CFG桩复合地基变形及承载力数值模拟研究

2024-04-24李修海

工程机械与维修 2024年1期

李修海

摘要：随着高层或超高层建筑的不断发展，人们对地基的变形和承载能力要求不断提高。以洛阳市瀍河回族区中窑村棚户区改造项目（三期）安置房一期工程为例，采用某有限元软件，对CFG桩复合地基在不同褥垫层厚度和模量条件下变形情况和承载能力进行数值研究。研究结果表明：褥垫层能够有效减少地基沉降量并提高桩身承载能力。但厚度过大会使得桩身承载能力提升不明显，出于经济的角度，需要合理设置褥垫层厚度。随褥垫层模量提升，产生的应力集中现象能够增大桩体的受力效果，但过大厚度可能使最大应力值点上移，从而使得桩基发生浅层破坏。

关键词：CFG桩；变形；模拟；承载力

0 引言

CFG桩复合地基是一种新型的地基加固技术，是在传统桩基础的基础上引入了玻纤增强材料（CFRP）进行加固，以提高地基的承载力和稳定性[1]。随着城市建设的不断发展和城市化进程的加速，软土地基的工程问题越来越突出，因此研究CFG桩复合地基的变形及承载力，对于解决软土地基工程问题具有重要的意义[2]。

CFG桩复合地基的研究始于20世纪80年代末期，当时相关学者主要对其力学性能和工程应用进行了初步研究[3-4]。随着研究的深入，越来越多的学者开始关注CFG桩复合地基的变形及承载力研究。针对CFG桩复合地基变形及承载能力的研究，主要包括实验研究和数值模拟研究两种。

实验研究是目前对CFG桩复合地基变形及承载力的研究主要方法之一，它主要通过模型试验和现场试验来进行[5]。模型试验是通过制作缩小比例的模型，模拟实际工程中的荷载和地基土的力学性能，通过对模型试验的观测和数据分析，来研究CFG桩复合地基的变形及承载力。而现场试验是在实际工程中，通过布设传感器和测量设备，对CFG桩复合地基的变形及承载力进行实时监测和数据采集，通过对实测数据的分析，来研究CFG桩复合地基的变形及承载力[6]。

数值模拟研究则主要采用有限元方法和数值分析方法，通过建立CFG桩复合地基的数学模型，采用计算机软件，模拟实际工程中的荷载和地基土的力学性能，借助对数值模拟结果的分析和比對，来研究CFG桩复合地基的变形及承载力。

试验研究基于其准确性和直观性，一直作为CFG桩复合地基变形承载能力研究的主流方法，但传统试验方法受制于试验条件和环境的限制，往往研究成本较高。

鉴于此，本文以洛阳市瀍河回族区中窑村棚户区改造项目（三期）安置房一期工程为例，借助有限元模拟软件，对CFG桩复合地基在不同褥垫层厚度和模量条件下变形情况和承载能力进行研究，为高层建筑下CFG桩复合地基的设计与加固处理提供一定的参考依据。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

洛阳市瀍河回族区中窑村棚户区改造项目（三期）安置房一期，工程位于洛阳市瀍河区瀍涧大道与班家街交叉口东侧100m路北。一期占地面积约5.8万m2，建筑面积约25.03万m2，其中地上建筑面积约16.76万m2，地下建筑面积约8.27万m2。

主楼地基采用CFG桩和素土桩相结合的方式，地库和人防区域采用夯实水泥土桩和素土桩相结合的方式，以解决施工场地湿陷性问题，提高地基承载力。

1.2 土层参数

研究区土层参数如表1所示。

1.3 1#楼单桩竖向抗压静载试验数据

根据室内试验资料，其中安置房一期1#楼的单桩竖向抗压静载试验数据如表2所示。

其中该桩的最大加载量为1300kN，最大位移量为3.06mm，最大回弹量为1.65mm，最大回弹率为53.92%。

2 模拟方法

本次模拟采用有限元软件进行，将模拟的土体划分为3层，每层均具备均质性，其性质相同。将CFG状体和复合地基承压板设置为理想弹性模型，并选择摩尔-库伦模型作为各桩之间区域土体和褥垫层本构模型。整个过程中仅对地基受荷及其加载过程进行模拟，对地基卸荷回弹不做考虑。

模拟研究取其横向范围为10m，纵向即深度取桩长的1.5倍，承压板直径取0.45m，随后模拟研究在一定地质条件下褥垫层厚度及其模量大小对CFG桩复合地基变形及承载力的影响，通过对不同褥垫层厚度和模量大小下CFG桩复合地基的沉降量和桩身轴向应力变化来反映CFG桩复合地基在不同条件下的变形及承载能力情况。其中，褥垫层厚度共设置5种，分别为0mm、100mm、200mm、300mm、400mm。褥垫层模量主要设置3种，分别为30MPa、60MPa、90MPa。其中CFG桩复合地基网格划分如图1所示。

3 结果分析

3.1 褥垫层厚度影响分析

3.1.1 不同褥垫层厚度在荷载作用下地基沉降量

首先对不同褥垫层厚度在不同程度荷载作用下的CFG桩复合地基沉降量进行研究。共设置100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa共6级荷载，分别在0mm、100mm、200mm、300mm、400mm共5种褥垫层厚度下进行沉降模拟。根据模拟结果，得到了不同褥垫层厚度在荷载作用下的地基沉降量变化趋势如图2所示。

从图2可以看出，在同级别的荷载作用下，设置褥垫层的CFG桩复合地基沉降量，较不设置褥垫层的更小，并且随着褥垫层厚度的增加，沉降量会随之减小，但减小幅度会在褥垫层厚度达到300mm时降低。

此结果表明，褥垫层的设置会对地基沉降起到一定的作用，但考虑到作用效果的大小和成本问题，需要对褥垫层进行合理设计。

3.1.2 不同褥垫层厚度下桩身轴力

为了反映褥垫层厚度对桩体轴力的影响，根据模拟的结果，绘制出如图3所示的不同褥垫层厚度下桩身轴力的变化情况。

从图3可以看出，在褥垫层厚度为0时，桩体的轴力最大值在桩长深度比值为0的位置即桩顶位置，此后轴力随比值的增大而减小。

但在设置褥垫层厚度时，桩体的轴力先沿桩身增大，在桩长深度比值达到0.2时轴力达到最大值，之后随着比值的增大轴力逐渐减小。此结果表明，褥垫层能够有效减少应力集中现象，从而避免剪切破坏。

3.2 褥垫层模量影响分析

3.2.1 3种褥垫层模量在不同等级荷载下地基沉降量

对于不同褥垫层模量在不同程度荷载作用下CFG桩复合地基沉降量进行研究，共设置30MPa、60MPa、90MPa共3种褥垫层模量，分别在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa共6级荷载下进行沉降模拟。根据模拟结果，得到3种褥垫层模量在不同等级荷载作用下地基沉降量变化趋势如图4所示。

从图4可以看出，在褥垫层模量一致的情况下，沉降量随着荷载的增大逐渐增大，而在同级别的荷载条件下，沉降量大小为：30MPa褥垫层厚度＞60MPa褥垫层厚度＞90MPa褥垫层厚度，并且随着荷载等级的提升，三者的沉降量差距逐渐增大。

此结果表明，随着褥垫层模量的增大，桩体应力集中会逐渐显著，而应力集中的结果导致了更多的荷载被从土体之中分流到桩体上，提高了桩体的作用效果，使得沉降明显减小。

3.2.2 不同褥垫层模量下樁身轴力

为了反映褥垫层模量对状体轴力的影响，根据模拟的结果，绘制出如图5所示的不同褥垫层模量下桩身轴力的变化情况。

从图5可以看出，在褥垫层模量一致的情况下，桩身轴力随着桩长深度比值的增大而增加，在桩长深度比值达到0.2时，桩身轴力达到最大值，之后随着桩长深度比值的增加，桩身轴力逐渐减小，在比值达到1即在桩底部位时，轴力达到最低力。

对比不同褥垫层模量下的轴力变化可以看出，随着褥垫层模量的增加，桩身轴力在同一位置下逐渐升高。

此结果表明，褥垫层模量的提高，能够使得地基产生一定程度的应力集中，造成最大应力值点向桩顶位置移动。但此结果可能会造成地基的浅层破坏，相对而言较低的褥垫层模量，最大应力值点位置较低，能够有效利用桩间土分担桩身的荷载作用。

4 结束语

本文以洛阳市瀍河回族区中窑村棚户区改造项目（三期）安置房一期工程为例，借助有限元模拟软件，对CFG桩复合地基的在不同褥垫层厚度和模量的条件下变形情况和承载能力进行研究，并得出如下结论：

褥垫层的设置会对地基沉降起到一定的作用并且能够有效减少应力集中现象，从而避免剪切破坏，但考虑到作用效果的大小和成本问题，需要对褥垫层进行合理设计。

随着褥垫层模量的增大，桩体应力集中会逐渐显著，而应力集中的结果导致了更多的荷载被从土体之中分流到桩体上，提高了桩体的作用效果，使得沉降明显减小。

褥垫层模量的提高会使得最大应力值点向桩顶位置移动，而低褥垫层模量下其最大应力值点位置较低，能够有效利用桩间土分担桩身的荷载作用。