CFG桩复合地基群桩工作性状模拟分析

戚英杰，王运霞，姜亭亭

(1.北方工业大学土木工程学院，北京 100144； 2.中国建筑技术集团有限公司，北京 100013)

1 概述

随着我国经济的快速增长，城市人口数量也越来越多。为了更加充分地利用城市空间，大量的高层建筑取代了原有的空间利用率低的低层建筑。不断上升的建筑楼层高度和不断增加的传递至地基的荷载，使得许多天然地基不能满足最基本的设计要求。在这种情况下，CFG桩复合地基因其能充分发挥桩与桩间土的强度，且施工过程简洁，经济实惠，应用于实际工程时广受好评[1-2]。

CFG桩复合地基主要组成部分为：作为增强体的CFG桩、作为被加固体的天然地基和用于分摊荷载的褥垫层[3]。沈伟取群桩复合地基中的一根单桩为研究对象，简化了桩侧摩阻力变化规律、桩间土变形形式、桩端土反力模型，提出了一种新的刚性桩复合地基沉降计算方法[4]。李国胜整理了GB 50007—2011建筑地基基础设计规范、JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范、GB/T 50783—2012复合地基技术规范等国家标准文件中对CFG桩复合地基沉降计算的规定，并进行了对比与总结[5]。张钦喜通过研究复合地基的承载性能，提出计算复合地基承载力前先对原地基土层先进行基础深宽修正的新思路[6]。朱彦博使用ABAQUS有限元软件，分析了不同因素对于加筋碎石桩群桩复合地基沉降的影响，推导出了考虑群桩效应的沉降比计算方法，拓宽了其他桩型复合地基沉降计算的思路[7]。

目前，绝大多数的实际工程在进行CFG桩复合地基处理方案的设计时，仅考虑了最不利条件下，CFG桩复合地基单桩地基的工作性状。为了研究群桩复合地基的工作性状，本文根据实际工程的地层数据，使用ABAQUS有限元软件建立了CFG桩复合地基群桩模型，分析不同的参数对群桩复合地基工作性状的影响，希望能对以后的CFG桩复合地基设计提供参考。

2 工程实例

2.1 工程概况

工程拟建场地位于北京市海淀区清华东路与志新西路交叉口西南角石科院院内。项目拟建建筑物包括综合科研楼、A号科研实验楼、B号科研实验楼、C号实验楼建筑。本文的研究对象为综合科研楼的CFG桩复合地基群桩工作性状。

综合科研楼的基本情况如表1所示。

表1 综合科研楼基本情况一览表

根据《院本部工作区设施完善改造工程项目岩土工程勘察报告》(工程编号：2018详勘017)提供的资料，结合现场勘探、原位测试及室内土工试验成果，按沉积年代、成因类型对本工程最大勘探深度(40.00 m)范围内的地层进行分层，结果如表2所示。

表2 地层岩性分类情况一览表

2.2 地基处理方案设计要求

设计要求处理后修正前的复合地基承载力特征值：科研楼核心筒区域、A号科研实验楼、B号科研实验楼、C号实验楼地基承载力不小于320 kPa；科研楼非核心筒区域地基承载力不小于200 kPa，最大沉降量均不得超过40 mm。

科研楼基础埋深-13.4 m，本文以非核心筒区域为研究对象。假设不对天然地基进行地基处理，根据地层参数与深度，可以暂且确定持力层为第③层或者第③1层，该土层天然地基承载力标准值为120 kPa，低于设计要求的承载力标准值200 kPa，不满足设计要求，需对天然地基进行地基处理[8-10]。

3 数值模拟

ABAQUS/CAE有限元模拟软件(以下简称ABAQUS)，因其包含的材料与单元模型丰富，计算过程详细，计算功能强大，适用范围十分广泛；其丰富的功能模块，能解决模拟过程中有关静力学、动力学的诸多问题。ABAQUS在求解非线性问题方面的性能优异，非常适用于求解岩土工程相关的问题，因此本文采用此软件对CFG桩复合地基进行数值模拟。

3.1 参数取值

CFG桩复合地基处理方案参数与各土层物理力学参数如表3,表4所示。

表3 CFG桩复合地基处理方案参数

表4 各土层物理力学参数

3.2 模型建立

在ABAQUS模拟中，除地层参数外的设计参数大致如表5所示。

表5 ABAQUS模拟相关参数

本次模拟计划建立3×3九桩复合地基模型，采用正方形布桩排列，如图1所示。

根据上述设计参数与模拟计划，建立了九桩CFG桩复合地基模型，如图2所示。

经过八级加载后，上部荷载为405 kPa时的复合地基应力与位移云图如图3所示。

3.3 影响因素分析

3.3.1 中心桩桩顶沉降

距径比、桩体模量、砂石褥垫层厚度、砂石褥垫层模量的变化，对九桩模型中心桩顶沉降随竖向均布荷载变化趋势的影响如图4所示。

由图4(a)可以得出结论：桩间距相同时，上部荷载增大，中心桩顶沉降也随之增大，但其增加幅度随着上部荷载的增加逐渐减小；上部荷载处于同一级别时，桩间距增大，中心桩顶沉降也随之变大，且沉降增加的幅度也越来越大，主要原因在于桩与桩之间的相互作用降低，其应力叠加区域变小，桩体对周围土体的挤密效果下降，复合地基承载力下降，进一步造成复合地基沉降的增加。

由图4(b)可以得出结论：上部荷载处于同一级别时，如果桩体模量增加，中心桩顶表面沉降就随之减小。这是因为当CFG桩模量增大时，可以按照复合模量法对加固区的土层进行分析，最终体现为复合地基加固区的复合模量增加，从而引发整个地基沉降的减小。但桩身模量对地基沉降的调节是有极限的，当桩身模量提升到20 000 MPa后，再继续增加桩身模量，地基的沉降值减小幅度明显下滑。此时由于桩土模量比过大，桩间土的承载力没有得到充分的发挥，与进行地基处理的初衷矛盾。而桩身模量越大，对应的CFG桩的单方造价也就越高，桩身模量的盲目增加，会增加成本，使得整个地基处理方案的经济效益下降。

由图4(c)可以得出结论：上部荷载处于同一级别时，褥垫层模量的增加会导致中心桩顶的沉降也逐渐增加。这一现象的原因是：褥垫层模量的增大会降低砂石褥垫层的流动性，增加CFG桩桩顶刺入褥垫层的难度，褥垫层分担荷载给桩间土的能力也会下降，荷载更多的由CFG桩来承担，因此其他参数不变时，中心桩顶的沉降量会随着褥垫层模量的增加而增加。

由图4(d)可以得出结论：在同一荷载水平时，如果褥垫层厚度增大，中心桩顶沉降就会随之减小。这一现象的原因是：随着褥垫层厚度的增加，其流动补偿的性能逐渐增强，由CFG桩承担的荷载逐渐减少，荷载的分担也更加均匀，中心桩桩顶沉降也就逐渐减少。

3.3.2 桩间土表面沉降

距径比、桩体模量、砂石褥垫层厚度、砂石褥垫层模量的变化，对中心桩侧桩间土表面的沉降随竖向均布荷载变化趋势的影响见图5。

由图5(a)可以得出结论：由于单桩影响范围内的上部荷载最大值保持为405 kPa不变，当其他参数不变，仅桩间距增大时，单根CFG桩影响范围内的桩间土面积增大，将均布荷载转换为集中荷载来看，单桩影响范围内的荷载增大，因此造成复合地基整体沉降增大，中心桩顶沉降与桩间土表面沉降均随着桩间距的增大而增大。

由图5(b)可以得出结论：随着CFG桩模量的增大，按照复合模量法进行分析，可以视作复合地基的复合模量增加，从而引发整个地基沉降的减小。因此，上部荷载处于同一级别时，桩间土表面沉降的变化趋势与中心桩相同，也随着桩体模量的增加而减小。

由图5(c)可以得出结论：在同一荷载水平下，当褥垫层模量变化时，中心桩侧桩间土表面的沉降量与中心桩顶的沉降量的变化趋势相反，桩与桩间土沉降的差值也逐渐减小。这是因为，褥垫层的模量越大，CFG桩桩顶就越难向上刺入褥垫层。桩体向上刺入褥垫层的深度减小，褥垫层分摊荷载性能得不到发挥，由CFG桩承担的荷载逐渐增多，桩间土沉降量也就随之减小。并且，从图5(c)还可以看出，当褥垫层模量增加到120 MPa以上时，桩间土的沉降变化量已经逐渐趋于稳定。

由图5(d)可以得出结论：在同一荷载水平下，褥垫层厚度的增大会导致桩间土表面沉降的增大，其变化趋势与桩顶沉降变化趋势相反。这个现象产生的原因是：褥垫层厚度的增加使得其分摊承载力至桩间土的能力逐渐增强，桩间土因此承担更多的荷载，沉降也就随之增加。

4 结论

本文基于北京市海淀区实际工程的现场实测数据，采用ABAQUS数值模拟的方法，研究了竖向均布荷载作用下的CFG桩复合地基群桩地基的沉降变形特性，探讨了CFG桩复合地基处理方案设计中，需着重注意的几个参数对CFG桩复合地基群桩地基，桩与土差异沉降规律的影响，得到的相关结论如下：

1)上部荷载为同一级别时，桩顶表面沉降与桩间土表面沉降均会随着桩间距的增大而增大，CFG桩复合地基的整体沉降也会随之增大。

2)桩体模量不同时，中心桩顶沉降随荷载变化曲线的变化趋势并未有所改变。竖向均布荷载处于同一级别时，可以认为随着桩体模量的增大，复合地基的整体模量等效增加，从而引发整个地基沉降的减小。在实际工程中，需对CFG桩桩身模量进行合理设计，才能在保证经济效益的同时，尽可能发挥地基土的承载力。

3)增加褥垫模量，会提高CFG桩桩顶刺入褥垫层的难度，当桩顶的刺入深度减小，荷载更多的会由CFG桩来承担，因此，桩间土表面沉降与桩顶表面沉降的变化趋势相反。

4)修改褥垫层厚度时，中心桩与桩间土的应力与沉降的变化趋势也完全相反。因为褥垫层的主要功能是调节桩与土的荷载分摊情况，减小褥垫层的厚度，会导致桩体承担荷载的增加。但当褥垫层厚度超过400 mm仍在不断增加时，褥垫层的流动补偿性能就会过盈。这说明褥垫层厚度需要进行适当的选择，才能既充分发挥褥垫层调节荷载的能力，又不浪费材料，提高经济效益。