基于ADINA模拟CFG三桩复合地基承载状况有限元分析

冯士广 刘廷权 信晓飞

摘要：以CFG三桩复合地基为研究对象，采用有限元软件将桩、土、承台视为一个相互作用的整体系统进行受力分析，考虑桩土界面的摩擦接触作用，讨论了其在竖向荷载作用下CFG桩、地基土竖向与水平方向应力、应变与位移沿桩身分布情况，得出CFG三桩复合地基承载基本状况，旨为CFG桩复合地基理论基础分析及工程设计提供依据和借鉴。

关键词：复合地基；桩土相互作用；CFG三桩；数值分析

中图分类号：TU4文献标识码：A 文章编号：

0 引言

CFG桩（cement fly-ash gravel pile）复合地基属于地基的范畴，是由CFG桩，桩间土和褥垫层一起构成的[1] ，它是对碎石桩复合地基的继承与发展。该技术是建设部“七五”计划课题，于1988年立题进行试验，1994年被列为全国重点推广项目，目前它已经在全国23个省、市推广应用，以施工速度快，工期短、质量容易控制、工程造价低等特点受到亲睐[2]。

近几年CFG桩复合地基技术的应用范围在不断的扩大，已经在交通、水利水电、市政等工程中成功应用[3,4]。复合地基是指天然地基在地基处理过程中的部分土体得到增强或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是土体与增强体两者组成的人工复合地基[5]。在荷载作用下，加固区与上部结构是通过柔性材料的褥垫层来连接的，目的是调整加固区土体与增强体的应力分配，防止应力过分集中。本文以ADINA大型有限元分析软件为操作平台，对CFG三桩承载力试验进行模拟，建立二维有限元分析模型，考虑桩土间的相互刺入，分析复合地基的受力性状，研究其受力破坏机理，拟使模拟结果对实际工程有指导意义。

1 计算模型的建立

三桩模型是群桩模型的简单有效缩影，它能够反应出桩对土的约束效应，可以模拟复合地基的群桩效应，进而分析桩、地基土相互作用破坏机理。

1.1三桩模型的具体建立

1.1.1几何模型

基本算例的几何参数：桩径D为0.4m，桩长L为15D即6m，桩间距S为3D即1.2m；复合地基土高度为2L即12m，计算宽度为20m；垫层宽度B为9D即3.6m，厚度H为0.3m；桩土间相互作用的摩擦系数取0.3；其余力学参数见表1[6]，

1.1.2边界条件与荷载

模型只考虑竖向荷载作用下CFG三桩复合地基承载状况，根据其传力特性与桩土的相互约束性将其转化为轴对称问题，概念清晰，能够较好的反映CFG桩复合地基的基本传力规律。因此模型采用二维平面模型，关闭X方向约束，模型两侧设定Y方向约束，底侧设定Z方向约束，顶侧自由施加竖向荷载P为500KPa，分10步缓慢逐级加载，每级荷载为50KPa。

1.1.3 单元选择与划分

桩、土分别采用2-D SOILD单元组，选取4节点单元，将模型离散划分。ADINA计算模型如图2。

表1材料的力学计算参数

图2计算模型

2 数值模拟结果分析

2.1 CFG三桩复合地基荷载传递基本规律分析

2.1.1 竖向应力应变分析

图3 沿桩身竖向应力图图4 沿桩身竖向应变图

应力方面：从图3可以看出，边、中桩沿桩身的应力值明显比桩侧土、桩间土应力值大，说明CFG桩承载和传递大部分竖向荷载，地基土只承担小部分荷载。边桩、中桩竖向应力曲线随桩身埋深先增大后减小，在0.2~0.8倍的桩身范围内有桩身最大应力点；而桩间土竖向应力曲线与桩的比较则呈相反趋势，随桩身埋深先减小后增大，在0.2~0.8倍的桩长范围内有桩间土的最小应力点。这说明在竖向荷载作用下，桩的有效力主要发挥在0.2~0.8倍桩身范围内，而在该范围内地基土承载力的发挥很微小，因此在设计CFG桩时应适当增加0.2~0.8倍桩身范围内的强度。地基土在0~0.2倍的桩身范围内随桩顶刺入的减小，竖向应力值由大逐渐减小，并在0.8~1倍桩身范围内随桩底刺入的增加，桩间土竖向应力逐渐增大，这能够说明CFG桩将竖向荷载传递到更深的土层。

应变方面：从图4可以看出，在0~0.2倍与0.8~1倍的桩身范围内，地基土的竖向应变值比桩的竖向应变值大很多，这是因为桩间土的压缩模量比桩的弹性模量小很多，在荷载作用下桩间土的应变变化量比桩大很多，同样也可以看出在复合地基土在0~0.2倍的桩身范围内换填压缩模量较大土能够有效的降低地基土的竖向应变。在0.2~0.8范围内会出现桩与地基土的竖向应变值相同点，此处的桩侧摩阻力为0，而桩轴力则为最大。

2.1.2 水平方向应力应变分析

图5 沿桩身水平应力图图6沿桩身水平应变图

应力方面：由图5可以看出，桩侧土、边桩、桩间土、中桩水平应力沿桩身变化基本相同，由压应力逐渐向拉应力变化，说明在竖向荷载作用下，地基土的沉降速率比桩大而发生相对位移，导致周围土对桩产生摩阻力，也就是说由于水平应力的存在才会产生桩侧摩阻力，在桩顶负摩阻力最大并与桩轴力一起承担上部荷载，此部位桩竖向应力较小，随着负摩阻力的减小桩竖向应力逐渐变大（见图3）。

应变方面：在0~0.2倍桩身范围内，在桩上部分土带动桩沉降，桩约束桩间土的水平应变，桩间土水平应变值比桩侧土小，而在0.8~1倍的范围内在桩的下部分，上部荷载通过刚性桩传递到深土层，桩带动土沉降，桩间土是承担两桩的传递力，而桩侧土则是承担边桩的传递力，桩间土的应变值比桩侧土大。

2.2 CFG三桩复合地基沉降与水平位移基本规律分析

竖向位移方面：从图7可以看出，在0~0.1倍的桩身范围内复合地基沉降由大到小排序依次为，桩间土、桩侧土、中桩、边桩，但地基土的沉降减小速率比桩的大，说明在天然地基土中置入一定密度的刚性桩可以有效的控制地基土的沉降；在0.1~0.9倍的桩身范围内复合地基沉降由大到小排序依次为，中桩、桩间土、边桩、桩侧土，在该范围内桩、地基土的沉降速率随着桩土间分担荷载与桩土刺入量的稳定而趋于一致；在0.9~1倍桩身范围内依次为，中桩、边桩、桩间土、桩侧土，在该范围内，因为桩底的刺入导致桩周围土隆起，所以地基土的沉降减少速率又增大。

图7 沿桩身竖向位移图图8 沿桩身水平位移图

水平位移方面：从图8可以看出，除中桩外，桩侧土、边桩、桩间土水平位移沿桩身埋深曲线都呈非线性，而中桩水平位移几乎为零，原因是在荷载作用下，左右土挤压中桩，导致其水平位移没有变化。在桩身范围内复合地基水平位移由大到小排序依此为桩侧土、边桩、桩间土，三者水平位移值沿桩身由负数变成正数，即先受压再受拉，而在0.6倍的桩身附近产生零值点，称为中性点，此处的摩阻力最小。

结论

（1）在CFG桩复合地基中，CFG桩承担大部分竖向荷载并传递到更深的地层中，而地基土只承担小部分荷载；桩的有效力主要发挥在0.2~0.8倍桩身范围，在此范围内会出现桩的中性点轴力最大，应该加强该范围桩的强度。

（2）由于群桩效应，在桩土的相互作用下，桩顶桩间土水平应变比桩侧土小，桩底桩间土比桩侧土大。

（3）在天然地基中置入一定密度的刚性桩能够有效地控制复合地基的沉降，沉降由大到小排序依次为，桩间土、桩侧土、中桩、边桩；CFG三桩复合地基，在0.6倍的桩长处为水平正负位移的过渡点，即为中性点，桩的摩阻力为零。

参考文献

[1] 建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2] 阎明礼，张东刚. CFG桩复合地基技术及工程实践[M]. 北京：中国水利水电出版社，2001.1.

[3] 何洁兵，洪宝宇等高速公路CFG桩复合地基褥垫层作用机理研究[J].岩土力学，2004,25（10）：1663-1666.

[4] 王伟，卢廷浩等 软土路基线性加载沉降曲线的研究[J].岩土力学，2006,27（5）：791-794.

[5] 龚晓南.复合地基理论及工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2002:3-6.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。