超高應(yīng)力作用下CFG樁復(fù)合地基破壞性試驗(yàn)研究與有限元分析

王 帥，李曾樂

（西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

1 CFG樁概述及研究現(xiàn)狀

CFG樁與樁間土在褥墊層的變形協(xié)調(diào)作用下共同承擔(dān)基礎(chǔ)與上部荷載，它能夠大幅度提高地基承載力，減少工后沉降，并能有效地消除地基的差異變形[1]。隨著高層以及超高層建筑的普及，研究CFG樁復(fù)合地基在超高應(yīng)力作用下的承載性狀成為解決此類工程實(shí)際問題的必要手段。

目前，國內(nèi)對CFG樁的研究較為廣泛。在CFG樁褥墊層研究方面，周愛軍[2]通過單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究了不同厚度、不同材料的褥墊層對樁土應(yīng)力比的影響。劉鵬等[3]通過模型箱試驗(yàn)裝置，開展4個(gè)不同尺寸壓板的地基土以及復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和單樁載荷試驗(yàn)等相關(guān)試驗(yàn)。王勇等[4]依據(jù)實(shí)際工程背景，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件模擬單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)，得出土工格柵加筋褥墊層可增大樁身受力并改善地基沉降，但效果不明顯，主要起安全儲(chǔ)備作用。

文章依托現(xiàn)場CFG樁復(fù)合地基的豎向增強(qiáng)體靜載荷破壞性試驗(yàn)，探究其在超高應(yīng)力下的承載性狀。利用MIDAS GTS軟件建立模型進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證模型的合理性，并依托計(jì)算模型，探究褥墊層厚度在超高應(yīng)力水平下對CFG樁復(fù)合地基承載性狀的影響。

2 試驗(yàn)研究

2.1 工程地質(zhì)概況

擬建場地位于西安市南郊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，場地地貌單元屬皂河二級階地。地質(zhì)情況如下。（1）雜填土：結(jié)構(gòu)松散，厚度為0.5～2m。（2）黃土狀土：以堅(jiān)硬，硬塑狀態(tài)為主，厚度為5.3～7.9m。（3）中細(xì)砂：以細(xì)砂和粉細(xì)砂為主，厚度為2.2m。（4）黃土：土質(zhì)均勻，厚度為2.1～4.2m。（5）古土壤：可塑，厚度為2.5～4.7m。（6）粉質(zhì)黏土：土質(zhì)均勻，厚度為3.9～7.9m。（7）中粗砂：飽和，密實(shí)，厚度為0.3～1.2m。（8）粉質(zhì)黏土：屬中壓縮性土，厚度為1.7～5.6m。由于天然地基承載力難以滿足上部荷載要求，因此采用CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行加強(qiáng)處理。

2.2 試驗(yàn)概述與結(jié)果分析

此次試驗(yàn)選取15m樁，樁直徑為0.4m，樁距為1.4m。試驗(yàn)前，在復(fù)合地基頂面鋪150mm厚的中粗砂褥墊層，將圓形剛性承壓板放置在褥墊層上，15m樁的承壓板直徑d=1.58m。采用慢速維持荷載法，以堆積重物為反力，在褥墊層與天然土的交界處埋設(shè)土壓力盒。試驗(yàn)加荷分10級，15m樁長的首級加荷為160kPa，后每級以80kPa的壓力遞增至1600kPa，再每級以40kPa的壓力遞增至極限狀態(tài)，進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。根據(jù)復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果繪制P-S曲線，如圖1所示。

圖1 15m樁在高應(yīng)力作用下復(fù)合地基沉降變化

由圖1可知，隨著CFG樁復(fù)合地基上部荷載的增加，復(fù)合地基沉降量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，總體趨勢平緩。在曲線的前2/3段，曲線可以近似看作線性變化，說明此階段前地基的主要變形為彈性變形。當(dāng)繼續(xù)加載后，地基產(chǎn)生顯著的塑性變形，出現(xiàn)破壞區(qū)，具體表現(xiàn)為沉降量的急劇增加。

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立與檢驗(yàn)

利用MIDAS GTS建立樁-土-墊層三維模型，土的模型采用摩爾-庫倫，樁體和載荷板采用線彈性模型，樁尺寸為15m×400mm，模型尺寸為30m×6m。模型側(cè)面和底面為固定約束，表面為自由邊界。首級加荷為240kPa，然后以120kPa的壓力遞增至1200kPa，再以60kPa的壓力遞增，直至復(fù)合地基停止加載。15m樁的試驗(yàn)與計(jì)算值對比圖如圖2所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，模擬值和試驗(yàn)值總體變化趨勢基本一致，說明模型建立和參數(shù)選取基本合理。

3.2 模型研究

分別取不同褥墊層厚度（0.1m、0.15m、0.2m、0.25m、0.3m、0.35m、0.4m）得出超高應(yīng)力下的褥墊層厚度變化的P-S曲線圖，如圖3所示。

圖3 超高應(yīng)力作用下CFG樁復(fù)合地基不同褥墊層厚度的P-S曲線

由圖3可知，隨著應(yīng)力的增加，不同褥墊層厚度的P-S曲線呈現(xiàn)下降的趨勢，即復(fù)合地基沉降量隨著荷載的增加也隨之增加。當(dāng)褥墊層厚度較小時(shí)，褥墊層流動(dòng)補(bǔ)償能力相對較弱，土的承載性能不能完全發(fā)揮，樁成為承受上部荷載的主要載體，導(dǎo)致沉降量與增量相對其他厚度褥墊層較大。隨褥墊層厚度的增加，復(fù)合地基沉降量與增量也隨之減小[5-6]。

4 結(jié)束語

文章通過對CFG樁復(fù)合地基在超高應(yīng)力作用下的試驗(yàn)與數(shù)值模擬進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：（1）隨著荷載的逐漸增加，CFG樁復(fù)合地基沉降量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，總體趨勢平緩；（2）適當(dāng)增加褥墊層厚度可以在一定程度上增加CFG樁復(fù)合地基承載超高應(yīng)力的能力，但當(dāng)褥墊層厚度過厚時(shí)，對承載能力反而有降低作用，因此提出超高應(yīng)力作用下最優(yōu)褥墊層厚度應(yīng)為0.3m左右；（3）為達(dá)到抵抗超高應(yīng)力的目的，在不改變樁長的情況下，先將褥墊層厚度調(diào)至最佳，再逐步增加置換率，直到滿足承載要求。