超高应力作用下CFG桩复合地基破坏性试验研究与有限元分析

王 帅，李曾乐

（西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054）

1 CFG桩概述及研究现状

CFG桩与桩间土在褥垫层的变形协调作用下共同承担基础与上部荷载，它能够大幅度提高地基承载力，减少工后沉降，并能有效地消除地基的差异变形[1]。随着高层以及超高层建筑的普及，研究CFG桩复合地基在超高应力作用下的承载性状成为解决此类工程实际问题的必要手段。

目前，国内对CFG桩的研究较为广泛。在CFG桩褥垫层研究方面，周爱军[2]通过单桩复合地基载荷试验与数值模拟，研究了不同厚度、不同材料的褥垫层对桩土应力比的影响。刘鹏等[3]通过模型箱试验装置，开展4个不同尺寸压板的地基土以及复合地基载荷试验和单桩载荷试验等相关试验。王勇等[4]依据实际工程背景，应用数值模拟软件模拟单桩竖向抗压静载荷试验，得出土工格栅加筋褥垫层可增大桩身受力并改善地基沉降，但效果不明显，主要起安全储备作用。

文章依托现场CFG桩复合地基的竖向增强体静载荷破坏性试验，探究其在超高应力下的承载性状。利用MIDAS GTS软件建立模型进行计算，将结果与现场试验数据对比，验证模型的合理性，并依托计算模型，探究褥垫层厚度在超高应力水平下对CFG桩复合地基承载性状的影响。

2 试验研究

2.1 工程地质概况

拟建场地位于西安市南郊高新技术产业开发区，场地地貌单元属皂河二级阶地。地质情况如下。（1）杂填土：结构松散，厚度为0.5～2m。（2）黄土状土：以坚硬，硬塑状态为主，厚度为5.3～7.9m。（3）中细砂：以细砂和粉细砂为主，厚度为2.2m。（4）黄土：土质均匀，厚度为2.1～4.2m。（5）古土壤：可塑，厚度为2.5～4.7m。（6）粉质黏土：土质均匀，厚度为3.9～7.9m。（7）中粗砂：饱和，密实，厚度为0.3～1.2m。（8）粉质黏土：属中压缩性土，厚度为1.7～5.6m。由于天然地基承载力难以满足上部荷载要求，因此采用CFG桩复合地基进行加强处理。

2.2 试验概述与结果分析

此次试验选取15m桩，桩直径为0.4m，桩距为1.4m。试验前，在复合地基顶面铺150mm厚的中粗砂褥垫层，将圆形刚性承压板放置在褥垫层上，15m桩的承压板直径d=1.58m。采用慢速维持荷载法，以堆积重物为反力，在褥垫层与天然土的交界处埋设土压力盒。试验加荷分10级，15m桩长的首级加荷为160kPa，后每级以80kPa的压力递增至1600kPa，再每级以40kPa的压力递增至极限状态，进行破坏性试验。根据复合地基静载荷试验结果绘制P-S曲线，如图1所示。

图1 15m桩在高应力作用下复合地基沉降变化

由图1可知，随着CFG桩复合地基上部荷载的增加，复合地基沉降量呈现逐渐增加的趋势，总体趋势平缓。在曲线的前2/3段，曲线可以近似看作线性变化，说明此阶段前地基的主要变形为弹性变形。当继续加载后，地基产生显著的塑性变形，出现破坏区，具体表现为沉降量的急剧增加。

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立与检验

利用MIDAS GTS建立桩-土-垫层三维模型，土的模型采用摩尔-库伦，桩体和载荷板采用线弹性模型，桩尺寸为15m×400mm，模型尺寸为30m×6m。模型侧面和底面为固定约束，表面为自由边界。首级加荷为240kPa，然后以120kPa的压力递增至1200kPa，再以60kPa的压力递增，直至复合地基停止加载。15m桩的试验与计算值对比图如图2所示。通过对比发现，模拟值和试验值总体变化趋势基本一致，说明模型建立和参数选取基本合理。

3.2 模型研究

分别取不同褥垫层厚度（0.1m、0.15m、0.2m、0.25m、0.3m、0.35m、0.4m）得出超高应力下的褥垫层厚度变化的P-S曲线图，如图3所示。

图3 超高应力作用下CFG桩复合地基不同褥垫层厚度的P-S曲线

由图3可知，随着应力的增加，不同褥垫层厚度的P-S曲线呈现下降的趋势，即复合地基沉降量随着荷载的增加也随之增加。当褥垫层厚度较小时，褥垫层流动补偿能力相对较弱，土的承载性能不能完全发挥，桩成为承受上部荷载的主要载体，导致沉降量与增量相对其他厚度褥垫层较大。随褥垫层厚度的增加，复合地基沉降量与增量也随之减小[5-6]。

4 结束语

文章通过对CFG桩复合地基在超高应力作用下的试验与数值模拟进行研究，得出如下结论：（1）随着荷载的逐渐增加，CFG桩复合地基沉降量呈现逐渐增加的趋势，总体趋势平缓；（2）适当增加褥垫层厚度可以在一定程度上增加CFG桩复合地基承载超高应力的能力，但当褥垫层厚度过厚时，对承载能力反而有降低作用，因此提出超高应力作用下最优褥垫层厚度应为0.3m左右；（3）为达到抵抗超高应力的目的，在不改变桩长的情况下，先将褥垫层厚度调至最佳，再逐步增加置换率，直到满足承载要求。