CFG 桩复合地基有限元分析

潘宏鑫

(宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川750021)

当天然地基不能满足上部结构对承载能力的要求时，应该考虑改善和提高天然地基的承载能力，以满足现代高层建筑对地基承载能力的需求。复合地基(composite foundation)指部分土体被增强或被置换形成增强体，由增强体和周围地基土共同承担荷载的地基。 在国内外建筑工程地基处理中采用复合地基的比较多，即使在地质条件较好的工程情况下，为了达到承载能力和经济适用的要求，材料桩逐渐被工程师们在实际工程中所使用。 作为材料桩的一种，CFG 桩已经广泛应用我国建设工程项目之中，只是在计算理论方面存在着落后于实践工程的问题，还有待于工程师们在这方面多做一些研究分析。

CFG 桩(cement-flyash-gravel pile)是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌合形成高黏结强度桩，并由桩、桩间土和褥垫层一起组成复合地基的地基处理方法。 具有施工便利、操作方便、污染小、工程造价较低等优点， 逐渐地被工程师们在我国建设工程之中所采纳。

在本文中，对CFG 桩复合地基采用有限元数值模拟分析，结合银川地区具体工程实例，分析了理论和实际值之间存在的差异，为银川地区在实际工程中采用CFG 桩复合地基提供一些合理的参考。 目前银川地区采用CFG 桩复合地基处理技术缺乏理论和试验依据， 只能是参照行业标准《建筑地基处理技术规范》所给出的承载力、沉降进行计算分析。

1 工程实例

宁夏银川市某商业广场位于银川市金凤区， 其Ⅱ-6# 住宅±0.00标高为1114.20m， 基础底标高为1107.20m， 基础与CFG 桩之间做300mm 厚的砂石垫层，总建筑面积27500㎡，总高度99m，框架剪力墙结构，地上32 层，地下1 层，基础埋深7m，使用筏板基础。 综合考虑，采用C25 素混凝土的桩体材料，设计桩长为11m，桩直径为400mm，桩的布置为正三角形布桩其桩间距1.2m，面积置换率为0.10，总桩数1248 根，经过处理后，设计要求应具有不小于520kPa 的复合地基承载力特征值。

工程区域位于银川市区，场地较为平坦，属银川平原的中部，由于“喜山”构造运动使得鄂尔多斯地台和贺兰山褶皱带相对上升，形成一种“银川地堑”现象，场区地貌单元属于Ⅱ级阶地的黄河冲积平原。 根据现场钻孔揭露的情况，表面浅层为素填土，其较深处为第四系黄河黄河冲积及湖积地层，主要以黏性土、砂土为主，其自上而下分为：第①层是杂填土(Q4m1)：成分复杂，杂色，以建筑垃圾、粉细砂、生活垃圾为主，稍湿，松散。 其层厚0.40—6.60m，平均厚度1.85m。 不宜用作基础持力层，应当挖除。第②层素填土(Q4m1)：以粉土、粉细砂、粉质黏土为主，黄褐及灰褐色，含炭质、煤屑、石灰渣、碎骨、植物根茎及有机物等杂质，可塑，稍湿，稍密，属于老填土，为中、高压缩性土。 其层厚在0.80—5.90m 之间，平均厚度2.60m。 承载力特征值fak是120kPa，弹性模量E 是8.35MPa。第③层粉质黏土(Q4a1+1)：以粉质黏土、黏土为主，偶见蓝色条纹,灰褐及黄褐色，土层具有光泽反应，干强度、韧性高，土质均匀性较差，呈可塑状态，属中等压缩性土。 其层厚在0.50—5.00m之间， 平均厚度1.25m。 承载力特征值fak是200kPa， 弹性模量E 是8.50MPa。 第④层粉土(Q4a1+1)：以粉土为主，黄褐色，稍湿—很湿，稍密—密实，韧性、干强度低，土质较为均匀，属中压缩性土。 其层厚在0.50—3.00m 之间，平均厚度1.35m。 承载力特征值fak是180kPa，弹性模量E 是9.55MPa。 第⑤层粉细砂(Q4a1)：钻孔过程中都揭露了这层，上部以粉砂为主，黄褐色，细砂次之，稍湿—饱和，局部松散、密实，属中性压缩、低压缩性土层；中部为细砂，黄绿色，密实；下部以细砂为主，灰色，粉砂次之，饱和，密实，随着深度的增加，密实度也在增加，属低压缩性土层。颗粒成分以长石、石英为主，其中还含有云母及暗色矿物， 其颗粒结构均匀， 分选性较好。 钻头未穿透此层， 揭露厚度在35.50—39.60m 之间。 承载力特征值fak是300kPa， 弹性模量E 是26.00MPa。

2 CFG 桩复合地基有限元分析

运用有限元计算分析CFG 桩复合地基，其中ANSYS 软件中参数的设置应符合实例， 桩身和土体均采用六面体8 节点单元SOLID45实体单元，采用Drucker-Prage 屈服准则，桩为线弹性本构模型，土体为Drucker-Prage 材料本构模型， 刚性目标在接触上为170Targel 单元，接触面为173Targel 单元。 在划分单元时，桩体和褥垫层网格划分较密，土体网格划分相对较疏，模型划分后计算网格单元23223 个、节点总数27887 个。模型底面假定为固定边界，无变形，模型的两对称面进行相应对称约束，侧面无水平位移，表面为自由边界。

本工程CFG 桩复合地基桩间距为1.2m 的正三角形方式布置桩，采用直径为1260mm 的圆形承压板进行现场试验，假定荷载均匀的分布在基础上，荷载的作用方向与基础面相垂直，按照设计要求CFG 桩复合地基承载力特征值520kPa 的2 倍，分8 级进行逐级加载分析，即施加在作用面的荷载顺序为：130—260—390—520—650—780—910—1040kPa。

3 CFG 桩复合地基性状分析

根据具体工程案例现场试验所测得数据，有限元计算成果与之对比分析，得出有限元建模分析CFG 桩复合地基是否合理可行，模拟分析不同因素影响下的CFG 桩复合地基的基本性状。

3.1 荷载的影响

根据实例现场试验测得CFG 桩复合地基沉降数据， 选取3 个#试验点，进行数据的整理分析，绘制其P-S 曲线，如图1 所示。

图1 CFG 桩复合地基实例现场试验P-S 曲线

由图1 可知，曲线未出现比例界限且未达到极限荷载，其安全系数k 值取2， 相对沉降s/d 取值0.008 所对应承载力最小值为798.4kPa。 综合考虑，取最大加载量1040kPa 的一半即520kPa 为复合地基承载力特征值，符合本工程在设计规范要求。可以看出，随着荷载增大，沉降呈线性增加。

根据本工程案例现场试验值与有限元计算模型模拟成果作对比分析，如图2 所示。

由图2 可知，CFG 桩复合地基试验值与有限元计算值P-S 曲线基本吻合，定量大小比较接近。 主要是实际工程中土体本构关系较复杂，随着荷载的增加，把土体简单的看成理想弹塑性模型与实际不太相符。 可以看出，有限元计算模型还是能够反映CFG 桩复合地基的影响情况，说明了有限元分析具有一定的可行性和合理性。

图2 CFG 桩复合地基实测值与计算值P-S 曲线

3.2 桩长的影响

有限元计算模型模拟不同桩长在荷载作用下的沉降变形，得到图3 所示的各级荷载作用下桩长对沉降的影响曲线。

图3

由图3 可知，桩长较短时，桩长的增加对减小地基沉降效果影响比较明显， 当桩长达到一定长度时增加桩长对沉降影响就不是很明显。 增加桩长时，桩体承担的荷载会增大，土体承担的荷载会减小，这样一来沉降就随之减小。

3.3 褥垫层厚度的影响

针对不同垫层厚度有限元计算模型模拟分析，得到如图4 所示的各级荷载作用下垫层厚度对沉降的影响曲线。

图4

由图4 可知，随着对计算模型褥垫层厚度作增加的调整，使得地基沉降逐渐减小。 当褥垫层厚度超过一定值后效果不再明显，荷载已经得到了充分的调整，沉降不再变化，所以褥垫层厚度有一个合理的区间。

4 结论与建议

在CFG 桩复合地基施工完毕后，保护、养护后经对其进行现场试验， 本工程案例单桩静载试验、CFG 桩复合地基静载试验以及低应变动力试验检测均符合工程设计规范要求，得到满足本工程设计要求的CFG 桩复合地基承载力特征值为520kPa。

（1）CFG 桩复合地基施工方便，污染小，造价低廉，具有很好的经济效益和社会效益，在银川地区应推广使用。

（2）CFG 桩复合地基桩端应选在本工程中粉细砂这样的较坚硬土层作为持力层，以保证桩端土层具有较高的极限端阻力；桩周土层应当具有一定的极限侧阻力， 以保证桩土共同作用时较好地达到CFG桩复合地基工程实际要求。

（3）CFG 桩复合地基布桩时， 应布置较密， 桩间距在1.2 至1.5m左右，有较大的面积置换率，以满足复合地基处理要求。

（4）通过现场试验和有限元计算，CFG 桩复合地基褥垫层厚度应为200—300mm，桩身采用C15—C25 素混凝土。

［1］JGJ 79—2002 建筑地基处理技术规范[S].中国建筑工业出版社,2002.

［2］GB 5007—2011 建筑地基基础设计规范[S].中国建筑工业出版社,2011.

［3］JGJ 94—2008 建筑桩基技术规范[S].中国建筑工业出版社,2008.

［4］龚晓南.地基处理技术发展展望[J].地基处理,2000.

［5］陈涛.CFG 桩复合地基各因素对沉降影响的数值模拟研究[J].工业建筑,2009.