褥垫层刚度对CFG 桩复合地基的桩土应力比影响规律研究

任志勇

（湖南教建集团有限公司,湖南 长沙 410013）

引言

近些年，CFG 桩复合地基加固处理技术在我国的建筑、公路及铁路等领域得到了广泛应用[1]。桩土应力比是复合地基工作状态协调关系的反映，许多学者对复合地基桩土应力比的影响因素开展了研究，如Ata等[2]利用ABAQUS 研究了褥垫层厚度、桩径、桩长对复合地基桩土应力比的影响。褥垫层在复合地基中起核心调整作用，合理的褥垫层设计可改善荷载传递关系，调节桩土荷载分配，从而起到充分发挥桩间土承载能力的作用[3]。国内外学者针对褥垫层对桩土应力比影响规律进行大量研究。周爱军等[4]开展现场试验并结合数值模拟试验数据对比研究，分析了不同褥垫层厚度和变形模量刚性桩复合地基桩土应力比的影响规律。芮瑞等[5]基于模型试验和DEM 数值正交试验，提出了褥垫层协调性能评价指标并建议按相对厚度控制褥垫层参数。褥垫层对复合地基工作特性影响复杂，有必要针对不同桩间土和褥垫层模量对桩土应力分配规律的影响开展进一步研究。本研究结合CFG桩复合地基模型试验和三维数值模型研究不同桩间土体和褥垫层弹性模量参数对CFG 桩复合地基桩-土应力的影响规律，以期为CFG 桩复合地基的设计提供参考。

1 模型试验

1.1 模型试验简介

以长沙某建筑的地基处理工程为背景，根据试验条件选定相似常数为15 来制作CFG 模型桩。CFG 模型桩桩径为53 mm，桩长为1 m，梅花型布桩，桩间距为160 mm，桩身混凝土强度等级为C20。

在桩间土和桩顶表面共布设三个高精度土压力盒传感器进行测量桩间土和桩顶的应力，土压力盒布置见图1。本次采用200 kN 数控液压作动器进行试验，采用慢速维持加载法分级加载，共加载八级，每级加载25 kPa。在加载过程中每隔15 分钟记录一次沉降数据，当沉降达到相对稳定之后再进行下一级加载。

图1 桩体及土压力盒布置示意（单位：mm）

1.2 模型试验结果分析

由图2 桩土应力比随荷载变化曲线可知，桩土应力比总体呈现随荷载的增加先增加后减小最后趋向于稳定的特点。在25～75 kPa 时，桩土应力比随着荷载增加而增加，在75 kPa 时桩土应力比最大为3.38，在75 kPa 之后桩土应力比随荷载下降并稳定于2.9～3.0。

图2 桩土应力比随荷载变化曲线

2 有限元数值模型

2.1 三维有限元模型

为研究不同桩间土模量下褥垫层材料的合理选取，材料参数见表1。本研究采用能反映桩- 土褥垫层相互作用的有限元软件建立分析模型，研究桩土荷载分担的变化规律。模型范围的平面尺寸为2 m（30 倍桩径），深度取2 m（2 倍桩长）。

表1 材料参数

2.2 模型验证

由图3 可知，桩土应力比随荷载变化先上升后下降最后趋向于稳定，数值计算结果和模型试验结果整体变化规律基本一致。说明本研究所建立的数值模型较合理，可用来研究不同因素对桩土应力比变化规律的影响。

图3 有限元计算与模型试验结果对比

2.3 模型试验设计工况

为进一步研究桩间土体与褥垫层的参数变化对桩土应力比的影响，分别改变桩间土体以及垫层参数，研究分析参数波动对CFG 桩复合地基桩土应力变化的影响。以表1 材料参数为基准工况（桩间土弹性模量25 MPa，褥垫层弹性模量35 MPa），分别取褥垫层弹性模量为30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa、50 MPa，桩间土体弹性模量为20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa，每次工况采用控制单一变量进行研究参数对桩土应力比的影响，共设置25 种不同工况，具体工况见表2。

表2 数值计算工况

3 计算结果分析

3.1 褥垫层弹性模量对桩土应力比的影响

由图4 可知，在加载初期，桩土应力比较小，随着荷载的不断增加，桩土应力比先上升后下降，最终稳定在5.77～6.23。由于CFG 桩和桩间土体之间弹性模量差别大，受荷后主要是桩承担上部荷载；随着荷载不断增加，褥垫层材料不断移动补充到桩间土中，桩间土承载作用逐步发挥，桩间土应力逐步增大并趋于稳定，桩土应力比开始减小最后趋于稳定。

图4 不同褥垫层弹性模量随荷载变化曲线

由图5 可知，桩土应力比整体均随褥垫层弹性模量的增大而增大。褥垫层弹性模量从30 MPa 增加到50 MPa，五种不同工况的桩间土体的桩土应力比增幅为3.67%～23.79%。表明不同褥垫层弹性模量下低桩间土体弹性模量对桩- 土应力的影响小于高桩间土体弹性模量，而过高的褥垫层弹性模量会影响褥垫层的流动调节能力，导致桩间土的承载能力不能充分发挥，最终对桩- 土应力的影响不大。

图5 不同桩间土体工况下褥垫层模量对桩土应力比的影响（P=200 kPa）

3.2 桩间土体弹性模量对桩土应力比的影响

由图6 可知，随着荷载的不断增加，桩- 土比先增加后减小并趋于稳定，桩土应力比稳定在5.04～6.13。桩土应力比随着桩间土体弹性模量增加呈下降趋势，表明桩间土体的弹性模量越高，桩间土体的承载性能越好，桩间土所能分担的荷载越大，桩体分担的荷载减小，桩土应力比变化下降。

图6 不同桩间土体弹性模量随荷载变化曲线

由图7 可知，桩间土体弹性模量从20 MPa 增至40 MPa 时，五种不同工况褥垫层弹性模量的桩土应力比降低了7.15%至22.25%。不同桩间土体弹性模量下，褥垫层弹性模量变化对桩土应力比的影响不同，桩间土体弹性模量较低时的桩土应力比变化幅度小于桩间土体弹性模量较高时的。随着桩间土体弹性模量变化，褥垫层弹性模量越高，桩土应力比出现拐点快速下降时所对应桩间土体弹性模量越大。表明桩间土体弹性模量较高时，褥垫层弹性模量的相应提高，桩间土的承载能力才能充分发挥。

图7 不同褥垫层工况下桩间土体模量对桩土应力比的影响（P=200 kPa）

因此，选取褥垫层弹性模量时要充分考虑褥垫层和桩间土体弹性模量之间的适配关系以及二者相互作用对桩土应力比的影响，从而满足合理经济效益。

4 结论

本研究通过室内模型试验和数值模拟的方法，研究了褥垫层弹性模量变化对CFG 桩复合地基桩土应力比的影响规律，得到以下结论：

（1） 桩土应力比随荷载增加先上升后下降并趋于稳定，随褥垫层弹性模量增大而增大，随桩间土体弹性模量增大而减小。

（2） 褥垫层弹性模量变化对弹性模量较大的桩间土体影响显著，对弹性模量较小的桩间土体影响较小。

（3） 弹性模量较大的桩间土要适当提高褥垫层弹性模量，从而保证桩体的承载能力充分发挥。