戚英杰，王運(yùn)霞，姜亭亭

(1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144； 2.中國建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，城市人口數(shù)量也越來越多。為了更加充分地利用城市空間，大量的高層建筑取代了原有的空間利用率低的低層建筑。不斷上升的建筑樓層高度和不斷增加的傳遞至地基的荷載，使得許多天然地基不能滿足最基本的設(shè)計(jì)要求。在這種情況下，CFG樁復(fù)合地基因其能充分發(fā)揮樁與樁間土的強(qiáng)度，且施工過程簡潔，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)廣受好評[1-2]。

CFG樁復(fù)合地基主要組成部分為：作為增強(qiáng)體的CFG樁、作為被加固體的天然地基和用于分?jǐn)偤奢d的褥墊層[3]。沈偉取群樁復(fù)合地基中的一根單樁為研究對象，簡化了樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律、樁間土變形形式、樁端土反力模型，提出了一種新的剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法[4]。李國勝整理了GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范、JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范、GB/T 50783—2012復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范等國家標(biāo)準(zhǔn)文件中對CFG樁復(fù)合地基沉降計(jì)算的規(guī)定，并進(jìn)行了對比與總結(jié)[5]。張欽喜通過研究復(fù)合地基的承載性能，提出計(jì)算復(fù)合地基承載力前先對原地基土層先進(jìn)行基礎(chǔ)深寬修正的新思路[6]。朱彥博使用ABAQUS有限元軟件，分析了不同因素對于加筋碎石樁群樁復(fù)合地基沉降的影響，推導(dǎo)出了考慮群樁效應(yīng)的沉降比計(jì)算方法，拓寬了其他樁型復(fù)合地基沉降計(jì)算的思路[7]。

目前，絕大多數(shù)的實(shí)際工程在進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基處理方案的設(shè)計(jì)時(shí)，僅考慮了最不利條件下，CFG樁復(fù)合地基單樁地基的工作性狀。為了研究群樁復(fù)合地基的工作性狀，本文根據(jù)實(shí)際工程的地層數(shù)據(jù)，使用ABAQUS有限元軟件建立了CFG樁復(fù)合地基群樁模型，分析不同的參數(shù)對群樁復(fù)合地基工作性狀的影響，希望能對以后的CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

工程擬建場地位于北京市海淀區(qū)清華東路與志新西路交叉口西南角石科院院內(nèi)。項(xiàng)目擬建建筑物包括綜合科研樓、A號(hào)科研實(shí)驗(yàn)樓、B號(hào)科研實(shí)驗(yàn)樓、C號(hào)實(shí)驗(yàn)樓建筑。本文的研究對象為綜合科研樓的CFG樁復(fù)合地基群樁工作性狀。

綜合科研樓的基本情況如表1所示。

表1 綜合科研樓基本情況一覽表

根據(jù)《院本部工作區(qū)設(shè)施完善改造工程項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告》(工程編號(hào)：2018詳勘017)提供的資料，結(jié)合現(xiàn)場勘探、原位測試及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，按沉積年代、成因類型對本工程最大勘探深度(40.00 m)范圍內(nèi)的地層進(jìn)行分層，結(jié)果如表2所示。

表2 地層巖性分類情況一覽表

2.2 地基處理方案設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)要求處理后修正前的復(fù)合地基承載力特征值：科研樓核心筒區(qū)域、A號(hào)科研實(shí)驗(yàn)樓、B號(hào)科研實(shí)驗(yàn)樓、C號(hào)實(shí)驗(yàn)樓地基承載力不小于320 kPa；科研樓非核心筒區(qū)域地基承載力不小于200 kPa，最大沉降量均不得超過40 mm。

科研樓基礎(chǔ)埋深-13.4 m，本文以非核心筒區(qū)域?yàn)檠芯繉ο蟆＜僭O(shè)不對天然地基進(jìn)行地基處理，根據(jù)地層參數(shù)與深度，可以暫且確定持力層為第③層或者第③1層，該土層天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為120 kPa，低于設(shè)計(jì)要求的承載力標(biāo)準(zhǔn)值200 kPa，不滿足設(shè)計(jì)要求，需對天然地基進(jìn)行地基處理[8-10]。

3 數(shù)值模擬

ABAQUS/CAE有限元模擬軟件(以下簡稱ABAQUS)，因其包含的材料與單元模型豐富，計(jì)算過程詳細(xì)，計(jì)算功能強(qiáng)大，適用范圍十分廣泛；其豐富的功能模塊，能解決模擬過程中有關(guān)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的諸多問題。ABAQUS在求解非線性問題方面的性能優(yōu)異，非常適用于求解巖土工程相關(guān)的問題，因此本文采用此軟件對CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 參數(shù)取值

CFG樁復(fù)合地基處理方案參數(shù)與各土層物理力學(xué)參數(shù)如表3,表4所示。

表3 CFG樁復(fù)合地基處理方案參數(shù)

表4 各土層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型建立

在ABAQUS模擬中，除地層參數(shù)外的設(shè)計(jì)參數(shù)大致如表5所示。

表5 ABAQUS模擬相關(guān)參數(shù)

本次模擬計(jì)劃建立3×3九樁復(fù)合地基模型，采用正方形布樁排列，如圖1所示。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)與模擬計(jì)劃，建立了九樁CFG樁復(fù)合地基模型，如圖2所示。

經(jīng)過八級加載后，上部荷載為405 kPa時(shí)的復(fù)合地基應(yīng)力與位移云圖如圖3所示。

3.3 影響因素分析

3.3.1 中心樁樁頂沉降

距徑比、樁體模量、砂石褥墊層厚度、砂石褥墊層模量的變化，對九樁模型中心樁頂沉降隨豎向均布荷載變化趨勢的影響如圖4所示。

由圖4(a)可以得出結(jié)論：樁間距相同時(shí)，上部荷載增大，中心樁頂沉降也隨之增大，但其增加幅度隨著上部荷載的增加逐漸減??；上部荷載處于同一級別時(shí)，樁間距增大，中心樁頂沉降也隨之變大，且沉降增加的幅度也越來越大，主要原因在于樁與樁之間的相互作用降低，其應(yīng)力疊加區(qū)域變小，樁體對周圍土體的擠密效果下降，復(fù)合地基承載力下降，進(jìn)一步造成復(fù)合地基沉降的增加。

由圖4(b)可以得出結(jié)論：上部荷載處于同一級別時(shí)，如果樁體模量增加，中心樁頂表面沉降就隨之減小。這是因?yàn)楫?dāng)CFG樁模量增大時(shí)，可以按照復(fù)合模量法對加固區(qū)的土層進(jìn)行分析，最終體現(xiàn)為復(fù)合地基加固區(qū)的復(fù)合模量增加，從而引發(fā)整個(gè)地基沉降的減小。但樁身模量對地基沉降的調(diào)節(jié)是有極限的，當(dāng)樁身模量提升到20 000 MPa后，再繼續(xù)增加樁身模量，地基的沉降值減小幅度明顯下滑。此時(shí)由于樁土模量比過大，樁間土的承載力沒有得到充分的發(fā)揮，與進(jìn)行地基處理的初衷矛盾。而樁身模量越大，對應(yīng)的CFG樁的單方造價(jià)也就越高，樁身模量的盲目增加，會(huì)增加成本，使得整個(gè)地基處理方案的經(jīng)濟(jì)效益下降。

由圖4(c)可以得出結(jié)論：上部荷載處于同一級別時(shí)，褥墊層模量的增加會(huì)導(dǎo)致中心樁頂?shù)某两狄仓饾u增加。這一現(xiàn)象的原因是：褥墊層模量的增大會(huì)降低砂石褥墊層的流動(dòng)性，增加CFG樁樁頂刺入褥墊層的難度，褥墊層分擔(dān)荷載給樁間土的能力也會(huì)下降，荷載更多的由CFG樁來承擔(dān)，因此其他參數(shù)不變時(shí)，中心樁頂?shù)某两盗繒?huì)隨著褥墊層模量的增加而增加。

由圖4(d)可以得出結(jié)論：在同一荷載水平時(shí)，如果褥墊層厚度增大，中心樁頂沉降就會(huì)隨之減小。這一現(xiàn)象的原因是：隨著褥墊層厚度的增加，其流動(dòng)補(bǔ)償?shù)男阅苤饾u增強(qiáng)，由CFG樁承擔(dān)的荷載逐漸減少，荷載的分擔(dān)也更加均勻，中心樁樁頂沉降也就逐漸減少。

3.3.2 樁間土表面沉降

距徑比、樁體模量、砂石褥墊層厚度、砂石褥墊層模量的變化，對中心樁側(cè)樁間土表面的沉降隨豎向均布荷載變化趨勢的影響見圖5。

由圖5(a)可以得出結(jié)論：由于單樁影響范圍內(nèi)的上部荷載最大值保持為405 kPa不變，當(dāng)其他參數(shù)不變，僅樁間距增大時(shí)，單根CFG樁影響范圍內(nèi)的樁間土面積增大，將均布荷載轉(zhuǎn)換為集中荷載來看，單樁影響范圍內(nèi)的荷載增大，因此造成復(fù)合地基整體沉降增大，中心樁頂沉降與樁間土表面沉降均隨著樁間距的增大而增大。

由圖5(b)可以得出結(jié)論：隨著CFG樁模量的增大，按照復(fù)合模量法進(jìn)行分析，可以視作復(fù)合地基的復(fù)合模量增加，從而引發(fā)整個(gè)地基沉降的減小。因此，上部荷載處于同一級別時(shí)，樁間土表面沉降的變化趨勢與中心樁相同，也隨著樁體模量的增加而減小。

由圖5(c)可以得出結(jié)論：在同一荷載水平下，當(dāng)褥墊層模量變化時(shí)，中心樁側(cè)樁間土表面的沉降量與中心樁頂?shù)某两盗康淖兓厔菹喾?，樁與樁間土沉降的差值也逐漸減小。這是因?yàn)?，褥墊層的模量越大，CFG樁樁頂就越難向上刺入褥墊層。樁體向上刺入褥墊層的深度減小，褥墊層分?jǐn)偤奢d性能得不到發(fā)揮，由CFG樁承擔(dān)的荷載逐漸增多，樁間土沉降量也就隨之減小。并且，從圖5(c)還可以看出，當(dāng)褥墊層模量增加到120 MPa以上時(shí)，樁間土的沉降變化量已經(jīng)逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖5(d)可以得出結(jié)論：在同一荷載水平下，褥墊層厚度的增大會(huì)導(dǎo)致樁間土表面沉降的增大，其變化趨勢與樁頂沉降變化趨勢相反。這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是：褥墊層厚度的增加使得其分?jǐn)偝休d力至樁間土的能力逐漸增強(qiáng)，樁間土因此承擔(dān)更多的荷載，沉降也就隨之增加。

4 結(jié)論

本文基于北京市海淀區(qū)實(shí)際工程的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，采用ABAQUS數(shù)值模擬的方法，研究了豎向均布荷載作用下的CFG樁復(fù)合地基群樁地基的沉降變形特性，探討了CFG樁復(fù)合地基處理方案設(shè)計(jì)中，需著重注意的幾個(gè)參數(shù)對CFG樁復(fù)合地基群樁地基，樁與土差異沉降規(guī)律的影響，得到的相關(guān)結(jié)論如下：

1)上部荷載為同一級別時(shí)，樁頂表面沉降與樁間土表面沉降均會(huì)隨著樁間距的增大而增大，CFG樁復(fù)合地基的整體沉降也會(huì)隨之增大。

2)樁體模量不同時(shí)，中心樁頂沉降隨荷載變化曲線的變化趨勢并未有所改變。豎向均布荷載處于同一級別時(shí)，可以認(rèn)為隨著樁體模量的增大，復(fù)合地基的整體模量等效增加，從而引發(fā)整個(gè)地基沉降的減小。在實(shí)際工程中，需對CFG樁樁身模量進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，才能在保證經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，盡可能發(fā)揮地基土的承載力。

3)增加褥墊模量，會(huì)提高CFG樁樁頂刺入褥墊層的難度，當(dāng)樁頂?shù)拇倘肷疃葴p小，荷載更多的會(huì)由CFG樁來承擔(dān)，因此，樁間土表面沉降與樁頂表面沉降的變化趨勢相反。

4)修改褥墊層厚度時(shí)，中心樁與樁間土的應(yīng)力與沉降的變化趨勢也完全相反。因?yàn)槿靿|層的主要功能是調(diào)節(jié)樁與土的荷載分?jǐn)偳闆r，減小褥墊層的厚度，會(huì)導(dǎo)致樁體承擔(dān)荷載的增加。但當(dāng)褥墊層厚度超過400 mm仍在不斷增加時(shí)，褥墊層的流動(dòng)補(bǔ)償性能就會(huì)過盈。這說明褥墊層厚度需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，才能既充分發(fā)揮褥墊層調(diào)節(jié)荷載的能力，又不浪費(fèi)材料，提高經(jīng)濟(jì)效益。