樁帽對CFG樁復合地基的影響

於程席 劉 鵬

中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

復合地基是天然地基經(jīng)過地基處理，使得部分土體被加強或者被置換后，形成的具有較高承載力的地基。天然土地基和加強部分經(jīng)過復雜的變形協(xié)調作用后共同承擔上部的荷載[1-2]。復合地基可以由天然的土地基、樁體以及碎石墊層組成[3]。復合地基的承載力一般由現(xiàn)場靜荷載試驗確定，也可以采用經(jīng)驗公式對復合地基承載力進行估算[4]。由于復合地基是由樁、樁間土以及褥墊層共同作用承擔荷載，其受力條件比較復雜，國內外學者采用理論計算及數(shù)值計算進行了許多復合地基承載特性的研究，也取得了一些突破性的進展[5]。

在復合地基的施工過程中，為了改善復合地基的承載特性，在設計中會在樁頂部設置樁帽[6]。本文先總結了復合地基承載力相關的經(jīng)驗公式，這些經(jīng)驗公式不能體現(xiàn)樁帽對復合地基承載力的影響；進而通過理論研究樁帽對復合地基承載特性的影響，得到一些定性的結論；最后通過建立現(xiàn)場數(shù)值計算模型，分析有樁帽與無樁帽的CFG樁復合地基的承載特性的區(qū)別，并分析了樁帽的尺寸和強度對復合地基承載特性的影響。

1 工程概況

武漢智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試場一期競速區(qū)位于武漢經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)東荊河河畔，距長江約2 km，賽道規(guī)劃用地面積約0.875 km2，設計速度為300 km/h，國際汽聯(lián)對賽道提出了1/2 000的平整度要求，遠超高速公路的設計要求。項目工期要求緊，地基土層分布變化大，沉降控制非常嚴格，在此情況下，控制不均勻沉降是項目質量控制的重點，根據(jù)上海賽車場的經(jīng)驗，結合場地天然地基土層特征，場地工后沉降應控制在15 cm以內；同時，各種樁的樁端應當進入較好的持力層，避免出現(xiàn)懸樁等不利于沉降控制的情況。

根據(jù)區(qū)域內路基填高和地質條件的不同，將區(qū)域內路基劃分為低填區(qū)、高填區(qū)及過渡段。低填區(qū)采用CFG樁進行深層地基處理，樁間距設置為2.0 m，基本樁長16～18 m，樁頂設方形樁帽，尺寸為1.0 m×1.0 m，厚度0.3 m，樁徑為0.6 m，樁帽凈間距為1.0 m。CFG樁單樁承載力特征值不小于300 kN，復合地基承載力特征值不小于160 kPa，樁體強度為20 MPa。樁帽上方填筑厚20 cm碎石層，壓實后鋪設鋼塑土工格柵，隨后填筑碎石，并每隔20 cm設置1層土工格柵，直至路基頂面。

2 CFG樁復合地基理論分析

2.1 CFG樁復合地基作用機理

CFG復合地基的加固作用主要體現(xiàn)在以下2個方面：一是CFG樁體的置換作用，二是褥墊層的荷載傳遞和分擔作用。

CFG樁中的水泥、粉煤灰、水通過復雜的化學反應后凝結硬化，生成不溶于水的結晶化合物，這些結晶延伸到碎石的縫隙中形成了空間網(wǎng)狀結構，將原來的點-面結構和點-點結構的粗細骨料緊緊黏結在一起，極大地提高了樁體的彈性模量、剪切模量。在荷載的作用下，樁體的變形明顯小于樁間土的變形，這樣會使樁體承受的荷載大于樁間土的荷載，形成了應力集中現(xiàn)象，樁體承受了大部分的上部荷載，減少了樁間土承受的荷載。CFG樁樁體本身具有很強的黏結力，能夠承擔荷載作用，并不依賴樁周圍土體的約束，CFG樁的樁土應力比一般為3～20[7]。

在CFG樁復合地基上部施加荷載后，由于樁體的強度大于褥墊層的強度，樁頂端會向褥墊層內部移動，樁頂端褥墊層受到擠壓后會向周圍擴散，褥墊層的擴散作用使得樁間土與地基始終保持接觸，這種作用讓樁間土的承載力得到充分發(fā)揮，樁和樁間土共同承載的特性得到增強。此外，CFG樁復合地基中的應力分布得到均勻化，地基的變形受力情況得到改善，地基的承載力顯著提高。由于樁間土的應力提高，使得樁側摩擦力增大，樁體的承載力提高。

在CFG樁成樁過程中，由于水泥、粉煤灰和水發(fā)生化學反應，軟土中的水分也會加入反應中，反應會產(chǎn)生大量的熱并且會使軟土發(fā)生膨脹，對軟土起到擠密的效果。

2.2 CFG樁復合地基承載力計算

復合地基承載力的計算較為復雜，目前有一種方法是先分別計算樁的承載力和樁間土的承載力，然后根據(jù)一定的方法對這2種力進行疊加，得出復合地基的承載力。采用這種方法需先引入面積比公式，即復合地基面積置換率（m）＝樁的橫截面積（Ap）與樁的加固面積（A）的比值，即如式（1）所示。

2.3 有樁帽與無樁帽CFG復合地基承載特性分析

當無樁帽存在時，樁間土在載荷的作用下會發(fā)生壓縮變形，并且上部的壓縮變形往往大于下部。由于樁的彈性模量大，在上部載荷的作用下樁的頂部變形較小。樁的變形和樁間土的變形差異大，表現(xiàn)為樁刺入褥墊層。當有樁帽存在時，樁、樁帽及樁間土共同承受上部的荷載，樁、樁帽及樁間土的變形差異很小。上部荷載很大一部分由樁帽直接承擔，樁帽下部的樁間土變形較小，樁帽一般不會刺入褥墊層。

有無樁帽時的復合地基如圖1所示。有樁帽的復合地基的總沉降量較無樁帽的復合地基總沉降量小，因為樁帽的存在使得樁承擔了更多的上部載荷，而樁間土承受了較小的上部載荷，荷載由樁更多地傳遞到地基深部。

圖1 有樁帽和無樁帽復合地基示意

在荷載作用下無樁帽的復合地基的樁間土會先于樁體達到屈服極限，當樁間土達到屈服極限時，樁體僅發(fā)揮了其部分的承載力，導致復合地基的承載力未充分發(fā)揮。有樁帽的復合地基的樁體先于樁間土達到屈服極限，當樁體達到屈服極限后，由于樁間土的承載面積很大，單位面積的樁間土僅需承受較小的載荷，因此有樁帽的復合地基承載力較好。

3 樁帽對復合地基影響的數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型與參數(shù)

通過查閱項目的地質勘察資料和混凝土澆筑資料，獲取了地層、樁帽和樁體的參數(shù)，參數(shù)取值的準確性較高。計算模型選用摩爾-庫侖模型，將各地層、樁帽和樁體假定為各向同性的彈塑性體。樁帽的混凝土強度等級為C30，其彈性模量為30 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3，黏聚力為3 MPa，內摩擦角為50°；樁體的混凝土強度等級為C20，其彈性模量為25.5 GPa，泊松比0.2，容重23.5 kN/m3，黏聚力為2 MPa，內摩擦角為45°；褥墊層的彈性模量為60 MPa，泊松比0.3，容重22 kN/m3，黏聚力為5 kPa，內摩擦角為40°。CFG樁復合地基位于項目低填區(qū)，地層自上而下依次為黏土、粉土、粉砂。地層參數(shù)見表1，有樁帽的CFG樁復合地基數(shù)值計算模型如圖2所示，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

表1 地層參數(shù)

圖2 數(shù)值計算模型

圖3 網(wǎng)格劃分模型

3.2 上部荷載作用下數(shù)值模擬結果分析

將ANSYS Workbench中處理完的網(wǎng)格模型通過ANAYS經(jīng)典界面導入Flac3D中進行計算，將計算結果通過Tecplot軟件進行后處理。先對有樁帽的CFG樁復合地基進行計算，上部荷載施加至200 kPa，再對無樁帽的CFG樁復合地基進行計算，上部同樣施加200 kPa的荷載。通過分析CFG樁的受力及樁間土的受力可知，樁帽的存在改善了樁間土的受力狀態(tài)，相應地使CFG樁的受力增大，充分發(fā)揮了樁的承載作用，樁間土和CFG樁能夠共同承受上部荷載。樁帽在復合地基中能夠有效地改善復合地基的承載力，有樁帽的復合地基整體變形較小，施工中有必要進行樁帽施工。

3.3 樁帽的尺寸對復合地基的影響

為了研究樁帽的尺寸對復合地基承載力的影響規(guī)律，選取樁帽尺寸為0.8 m×0.8 m、1.0 m×1.0 m、1.2 m×1.2 m、1.4 m×1.4 m、1.6 m×1.6 m進行研究。數(shù)值模擬中保持其他參數(shù)不變，僅改變樁帽的尺寸，記錄樁頂位移以及樁帽下樁間土位移隨荷載的變化規(guī)律。樁頂位移變化如圖4所示，樁帽下樁間土位移如圖5所示。樁頂位移隨著樁帽尺寸的增大而增大，樁間土位移隨著樁帽尺寸的增大而減小。模擬結果說明樁帽尺寸越大，CFG樁所分擔的荷載量也越大，產(chǎn)生的位移變形也越大；樁間土所分擔的荷載越小，樁間土的位移變形越小。

圖4 樁帽尺寸對樁頂位移的影響

圖5 樁帽尺寸對樁間土位移的影響

3.4 樁帽混凝土的強度對復合地基的影響

為了研究樁帽混凝土的強度對復合地基承載特性的影響，選取樁帽混凝土強度等級分別為C20、C25、C30、C35、C40進行研究，其他參數(shù)保持不變，僅改變樁帽混凝土的強度等級。記錄數(shù)值模擬結果中樁頂位移及樁間土的位移隨樁帽強度變化的規(guī)律，樁頂位移隨樁帽混凝土強度等級的變化如圖6所示，樁間土的位移隨樁帽混凝土強度等級的變化如圖7所示。樁帽混凝土的強度越大，樁頂位移及樁間土位移也越??；當樁帽混凝土強度等級大于C30時，樁帽混凝土的強度對樁頂位移及樁間土位移的影響逐漸減小。樁帽混凝土強度等級在設計中需綜合考慮安全及經(jīng)濟因素。

圖6 樁帽混凝土強度對樁頂位移的影響

圖7 樁帽混凝土強度對樁間土位移的影響

4 結語

1）本文對武漢智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試場項目CFG樁復合地基是否需要設置樁帽進行了理論分析及數(shù)值模擬研究。樁帽改變了復合地基樁及樁間土的受力和變形，實際工程中有必要進行樁帽施工。

2）樁帽的尺寸越大，樁頂?shù)奈灰圃酱?，樁間土的位移越??；樁帽混凝土的強度越大，樁頂位移及樁間土的位移越小，當樁帽混凝土強度等級大于C30時，樁帽混凝土強度對復合地基的影響力變小。