桩帽对CFG桩复合地基的影响

於程席 刘 鹏

中国建筑第二工程局有限公司华东公司 上海 200135

复合地基是天然地基经过地基处理，使得部分土体被加强或者被置换后，形成的具有较高承载力的地基。天然土地基和加强部分经过复杂的变形协调作用后共同承担上部的荷载[1-2]。复合地基可以由天然的土地基、桩体以及碎石垫层组成[3]。复合地基的承载力一般由现场静荷载试验确定，也可以采用经验公式对复合地基承载力进行估算[4]。由于复合地基是由桩、桩间土以及褥垫层共同作用承担荷载，其受力条件比较复杂，国内外学者采用理论计算及数值计算进行了许多复合地基承载特性的研究，也取得了一些突破性的进展[5]。

在复合地基的施工过程中，为了改善复合地基的承载特性，在设计中会在桩顶部设置桩帽[6]。本文先总结了复合地基承载力相关的经验公式，这些经验公式不能体现桩帽对复合地基承载力的影响；进而通过理论研究桩帽对复合地基承载特性的影响，得到一些定性的结论；最后通过建立现场数值计算模型，分析有桩帽与无桩帽的CFG桩复合地基的承载特性的区别，并分析了桩帽的尺寸和强度对复合地基承载特性的影响。

1 工程概况

武汉智能网联汽车测试场一期竞速区位于武汉经济技术开发区东荆河河畔，距长江约2 km，赛道规划用地面积约0.875 km2，设计速度为300 km/h，国际汽联对赛道提出了1/2 000的平整度要求，远超高速公路的设计要求。项目工期要求紧，地基土层分布变化大，沉降控制非常严格，在此情况下，控制不均匀沉降是项目质量控制的重点，根据上海赛车场的经验，结合场地天然地基土层特征，场地工后沉降应控制在15 cm以内；同时，各种桩的桩端应当进入较好的持力层，避免出现悬桩等不利于沉降控制的情况。

根据区域内路基填高和地质条件的不同，将区域内路基划分为低填区、高填区及过渡段。低填区采用CFG桩进行深层地基处理，桩间距设置为2.0 m，基本桩长16～18 m，桩顶设方形桩帽，尺寸为1.0 m×1.0 m，厚度0.3 m，桩径为0.6 m，桩帽净间距为1.0 m。CFG桩单桩承载力特征值不小于300 kN，复合地基承载力特征值不小于160 kPa，桩体强度为20 MPa。桩帽上方填筑厚20 cm碎石层，压实后铺设钢塑土工格栅，随后填筑碎石，并每隔20 cm设置1层土工格栅，直至路基顶面。

2 CFG桩复合地基理论分析

2.1 CFG桩复合地基作用机理

CFG复合地基的加固作用主要体现在以下2个方面：一是CFG桩体的置换作用，二是褥垫层的荷载传递和分担作用。

CFG桩中的水泥、粉煤灰、水通过复杂的化学反应后凝结硬化，生成不溶于水的结晶化合物，这些结晶延伸到碎石的缝隙中形成了空间网状结构，将原来的点-面结构和点-点结构的粗细骨料紧紧黏结在一起，极大地提高了桩体的弹性模量、剪切模量。在荷载的作用下，桩体的变形明显小于桩间土的变形，这样会使桩体承受的荷载大于桩间土的荷载，形成了应力集中现象，桩体承受了大部分的上部荷载，减少了桩间土承受的荷载。CFG桩桩体本身具有很强的黏结力，能够承担荷载作用，并不依赖桩周围土体的约束，CFG桩的桩土应力比一般为3～20[7]。

在CFG桩复合地基上部施加荷载后，由于桩体的强度大于褥垫层的强度，桩顶端会向褥垫层内部移动，桩顶端褥垫层受到挤压后会向周围扩散，褥垫层的扩散作用使得桩间土与地基始终保持接触，这种作用让桩间土的承载力得到充分发挥，桩和桩间土共同承载的特性得到增强。此外，CFG桩复合地基中的应力分布得到均匀化，地基的变形受力情况得到改善，地基的承载力显著提高。由于桩间土的应力提高，使得桩侧摩擦力增大，桩体的承载力提高。

在CFG桩成桩过程中，由于水泥、粉煤灰和水发生化学反应，软土中的水分也会加入反应中，反应会产生大量的热并且会使软土发生膨胀，对软土起到挤密的效果。

2.2 CFG桩复合地基承载力计算

复合地基承载力的计算较为复杂，目前有一种方法是先分别计算桩的承载力和桩间土的承载力，然后根据一定的方法对这2种力进行叠加，得出复合地基的承载力。采用这种方法需先引入面积比公式，即复合地基面积置换率（m）＝桩的横截面积（Ap）与桩的加固面积（A）的比值，即如式（1）所示。

2.3 有桩帽与无桩帽CFG复合地基承载特性分析

当无桩帽存在时，桩间土在载荷的作用下会发生压缩变形，并且上部的压缩变形往往大于下部。由于桩的弹性模量大，在上部载荷的作用下桩的顶部变形较小。桩的变形和桩间土的变形差异大，表现为桩刺入褥垫层。当有桩帽存在时，桩、桩帽及桩间土共同承受上部的荷载，桩、桩帽及桩间土的变形差异很小。上部荷载很大一部分由桩帽直接承担，桩帽下部的桩间土变形较小，桩帽一般不会刺入褥垫层。

有无桩帽时的复合地基如图1所示。有桩帽的复合地基的总沉降量较无桩帽的复合地基总沉降量小，因为桩帽的存在使得桩承担了更多的上部载荷，而桩间土承受了较小的上部载荷，荷载由桩更多地传递到地基深部。

图1 有桩帽和无桩帽复合地基示意

在荷载作用下无桩帽的复合地基的桩间土会先于桩体达到屈服极限，当桩间土达到屈服极限时，桩体仅发挥了其部分的承载力，导致复合地基的承载力未充分发挥。有桩帽的复合地基的桩体先于桩间土达到屈服极限，当桩体达到屈服极限后，由于桩间土的承载面积很大，单位面积的桩间土仅需承受较小的载荷，因此有桩帽的复合地基承载力较好。

3 桩帽对复合地基影响的数值模拟分析

3.1 数值模型与参数

通过查阅项目的地质勘察资料和混凝土浇筑资料，获取了地层、桩帽和桩体的参数，参数取值的准确性较高。计算模型选用摩尔-库仑模型，将各地层、桩帽和桩体假定为各向同性的弹塑性体。桩帽的混凝土强度等级为C30，其弹性模量为30 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3，黏聚力为3 MPa，内摩擦角为50°；桩体的混凝土强度等级为C20，其弹性模量为25.5 GPa，泊松比0.2，容重23.5 kN/m3，黏聚力为2 MPa，内摩擦角为45°；褥垫层的弹性模量为60 MPa，泊松比0.3，容重22 kN/m3，黏聚力为5 kPa，内摩擦角为40°。CFG桩复合地基位于项目低填区，地层自上而下依次为黏土、粉土、粉砂。地层参数见表1，有桩帽的CFG桩复合地基数值计算模型如图2所示，网格划分如图3所示。

表1 地层参数

图2 数值计算模型

图3 网格划分模型

3.2 上部荷载作用下数值模拟结果分析

将ANSYS Workbench中处理完的网格模型通过ANAYS经典界面导入Flac3D中进行计算，将计算结果通过Tecplot软件进行后处理。先对有桩帽的CFG桩复合地基进行计算，上部荷载施加至200 kPa，再对无桩帽的CFG桩复合地基进行计算，上部同样施加200 kPa的荷载。通过分析CFG桩的受力及桩间土的受力可知，桩帽的存在改善了桩间土的受力状态，相应地使CFG桩的受力增大，充分发挥了桩的承载作用，桩间土和CFG桩能够共同承受上部荷载。桩帽在复合地基中能够有效地改善复合地基的承载力，有桩帽的复合地基整体变形较小，施工中有必要进行桩帽施工。

3.3 桩帽的尺寸对复合地基的影响

为了研究桩帽的尺寸对复合地基承载力的影响规律，选取桩帽尺寸为0.8 m×0.8 m、1.0 m×1.0 m、1.2 m×1.2 m、1.4 m×1.4 m、1.6 m×1.6 m进行研究。数值模拟中保持其他参数不变，仅改变桩帽的尺寸，记录桩顶位移以及桩帽下桩间土位移随荷载的变化规律。桩顶位移变化如图4所示，桩帽下桩间土位移如图5所示。桩顶位移随着桩帽尺寸的增大而增大，桩间土位移随着桩帽尺寸的增大而减小。模拟结果说明桩帽尺寸越大，CFG桩所分担的荷载量也越大，产生的位移变形也越大；桩间土所分担的荷载越小，桩间土的位移变形越小。

图4 桩帽尺寸对桩顶位移的影响

图5 桩帽尺寸对桩间土位移的影响

3.4 桩帽混凝土的强度对复合地基的影响

为了研究桩帽混凝土的强度对复合地基承载特性的影响，选取桩帽混凝土强度等级分别为C20、C25、C30、C35、C40进行研究，其他参数保持不变，仅改变桩帽混凝土的强度等级。记录数值模拟结果中桩顶位移及桩间土的位移随桩帽强度变化的规律，桩顶位移随桩帽混凝土强度等级的变化如图6所示，桩间土的位移随桩帽混凝土强度等级的变化如图7所示。桩帽混凝土的强度越大，桩顶位移及桩间土位移也越小；当桩帽混凝土强度等级大于C30时，桩帽混凝土的强度对桩顶位移及桩间土位移的影响逐渐减小。桩帽混凝土强度等级在设计中需综合考虑安全及经济因素。

图6 桩帽混凝土强度对桩顶位移的影响

图7 桩帽混凝土强度对桩间土位移的影响

4 结语

1）本文对武汉智能网联汽车测试场项目CFG桩复合地基是否需要设置桩帽进行了理论分析及数值模拟研究。桩帽改变了复合地基桩及桩间土的受力和变形，实际工程中有必要进行桩帽施工。

2）桩帽的尺寸越大，桩顶的位移越大，桩间土的位移越小；桩帽混凝土的强度越大，桩顶位移及桩间土的位移越小，当桩帽混凝土强度等级大于C30时，桩帽混凝土强度对复合地基的影响力变小。