基于MARC的CFG桩复合地基褥垫层的有限元分析2

基于MARC的CFG桩复合地基褥垫层的有限元分析建鑫龙，席称心，梁倩（长安大学公路学院，陕西西安710064）摘要：依托某实际工程，利用MARC有限元分析软件，通过建立CFG桩复合地基有限元模型，分析了褥垫层在CFG桩复合地基中的作用。结果表明，褥垫层的设置可以调节CFG桩复合地基的桩土应力比，在一定程度上会影响CFG桩承载力的发挥和桩与土的沉降；结合分析结果和实际情况，建议褥垫层的厚度取0.3m，褥垫层的材料采用5―20mm粒径的碎石。模型试验的结果对复合地基设计中褥垫层的设计提供了依据。关键词：CFG桩；褥垫层；沉降；桩土应力比；有限元分析中图分类号:TU472.3文献标志码：A0引言CFG桩作为地基处理的一种方式，它与一般的柔性桩复合地基相比，具有可使地基承载力提高幅度大并具有很大可调性的优点；当天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一般难以满足设计要求时，CFG桩复合地基则有明显的优势[1-2]。褥垫层是CFG复合地基的重要的组成部分，其选取的材料、厚度等都会对桩土应力比等产生影响，从而影响地基的承载力和建筑物的沉降[3-4]。所以研究CFG桩复合地基褥垫层的作用对于复合地基的正常工作有着重要的意义[5-8]。周爱军等结合现场试验和有限元模型分析了CFG桩复合地基褥垫层的效应问题[9],杨生彬等以工程实例为背景，运用有限元差分数值模拟分析了CFG桩单桩条件下褥垫层的效用[10]。周龙翔等由褥垫层的受力机理导出了计算刚性结构层下褥垫层最小厚度的理论公式[11]。徐继欣等分析讨论了褥垫层厚度对作者简介：建鑫龙(1991–)，男，河南三门峡人，长安大学硕士，从事岩土工程研究。Email:[e-mail]桩土应力比的影响[12]。本文基于有限元软件MARC，通过对CFG桩进行数值模拟，探讨了褥垫层对CFG桩复合地基的影响，并结合分析结果和工程实际对CFG桩复合地基褥垫层的设计给出了相应的建议。1地基处理工程概述某拟建工程位于鹤壁市，建筑物地上15层，地下1层，框剪结构采用筏板基础，基础埋深为-5m。该地区的地层主要为第四系冲洪积粉土、粉质粘土、砾岩等，场地地层分布比较均匀。地下水位于地表以下16.5m，基础施工过程中不考虑地下水的影响。由于该工程的天然地基承载力特征值为170kPa，不能满足上部结构的荷载要求，故需要进行地基处理，处理后承载力特征值需满足fapk≥240Kpa，。根据相关规范[3]的要求，拟采用CFG桩复合地基的处理形式，主要的设计参数见表1.表lCFG桩复合地基主要设计参数桩径D/m桩长l/m桩距s/m单桩承载力Rak/kN褥垫层厚度δ/m0.408.02.04100.22数值模型的建立和参数选取2.1有限元基本假定（1）假定桩、褥垫层为弹性模型，土为Mohr-Coulomb模型。（2）假定土体在水平方向和向下的深度方向均为无限。（3）采用Marc程序提供的接触单元来模拟土体、桩和褥垫层接触面的非线性，即土体、桩和褥垫层之间的摩擦采用滑动库伦摩擦模型。2.2模型的建立CFG桩复合地基的结构示意图如图1所示。为了方便模型的建立和数据的准确分析，模型结合工程实际，选取其中的5根桩进行模型建立，5根桩的布置示意图如图2所示。利用有限元分析软件MARC建立CFG桩复合地基的三维数值模拟模型。考虑到模型的对称性和结果的计算要求，取1/4模型进行分析。褥垫层的尺寸取4m×4m，桩径为0.4m，桩长为8m。根据拟建工程勘察报告和模型需要，加固区粉粘土的深度取8m，持力层砾岩的深度取12m。考虑到桩、土之间作用的影响范围，模型求解域的边界长度和宽度均取6m，即15倍桩径，深度取20m，即2.5倍桩长。模型自身受重力荷载，模型顶面自由，为保证复合地基处理质量，本次所施加的上部荷载以处理后复合地基的设计承载力值进行计算，取240Kpa，施加范围为褥垫层的表面，底面完全约束，侧面的两个对称面施加法向约束，其余两个侧面完全约束。计算单元采用8节点等参元，网格划分总节点数10986个，总单元数为9879个。生成的CFG桩复合地基三维数值模拟模型如图3所示，图4为模型中桩-土的顶面的示意图。图1.CFG桩复合地基结构示意图（cm）2.3参数选取模型选用的加固区土体为粉粘土，持力层土体为砾岩，弹性模量、泊松比及内摩擦角的选取参照图2CFG桩复合地基布置示意图（cm）图3.CFG桩复合地基三维数值模拟模型图4.CFG桩复合地基桩—土顶面的示意图该拟建工程的勘察报告进行取值。CFG桩复合地基模型材料的物理力学参数见表2表2材料物理力学参数表材料名称弹性模量E/MPa泊松比μ粘聚力C/KPa内摩擦角Ψ(°)容重Υ（Kg/m3）加固区土体100.3101620持力层土体150.3201120褥垫层500.2503018CFG桩250000.15--253褥垫层对CFG桩复合地基的影响分析为了分析褥垫层对CFG桩复合地基的影响，模型建立时褥垫层厚度取0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m；褥垫层模量取20MPa、50MPa、100MPa、150MPa、200MPa、300MPa。图5为褥垫层厚度为0.3m，模量为50Mpa时CFG桩复合地基的竖向沉降云图。3.1褥垫层厚度对CFG桩复合地基的影响图6和图7为当褥垫层模量取50MPa，褥垫层厚度分别取0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m时，褥垫层厚度的变化对CFG桩复合地基桩—土沉降以及桩土应力比影响的关系曲线。图5CFG桩复合地基竖向沉降云图图6为褥垫层厚度与桩—土沉降的关系曲线，由图6可知，随着褥垫层厚度的增加，桩顶的沉降逐渐减小，桩间土的沉降逐渐增大，且当褥垫层厚度超过0.3m时，桩和土的沉降逐渐趋于稳定。图7为褥垫层厚度与桩土应力比的关系曲线，从图中可看出褥垫层厚度对调节桩土应力比起着一定的调节作用。根据图中规律分析可得，当褥垫层的厚度较小时，桩顶处有明显的应力集中现象，桩间土所承担的荷载得不到充分的发挥，故会使桩间土产生较大的沉降。随着褥垫层厚度的增加桩土应力比呈下降的趋势，桩土之间的荷载分担比得到了调节，荷载通过垫层可以均匀的分配到桩体和土体上，桩土的沉降差不断减小。当褥垫层厚度超过0.3m后，褥垫层的调节作用不再明显。但如果选取的褥垫层厚度过大，不仅对桩体的应力改变不明显，反而会使桩间土分担的荷载增大，造成土体的破坏。综上分析，褥垫层的厚度值取0.3m时，可以有效发挥褥垫层的调节作用，达到既减少桩土沉降又降低工程成本的目的。图6.褥垫层厚度与桩—土沉降的关系曲线图7.褥垫层厚度与桩土应力比的关系曲线3.2褥垫层弹性模量对复合地基的影响图8和图9为褥垫层厚度取0.3m，褥垫层模量分别为20MPa、50MPa、100MPa、150MPa、200MPa、300MPa时，褥垫层弹性模量的变化对CFG桩复合地基桩—土沉降以及桩土应力比影响的关系曲线。图8是桩—土沉降随褥垫层弹性模量变化的关系曲线。从图8中可以看出，桩顶的沉降随着弹性模量的增大而增大，桩间土的沉降随着弹性模量的增加而减小。图9为桩土应力比随褥垫层弹性模量变化的关系曲线，由图9可知，随着褥垫层弹性模量的增加，桩土应力比呈非线性增加，其中当弹性模量小于150MPa时，增加的幅度较大，当弹性模型大于150MPa时，增加有所减缓。从以上规律可以得出，当褥垫层的弹性模量较大时，地表的变形会受到约束，从而桩所分担上部结构所传递的荷载较大，桩顶的应力集中程度加大。故选取褥垫层弹性模量时不宜过大，一方面影响桩土应力比的改善，另一方面还会增加工程上的造价。图8.褥垫层弹性模量与桩—土沉降的关系曲线图9.褥垫层弹性模量与桩土应力比的关系曲线4工程应用及效果通过MARC对CFG桩复合地基进行数值模拟，结合模拟的分析结果，由于褥垫层的厚度过小会影响CFG桩承载力的发挥，过大可能会造成桩间土发生破坏，故建议该工程CFG桩褥垫层厚度取30cm厚；由于褥垫层的模量较低时，对桩土应力比的调整效果显著，但当模量达到一定程度是，桩土应力比的影响较小，考虑到现场工程实际和造价，建议褥垫层的材料选取采用5―20mm粒径的碎石为宜。经分析，数值模拟的结果和规范[3]的要求基本一致，故最终CFG桩复合地基褥垫层的设计取30cm厚，5―20mm粒径的碎石进行铺设。该工程进行对场地进行地基处理后，根据规范[3]进行静荷载试验，对复合地基承载力进行测定，各项检测结果均表明该复合地基的变形指标和强度指标均满足设计要求。规范要求最终建筑物的平均沉降≤20mm，图10为工程主体完成后的地基变形监测值和数值模拟结果的对比，由对比可看出最终地基处理结果满足规范的要求。图10实测数据与数值分析的对比5结语本文通过利用有限元分析软件MARC对CFG桩复合地基进行数值模拟，分析了褥垫层对复合地基的影响，结果表明数值模拟成果较好，能为CFG桩复合地基的设计提供一些建议。（1）数值模拟表明，在CFG桩桩长一定的条件下，改变褥垫层的厚度和弹性模量，可以控制桩土应力比，调节桩和土对上部结构所传递荷载的分担比例，从而调节复合地基桩—土之间的沉降。（2）根据有限元分析结果，桩土应力比随着褥垫层厚度的增加而减小，当褥垫层厚度超过0.3m后，褥垫层厚度的影响逐渐变小。为了充分发挥CFG桩的承载作用，建议褥垫层厚度取0.3m。（3）根据有限元分析结果，桩土应力比与褥垫层弹性模量有一定的关系，随着褥垫层弹性模量的增加，桩土应力比也逐渐增加。建议褥垫层弹性模量不宜采取过大，模量宜结合工程实际和复合地基所承受的荷载来选取，建议褥垫层的材料采用5―20mm粒径的碎石。经后期验收检测，证明该复合地基满足设计要求。参考文献:[1]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,2001：60-86．[2]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．[3]中国建筑科学研究院．JGJ79-2002建筑地基处理技术规范[S]．北京：中国建筑工业出版社,2002．[4]何结兵,洪宝宁,丘国锋．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．[5]马时冬．水泥搅拌桩复合地基桩土应力比测试研究[J]．土木工程学报，2002，2l(2)：48—51．[6]王长科,郭新海．基础．垫层．复合地基共同作用原理[J]．土木工程学报,1996,29(5)：30-35．[7]任鹏,邓荣贵,于志强．CFG桩复合地基试验研究[J]．岩土力学,2008,29(1)：81--86．[8]黄生根．CFG桩复合地基现场试验及有限元模拟分析[J]．岩土力学,2008,29(5)：1275--1279．[9]周爱军,栗冰.CFG桩复合地基褥垫层的试验研究和有限元分析[J].岩土力学,2010,31(6):1803-1808.[10]杨生彬,邵卫信,王吉元等.CFG桩复合地基受力性状三维数值模拟研究[J].岩土力学,2008,29(12):3431-3436.[11]周龙翔,童华炜,王梦恕等.复合地基褥垫层的作用及其最小厚度的确定[J].岩土工程学报,2005,27(7):841-843.[12]徐继欣,张鸿,周院芳等.褥垫层厚度对复合地基CFG桩土应力比影响的试验研究[J].公路工程,2012,37(3):59-62,126.FiniteElementAnalysisofCushioninCFGPileCompositeFoundationBasedonMARCAnalysisJIANXin-long,XIChen-xin,LIANGQian(SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,Shanxi,China)Abstract:Takinganengineeringinstanceasbackground,byusingthefiniteelementanalysissoftwareMARCandestabl