CFG桩复合地基桩体模量对其性能的影响

喻成刚 （浙江裕众建设集团有限公司，浙江 绍兴312000）

姚卫国 （浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴312000）

近年来，CFG桩复合地基技术在工程建设中得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益和经济效益［1］。在推广的过程中也产生了一些问题。但对在复合地基中桩体的最佳强度很少研究，如CFG桩复合地基在荷载作用下应力场的分布特性尚不清楚［2］；对复合地基的负摩阻力的研究也比较少，对设计中参数的选取还有待优化；对该类复合地基的地基承载力，沉降计算方法及计算参数的确定还要进一步研究［3］。为此，笔者运用Ansys有限元软件对CFG桩复合地基桩身强度进行分析，分析其模量和强度变化对桩土应力比、承载力、沉降变形等复合地基性状的影响。

1 CFG桩模型设计参数

对于单桩问题而言，桩、土、垫层及承台均采用节点SOLID42单元；网格由程序自动完成，在桩顶和桩端进行网格加密；计算域水平方向从荷载板边缘延伸一倍荷载板宽度，竖向方向计算至桩端一倍桩长。边界条件为：两侧边均无水平位移，底边完全固定。计算采用的各材料的力学参数见表1所示。

表1 CFG桩模型设计参数

2 桩体模量的变化对桩土应力比的影响

通过不同桩体模量在一定荷载下桩土应力比的分析，结果表明 （见图1），当在其他条件不变的情况下，随着桩体强度的增大，即增大桩土模量的比值 （桩间土的模量一定），桩土应力比在逐渐增大。从图1看出，在桩体模量增加到23000MPa左右时，桩土应力比增长趋缓，在桩体模量大于30000MPa时，桩土应力比增大趋势很平缓。

3 桩体模量的变化对承载力的影响

从图2可以看出，随着桩体模量的增加，复合地基的承载力在逐渐增大，复合地基的极限承载力也在增大，这是因为对于桩体来说，由于桩体模量增加，桩体强度增大，单桩极限承载力相应变大，但当桩体达到一定模量后复合地基的极限承载力增加幅度将不大。也就是说不能完全靠增加桩体模量来提高桩体极限承载力。对于桩间土而言，其承载力与天然地基承载力密切相关，但两者并不完全相同，前者设置竖向增强体，即设置桩后对桩间土的挤密作用，增大了桩间土的地基承载力，因此，从整体上来分析，桩体模量的增大，能够增加复合地基的承载力。但桩体模量选取过大就没有实际意义。

图1 应力比-桩体模量的关系

图2 桩体模量-单桩承载力的关系

4 桩体模量的变化对沉降变形的影响

从图3中可以看到，CFG桩的模量从8000MPa增大到30000MPa，沉降从13．1mm 增加到13．7mm，说明CFG桩的模量对复合地基沉降量影响很小，当桩体模量超过25000MPa时，复合地基沉降量不再变化或变化较小。因此，在实际工程中，不应该用增加桩体的模量的方式来减小沉降，这种方法是不可取的。

5 桩体模量的变化对桩体轴向应力的影响

从图4中可以看出：随着桩体模量的增加，桩体轴向应力在增大；在同一桩体的不同部位，其轴向应力明显不同，在桩顶，轴向应力比较小，随着桩体深度的增加，轴向应力在逐渐增大，到1m左右深度时，其轴向应力又随桩体深度的增加在逐渐减小。这是由于垫层的协调变形作用，桩体模量远远大于桩周土的模量，在上部荷载的作用下，桩体具有上刺作用，使桩体向垫层刺入，结果在桩体的顶端部位应力集中较小。

图3 沉降-桩体模量的关系

图4 桩体模量-桩体轴向应力的关系

6 桩体模量的变化对侧摩阻力的影响

从图5中可以看出，复合地基在受到上部荷载时，在桩顶产生的侧摩阻力值为负值，随着桩体深度的增加，桩的负值在逐渐减小，到了1m～1．2m左右的桩深，侧摩阻力的值变为正值。从图中还看到，随着桩体模量的增加，桩体的负摩阻力在逐渐增大，且负摩阻力的区域也逐渐增大。原因是在其他条件不变的情况下，随着桩体模量的增加，桩体模量与垫层模量的比值就相应越来越大，在受到上部荷载的作用下，桩体更容易向垫层中刺入。但从整个图来看，增加桩体模量，桩体的侧摩阻力值 （无论是负摩阻力还是正摩阻力）增加不明显。可见，桩体模量不是引起桩体侧摩阻力值大小的关键因素。

7 桩体模量的变化对桩端应力的影响

通过图6可知，随着桩体模量的增加，桩端应力逐渐增大；桩体模量在5000～7500MPa时，桩端受到的竖向应力变化从725kPa到742kPa，桩体模量从7500MPa增加到30000MPa，桩端受到的竖向应力变化从742kPa到746kPa。由此可知，在桩体模量比较小时，随着桩体模量的增加，则桩端土层的竖向应力增值很大，而当桩体模量增加到一定值后，桩端土层的竖向应力增加值很小。设计中，如果要考虑增加桩体模量，依据上述规律，在桩体模量比较小的情况下，就要考虑持力层的选择问题，否则，桩体就会向下移动过大，使复合地基的变形过大。

图5 桩体侧摩阻力-桩体模量变化

图6 桩端竖向应力-桩体模量变化

8 结 论

通过上述分析，可以得到以下结论：①在承载力方面，随着桩体模量的增加，复合地基的极限承载力有明显的增大；②在沉降方面，桩体模量的增加能降低复合地基的沉降，但是随着模量的不断增大，复合地基的沉降不太明显；③在桩体模量较小的情况下，桩土应力比增加很大，当模量较大时，桩土应力比增长不明显；④在桩体模量较小时，桩体的负摩阻力小，当桩体模量变大时，桩的负摩阻力逐渐增大，而负摩阻力的增大，对桩间土承载力是有利的；⑤发挥土作用方面，一方面来讲，增加桩体的模量能够增加桩间土的约束作用，产生更多的上刺和下刺作用，使桩间土更能被 “挤压”提高桩间土的承载力。

［1］阎明礼，张东刚．CFG桩复合地基技术及工程实践 ［M］．北京：中国水利电力出社，2001．

［2］龚晓南 ．复合地基理论及工程应用 ［M］．北京：中国建筑工业出版社，2002．

［3］易发成，李少和，于远忠，等．CFG桩复合地基负摩阻力的几个问题 ［J］．建筑技术，2006，37（3）：184-186．