水平变行量。

（2）对于CFG桩整个工程施工前后，开挖后的加固区底部出现卸荷回弹，加固区外部出现沉降，与实际情况相符合。

（3）采用FLAC-3D软件对实际CFG桩复合地基处理工程进行分析预测时能够得出较为精确的变形数值； FLAC软件在大变形问题的解决上具有较大优势，对实际工程变形模拟结果分析与实际情况相符合，在进行CFG桩复合地基处理工程的变形预测具有较好的适用性。

参考文献

[1]闫明礼，吴春林，杨军.CFG桩复合地基设计[Z]，1995（5）.

[2]叶书麟，罗宇生.地基处理[Z].1994（12）.

[3]邓小涛，张俞，孙瑞民.防止长螺旋CFG桩施工造成环境问题的措施[J].山西建筑，2007（14）：80-81.

[4]董必昌，郑俊杰.CFG桩复合地基沉降计算方法研究[J].岩石力学与工程学报，2002（07）：1084-1086.

[5]薛新华，魏永幸.基于ANFIS的CFG桩复合地基承载力预测研究[J].铁道工程学报，2010（06）：42-47.

[6]潘星.CFG桩复合地基沉降计算探讨[J].岩土力学，2005（S1）：248-251.

[7]唐彤芝，詹云刚，裴冬芒.CFG桩加固软基复合地基桩间距设计计算方法[J].公路交通科技，2005（03）：9-12.

[8]张晓敏，郑俊杰.CFG桩复合地基承载力可靠度分析[J].岩土力学，2012.12.

[9]谢蒙，李玉伟，吴立彬，等.基于土体塑性与剪胀的复合地基静载数值模拟[J].人民长江，2012，43（15）：47-50.

[10]孙书伟等.FLAC3D在岩土工程中的应用.中国水利水电出版社.2011.6.

[11]廖秋林，曾钱帮，刘彤，等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC～（3D）模型的自动生成[J].岩石力学与工程学报，2005（06）：1010-1013.

作者简介：朱登峰（1994-），男，武汉轻工大学动物科学与营养工程学院水产养殖专业三班，对工程地质和土木工程一直很感兴趣，自学了相关专业课，课余时间对基坑与边坡稳定性分析、数值模拟等方面经常进行琢磨和研究。