CFG桩复合地基中桩帽的作用分析

曾小波 邱恩喜，2 陈利容

(1.中铁二院，四川 成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031)

CFG桩复合地基中桩帽的作用分析

曾小波1邱恩喜1，2陈利容1

(1.中铁二院，四川 成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031)

结合某客运专线工程实例，从CFG桩及桩间土的应力和沉降两个方面对桩帽在CFG桩复合地基中的作用进行了数值模拟分析，得出了桩帽在CFG桩复合地基中的作用效果，以供参考。

CFG桩，桩帽，桩土应力，桩顶刺入量

1 概述

CFG桩是20世纪80年代末由中国建筑科学研究院地基所立题进行试验研究，随后成功应用于工程实践，它是由水泥、粉煤灰、碎石或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，最初在房屋建筑地基处理中应用最为广泛；随着CFG桩复合地基理论的不断完善与高速铁路(公路)建设需求，许多专家对其进行大量的研究，逐渐形成了比较系统的理论。近年来，CFG桩复合地基在铁路、公路地基处理中得到大量推广应用，已成为铁路、公路地基处理的主要技术之一。

2 桩帽作用数值模拟分析

文献[1][2]中指出，桩帽的存在能显著减小桩顶刺入量，从而减小CFG桩复合地基的总沉降量；增大桩帽使得桩体承担的荷载增加，从而桩体承担的荷载得到集中，但当桩帽面积与单桩加固总面积的比值超过一定值后，增加桩帽对减小CFG复合地基桩顶刺入量和总沉降作用明显减弱，因而，对于一定桩间距的复合地基存在一个最佳的桩帽尺寸。

本文将从桩土应力和沉降两方面对桩帽在CFG桩复合地基中的作用，利用FLAC3D进行数值模拟分析，从而得出桩帽在CFG桩复合地基中的作用。

2.1 模型的建立

本文结合某客运专线工程实际情况，利用FLAC3D建立铁路填土路基荷载作用下CFG桩复合地基三维模型，铁路填土路基横断面如图1所示。根据对称性，CFG桩复合地基模型在线路纵向选取单排桩加固范围；以路堤中心线为对称轴，路堤横断面方向取半路基断面建立模型。水平区域计算宽度自路堤坡脚起取1.5倍桩长范围，桩端土计算深度取2倍桩长范围。模型的左右两侧设置X方向的约束，前后两侧设置Y方向的约束。底面固定，表面自由边界。建立的模型如图2所示。

2.2 基本假定

本文在数值模拟过程中，采用如下基本假定：1)本构模型的选取：结合工程实际情况，桩、桩帽采用各向同性弹性模型；垫层、填料、桩间土及桩端土均采用摩尔—库仑弹塑性模型。2)考虑桩土之间设置接触面。3)土体按水平分层考虑，地基土层分为桩间土和桩端土。4)桩及桩帽根据面积等效换算为正方形。5)不考虑填土的分层填筑，填土荷载按一次性加载。6)基于文献[3]研究成果，采用总应力法进行分析，不考虑土体的排水固结，不考虑复合地基在荷载作用下的固结效应，并认为土体在自重应力下固结已经完成。7)复合地基中网和褥垫层视为一整体，网的作用通过转换，采用提高褥垫层参数的方法实现。

2.3 参数的选取

文中依据工点实际情况进行数值模拟，该工点地基采用CFG桩加固，桩径0.5 m，桩间距2.0 m，按正三角形布置。桩加固至强风化岩层顶面。路堤填土高度约5.0 m，桩顶铺设0.6 m厚的碎石垫层，内铺一层双向土工格栅。

CFG桩复合地基模型参数取值如表1所示。

表1 基本参数表

2.4 计算结果分析

本文着重从桩土应力比、荷载分担比及沉降方面分析桩帽在CFG桩复合地基中的作用。桩帽直径分别取0.8 m,1.0 m,1.2 m,1.4 m，模拟不同的桩帽大小对CFG桩复合地基的影响。将数值计算结果进行整理，绘制成如图3～图7所示关系图。

2.4.1 竖向变形分析

分析图3～图5可得：

1)桩间距一定时，当桩帽直径从0.8 m增加到1.4 m，桩顶刺入量从16.6 mm减小到5.2 mm，桩底刺入量从17.2 mm减小到13.4 mm，总沉降量从86.2 mm减小到73.2 mm。随着桩帽直径的增大，桩顶刺入量、总沉降均显著减小，桩底刺入量减小相对缓慢。由此可知，桩帽对减小桩顶刺入量和总沉降效果显著。

2)图5曲线表明，当桩帽直径从0.8 m变化到1.4 m过程中，开始阶段总沉降减小较快，但当桩帽直径达到1.2 m以后，总沉降减小缓慢。由此表明，当桩帽尺寸增大到一定值后，继续增加桩帽对减小复合地基沉降效果不佳。因此，对于一定的桩间距和荷载水平存在一个最佳桩帽尺寸，这与文献[2]试验结果吻合。本文计算工况下，当桩帽尺寸为1.2 m，即桩帽面积与单桩加固面积比为0.32时效果最佳。

2.4.2 桩土应力分析

绘制桩帽直径与桩土应力比、荷载分担比的关系如图6和图7所示。

分析图6和图7可得，当桩帽直径从0.8 m增加到1.4 m，桩土应力比从7.6上升到13.6，桩体承担的荷载从55%增加到91%。随着桩帽直径的增大，桩土应力比、桩体分担的荷载均增加，桩间土分担的荷载减少。由此可知，桩帽对于增大桩土应力比、增加桩体分担荷载效果显著。

3 结语

1)桩帽对于减小桩顶刺入量和总沉降量效果显著。由于加设桩帽，增加了桩顶的刚性面积，使得桩顶分担荷载的面积增大，从而桩体承担的荷载增加，另一方面，刚性面积的增大，使得填土在桩间土上方容易产生土拱效应，桩间土分担的一部分荷载可通过土拱效应向桩体转移。因此，桩间土分担荷载减小，沉降减小，另一方面，因为桩底端置于较好的持力层中，虽然桩体承担的荷载加大，但由于持力层较好，同样的荷载由桩体承担比由桩间土承担所产生的沉降小，这样便充分利用了桩和桩端土的承载能力。其次，当桩体沉降较桩间土大时，桩体承担的一部分荷载可通过桩帽传递给桩间土，迫使桩间土和桩一起下沉，桩间土的沉降量增大，这样又充分利用了桩间土的承载力。

综上所述，桩帽的作用是通过使桩间土承担的荷载减小从而减小桩间土沉降量；充分利用桩体强度和较好的持力层来分担路基填土更多荷载而不产生过大沉降量；当桩体沉降相对桩间土沉降较大时，桩体承担的一部分荷载可通过桩帽向桩间土转移，充分利用桩间土的承载能力，因此，桩帽起到一个调节作用，使得桩和桩间土共同沉降，充分发挥复合地基桩间土的作用。

2)调整桩土应力比及荷载分担比例。由于设置桩帽以后容易形成土拱，可通过设置桩帽大小调整桩土应力比和桩土荷载分担比例，从而可更好地根据工点沉降要求有针对性地进行设计计算。

3)对于一定的桩间距和荷载水平存在一个最佳桩帽尺寸。本文计算工况下，桩帽面积与单桩加固面积比为0.32时效果最佳。

[1] 芮 瑞．刚性桩加固软土地基的路堤荷载传递机理与优化研究[D]．武汉：武汉理工大学博士学位论文，2007.

[2] 郑也平．公路地基处理CFG桩桩帽作用效应试验研究与设计计算方法[J]．福建技术，2007(11)：60-62.

[3] 李国维，杨 涛．柔性基础下复合地基桩土应力比现场试验研究[J]．岩土力学，2005，26(2)：65-69.

The role analysis on pile cap in CFG pile composite foundation

ZENG Xiao-bo1QIU En-xi1,2CHEN Li-rong1

(1.China Railway Eryuan, Chengdu 610031, China; 2.Civil Engineering College, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Combining with a passenger dedicated line engineering examples, from the stress and settlement of CFG foundation pile soil two aspects made numerical simulation analysis on CFG pile composite foundation, gained the effect of pile cap in CFG pile composite foundation, for reference.

CFG pile, pile cap, pile soil stress, pile cap penetration

1009-6825(2014)18-0063-02

2014-04-13

曾小波(1981- )，男，工程师； 邱恩喜(1981- )，男，高级工程师，在读博士后； 陈利容(1983- )，女，工程师

TU473.1

A