CFG桩复合地基载力数值模拟与现场试验

孙广利，付健阳

吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118

CFG桩法施工相对简单,取材方便,而且经过CFG桩处理后的复合地基可以充分利用桩间土,使桩和土共同承担荷载,地基承载力提升明显.本文研究CFG桩加固后的复合地基承载力，先对试桩进行复合地基承载力试验,再通过软件进行数值模拟,分析桩身参数改变对复合地基承载力的影响效果.孙世国等[1]人运用ANSYS有限元对比分析了抚顺某沉陷区工程CFG桩复合地基加固前后的沉降值,验证了CFG桩加固沉降差异不良地基的可行性.结合现场试验和有限元计算,贾剑青等[2]人分析了某客运专线CFG桩复合地基的桩土承载特性.

1 原位试验

1.1 岩土工程条件

通过对施工场地进行岩土工程勘察,并结合区域地质资料,根据其成因及力学性质差异,将该地基自上而下分为8个工程地质单元层,分述如下:

第 ① 层耕土(Q4pd):层厚0.40 m～0.50 m,平均0.46 m;第 ② 层粉质粘土(Q4al):层底埋深1.30 m～2.00 m;第 ③ 层粉质粘土(Q4al):层底埋深2.10 m～4.60 m;第 ③ 层细砂(Q4al):层底埋深2.80 m～4.80 m;第 ④ 层粉质粘土(Q4al):层底埋深4.00 m～6.50 m;第 ⑤ 层细砂(Q4al):层底埋深6.50 m～8.20 m;第 ⑥ 层中砂(Q4al):层底埋深9.50 m～15.00 m;第 ⑦ 层卵石(Q2al+pl):层底埋深20.20 m～20.70 m;第 ⑧ 层粘土(Q1l):揭露最大厚度19.70 m.

1.2 各土层物理参数

根据室内土工试验和场地原位试验,并结合邻近场地工程建筑经验,综合分析各层土的物理力学指标和承载力特征值,见表1.

表1 各土层物理力学指标Table 1 Physical and mechanical indexes of each soil layer

1.3 CFG桩设计

场地拟建建筑物所需的地基承载力为480 kPa,现有地基承载力不能满足工程需要,因此设计采用CFG桩法对地基进行加固.

结合场地土层分布情况与各土层性质,首先选取第 ⑤ 层细沙层为基础持力层,第 ⑥ 层中沙层为基础下卧层,第 ⑦ 层卵石层为桩端持力层;然后设计桩径为400 mm,桩长为10 m,并采用桩间距为1.2 m的正方形布桩形式;最后在场地内选择7点制作试桩,之后检测单桩复合地基承载力.

1.4 CFG桩成桩与检测

进行CFG桩施工,并对施工完成的单桩复合地基进行承载力试验.试验采用液压千斤顶加载,堆载混凝土试块配重,通过反力装置提供竖向荷载.试验装置示意图如图1所示.

图1 静载荷试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of static load test device

根据现行规范[3-4],对场地内制成的7根试桩进行单桩复合地基承载力试验,加载方式采用堆重式加载,加载过程分为8级,每级加载120 kPa,试验加载至960 kPa后停止加载,绘制荷载-沉降曲线.本次试验所得的荷载-沉降曲线结果汇总,如图2所示.

图2 原位试验荷载-沉降曲线Fig.2 In-situ test load settlement curve

2 数值模拟

为分析不同桩长与桩径对单桩复合地基承载力的影响,选用Flac3d模拟软件以桩长和桩径为变量进行建模,用得到的结果分析桩长和桩径改变下对CFG桩复合地基承载力的影响.

2.1 数值模拟试验方案

为了分析不同的桩身尺寸对承载力的影响,分别以桩长与桩径为变量,设计两组模拟试验,进行对比分析.模拟方案见表2.

表2 数值模拟工况Table 2 Numerical simulation condition

2.2 数值模拟模型的建立

对CFG桩进行建模:

(1) 所建模型的长、宽、高分别为20 m,10 m,30 m.

(2) 网格划分为以桩为中心的放射状网格.

(3) 对桩周土层与持力土层进行划分:soil 1为2 m厚的细沙层,soil 2为7 m厚的中沙层,soil 3为21 m厚的卵石层.

(4) 建立承压板与桩土之间的接触面模型、桩身与土的接触面模型和桩端与桩端土体的接触面模型,并赋予三组模型相应的接触面参数.

(5) 通过控制成桩处的土体形状以控制CFG桩的长度和直径.为了模拟原位试验中使用的承压板,所建模型中选用20 mm厚,面积为1.4 m2的弹性模型代替承压板.整体模型图与承压板-桩模型图如图3,图4所示.

图3 整体模型Fig.3 Overall model diagram

图4 承压板,桩模型Fig.4 Pressure plate and pile model diagram

2.3 进行各工况模拟

通过承压板对复合地基进行加载,当8级加载完成后,记录荷载-沉降曲线,之后换用不同的桩参数再次进行试验,并对最终得出的荷载-沉降曲线进行汇总.为防止土体发生刺入破坏,数值模拟使用分级加载,并对桩顶进行沉降监测,绘制荷载-沉降曲线,其中平轴为施加荷载大小,竖轴为沉降量大小.加载完成后,在程序中直接导出Table chart.即图5所示沉降曲线.

图5 荷载-沉降曲线Fig.5 Load-settlement curve

使用与原位试验相同的桩参数进行数值模拟,所得出的沉降曲线与原位试验结果相差较小,说明用数值模拟结果分析复合地基承载力具有实际意义.因此采用桩径为400 mm,桩长为10 m的试验结果作为两组模拟的参考.模拟结果如图6所示.

图6 Z方向应力云图Fig.6 Z-direction stress nephogram

2.4 数模模拟结果分析

2.4.1 不同桩长、桩径的影响结果分析

对比分析在当前土层中CFG桩的桩径与桩长对地基承载力的影响如图7，图8所示.

图7 不同桩径对沉降量的影响Fig.7 Influence of different pile diameter on settlement amount

图8 不同桩长对沉降量的影响Fig.8 Influence of different pile length on settlement amount

通过图7可知，对比桩径为400 mm的p-s曲线,当桩径为350 mm时,施加每级荷载沉降量均增加明显,且p-s曲线随着荷载逐级增加位移变化较快;当桩径为450 mm,并且施加荷载小于600 kPa时,沉降量与桩径为400 mm的荷载-沉降曲线相似,但随荷载继续增加,p-s曲线趋于平缓.可知复合地基承载力对桩径的敏感性程度大于桩长,所以在实际工程中应优先选择合适桩径的CFG桩进行地基加固.

通过图8可知，取桩长变化量为1 m,在改变不同桩长时,3条p-s曲线几近于重合,可见当桩长变化量为1 m时,不同桩长对地基沉降量的影响不大.

对比以上两种方式可知，选择较大的桩径对地基承载力的提高效果更明显.

2.4.2 模拟结果与F3点p-s曲线对比

将原位试验结果与数值模拟结果对比可知，使用数值模拟软件对CFG桩的承载力进行分析可以满足实际工程需要.并且通过数值模拟结果可知,软弱地基经过桩径为400 mm,桩长为L=10 m的CFG桩处理后,复合地基承载力明显提升,可以为工程所用.对比结果见图9.

图9 原位与模拟试验对比Fig.9 Comparison of In-situ and simulated tests

对方案一进行分析，桩长保持不变,桩径从350 mm分别增加到400 mm和450 mm时,体积增量分别为0.294 5 m3和0.628 3 m3.与土体接触面积增量分别为1.598 2 m2和1.606 2 m2；对方案二进行分析，桩径保持不变,桩长每增加1 m时,体积增量为0.125 6 m3，与土接触面积增量为1.256 6 m2.

在桩径发生变化时,桩身体积变化量呈非线性增长,而且增长量不断增加;而改变桩长时,桩的体积和与土接触面积增量均为定值.增加桩径会提升桩与桩周土间的接触面积,从而增加侧摩阻力,提升复合地基承载力.

3 结语

将原位试验结果和数值模拟结果进行对比,所得结论如下:

(1) 通过分析现场原位试验结果发现，相同试验条件下的7组试桩在施加荷载至960 kPa时均未发生沉降突变,桩身完整.各试验点处单桩复合地基承载力特征值均不小于480 kPa,且极差满足规范要求,根据规范可以判定该场地单桩复合地基承载力特征值不小于480 kPa.满足设计要求.

(2) 虽然不同试验点的沉降量有较大的差距,但是根据由CFG桩加固软弱地基的特点来看,可以通过铺设一定厚度的褥垫层,调整桩与土之间的应力比,使复合地基整体受力均匀,减少不均匀沉降;拟建建筑物还可以采用筏板基础进一步控制不均匀沉降.

(3) 通过数值模拟结果对比增加桩径和增加桩长对复合地基承载力的影响，在保证桩间距不变的情况下,适当增加桩径,对复合地基承载力提高有较大作用，在保持桩间距不变时面积置换率也将得到提高，因此,可将提升桩径作为提升复合地基承载力的首选.