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摘 要：本文运用ANSYS有限元分析软件，对CFG桩复合地基进行了非线性有限元分析, 得到了桩土沉降与荷载之间的关系，获得了褥垫层厚度及对桩身轴力、桩土应力比、桩土沉降等的影响规律，其结果可为复合地基设计和施工提供参考。
关键词：CFG桩；复合地基；桩土应力比；褥垫层；有限元
CFG桩即水泥粉煤灰碎石桩(Cement flaysh graval pile)，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高黏结强度桩，而CFG 桩复合地基是由桩体、桩间土和褥垫层共同组成，属刚性桩复合地基。CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，且施工速度快，工程造价一般为桩基的1/3～1/2，经济效益和社会效益非常显著。CFG 桩复合地基开始应用于多层房屋，如今在许多20～30层高层建筑和31～35层的超高层建筑的地基处理中都得到了广泛的应用。
研究单桩问题是研究刚性桩复合地基的基础，单桩模型比较简单，各影响因素之间相互干扰较少，能更直接反映影响因素的作用。本文主要借助有限元数值模拟手段，充分考虑了桩间土和褥垫层的材料非线性和桩与土、桩与褥垫层、承台与褥垫层、褥垫层与桩间土的接触非线性，研究CFG单桩在竖向荷载下褥垫层对CFG桩复合地基沉降的影响特性。
1、CFG桩复合地基的有限元计算方法
1.1 有限元程序
本次计算采用的是ANSYS9.0程序,它是美国Swanson公司研发的一种大型有限元分析软件, 它集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体，其用户涵盖了机械、航空航天、交通运输、土木建筑、水电、地矿、生物医学等众多领域，有较强的非线性功能。
1.2 单桩复合地基的模型建立和假定
1.2.1 有限元分析模型
对单桩问题，可将桩、承台截面按面积相等简化为圆形，这样三维问题转化为轴对称问题，可按二维问题进行计算。桩、土、垫层及承台均采用四结点plane42单元，采用刚体-柔体接触面单元进行各接触面模拟，即target169与contact171单元。采用网格划分时在桩顶、桩端进行网格加密，计算网格单元1080个，节点总数为1223个；桩长5m， 桩径0.5m，有限元解域侧面边界取褥垫层外桩径的20倍,解域底部边界取1倍桩长深度，边界条件为两侧边均无水平位移，底边完全固定。计算采用的各材料的力学参数见表1，几何模型及网格划分见图1。
表1 材料属性参数
材料
变形模量
（MPa）
泊松比
粘聚力
（kPa）
内摩擦角
（°）
承台
25000
0.15
垫层
80
0.25
0
40
桩
10000
0.15
土
25
0.30
30
20
图1 有限元计算几何模型及网格划分简图
1.2.2 有限元计算假定
为不失结构体系主要性质和便于上述模型的数值分析，计算中做如下假定：
（1）同一种材料为均质、各向同性体。
（2）假定土体、褥垫层均为理想弹塑性体。
（3）假定CFG 桩体、承台为线弹性体，符合广义虎克定律。
（4）土体、垫层的本构关系为Drucker-Prager理想弹塑性模型。
2、有限元结果分析
图2系褥垫层厚度为200mm时的桩土沉降与荷载之间的关系曲线，与大量现场实测所得结论是一致的。可见，由于设置了褥垫层，一部分荷载通过褥垫层作用在桩间土上，桩顶沉降略小于土表面的沉降，且随着荷载的增加，桩顶、土表面的沉降也增加。当荷载较小时，沉降基本为线性；当荷载超过一定水平，垫层内部、桩顶、桩端开始出现塑性区域，垫层、土体的变形加大，沉降呈非线性增加。
2.1 桩身轴向应力与褥垫层厚度的关系
不同厚度褥垫层情况下与桩身轴向应力沿深度的变化情况见图3，由图3可知：
(1）H=0时，桩顶以下各部位位移都大于相应部位土的位移，桩间土对桩产生与桩位移方向相反的侧阻力，即正摩阻力，因而桩的最大轴力在桩的顶部且桩身轴力随深度增加而减小。
(2）H≠0时，由于桩顶的沉降小于桩间土的表面沉降，所以在桩顶以下某个深度z0范围内，桩间土的位移大于桩的位移。在这一范围内的土体将对桩产生与桩体位移方向相同的摩擦力，即所谓的负摩擦力。当z>z0时，桩体位移大于土的位移，土对桩产生的是与桩体位移方向相反的力，即正摩擦力。z0处桩体位移等于土的位移，该段面所处位置为中性点。这样，在z0以上的桩体，轴力随深度的增加而增加；在z0以下的桩体，轴力随深度的增加而减小，桩身最大轴力在中性点处。这一特征可以从各应力图中非常明显地看出来。进而我们可以从图中得出，z0的值约在0.5～1.0m之间。www.tmgc8.com
2.2 桩土应力比与褥垫层厚度的关系
图4系荷载为120kPa情况下不同褥垫层厚度与桩土应力比关系曲线。由该图可知，褥垫层厚度对桩土应力比的影响较大。随着褥垫层厚度的增加,荷载进行转移、调整的空间加大，更多的荷载可向土体转移，桩土应力比逐渐减小。当褥垫层厚度增大到一定水平，桩土应力比随荷载增大逐渐减小的趋势不再明显，最后趋向一定值，表明荷载在此厚度的垫层内已得到充分调整，增加厚度不能再显著降低桩土应力比。实际工程中合理的褥垫层厚度为100～300mm左右。
图4 不同褥垫层厚度与桩土应力比关系曲线
2.3 沉降与褥垫层厚度之间的关系曲线
图5系荷载为120kPa情况下，桩—土沉降与垫层厚度关系的曲线。该图表明随褥垫层厚度的增加，桩顶作用的荷载减小，使得桩顶沉降略有减小，而土体表面作用的荷载增加，加大了土表面的沉降。但当垫层厚度超过一定水平，桩顶、土表面的沉降基本不变，这说明在此垫层厚度范围内（垫层厚度为40cm左右），荷载已得到充分调整，桩顶、土表面的应力值基本不变，因此沉降也不变，此时承台的沉降增加主要是垫层压缩量的增加而引起的
2.4 沉降与垫层压缩模量之间的关系曲线
图6系荷载为100kPa情况下沉降与垫层压缩模量之间的关系曲线。由该图可以看到，随着垫层压缩模量增加，桩顶分担的荷载增加，其沉降也增加；而土体分担的荷载减小，其沉降也减小，土体与桩顶的沉降差，即上刺入量也减小。当垫层压缩模量超过一定水平，二者的沉降变化梯度都减小，此时垫层的调整均化作用已经很小。因此，垫层压缩模量对CFG桩复合地基实现桩土的协同作用有重要意义，在工程中选择合适的垫层压缩模量是非常必要的。
3、结论
（1）采用本文建议的模型、假定，充分考虑桩间土和褥垫层的材料非线性和各接触面的接触非线性，对CFG单桩复合地基进行有限元分析是一种行之有效的方法，分析结果可为CFG桩复合地基设计和施工提供参考。
（2）由文中有限元分析可知，CFG单桩复合地基中的褥垫层对于调整桩土荷载的分担，减少承台底面的应力集中，进而保证桩土共同承担荷载起着明显的作用，是保证CFG桩桩体与桩间土形成复合地基的一项重要措施。
参考文献
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