CFG桩复合地基中褥垫层效应分析.docx

第34卷第1期中外公路622 0 1 4年2月文章编号：16712579(2014)01006203cfg桩复合地基中褥垫层效应分析徐刚1。赵丽华2(1辽宁省交通高等专科学校道路桥梁系，辽宁沈阳110：122；2大连交通大学土木与安全工程学院)摘要：针对褥垫层在cfg桩复合地基中发挥效应问题，在单桩复合地基载荷试验基础 上，应用有限元方法研究了不同荷载条件下、不同厚度及刚度的褥垫层对桩土应力比的影响。 研究结果表明：褥垫层厚度及刚度对桩土复合地基效果发挥均产生较大影响。褥垫层厚度存 在合理范围，过薄及过厚都不利于桩土复合作用效果发挥。褥垫层刚度对复合地基的影响还 受到上部荷载大小的影响。综合确定某具体工程用水泥级配碎石褥垫层厚度为06 m时， 桩土应力比值适中。通过分析试验结果和有限元模拟结果，确定cfg桩复合地基褥垫层厚 度的适宜范围，从而为复合地基褥垫层设计提供相关依据。关键词：复合地基；褥垫层；cfg桩；有限元cfg桩复合地基由cfg桩、桩问土、褥垫层构黄色，软塑硬塑状态，承载力特征值为180 kpa；下 成，具有施工速度快、质量容易控制及工程造价低等优 伏中砂，褐黄色，饱和，密实，成分以石英和长石为主， 点，在高速铁路及公路软土地基处理中得到了广泛应 厚度大于200 m，承载力特征值为450 kpa；地下水具 用。cfg桩身作为增强体，与桩间土以一定的比例共 有硫酸盐侵蚀性，作用等级h1。由于地基承载力不 同承受由褥垫层传递下来的上部荷载。桩间土体由于 足，为了避免桥梁与路基过渡段出现不均匀沉降，增强 受到桩的挤密作用承载能力得到一定程度提高，桩也软粘土地基的承载能力，采用了cfg桩复合地基的处 由于周围土侧应力的增加其受力性能得到改善，桩土理方式。设计cfg桩径为o5 m，桩间距为15 m， 共同作用形成受力整体。褥垫层是桩土复合地基的重 正方形布置，桩长12 m，桩顶部铺设一定厚度的水泥 要组成部分，它能起到调整桩一土荷载比的作用，保证 级配碎石(含5水泥)垫层。cfg桩施工工序为“隔 桩土受力均匀，减小应力集中。已有研究表明：褥垫层 一打一”方式，通过调整混凝土坍落度、拨管速度等工 厚度对桩一土承载力发挥非常敏感，对复合地基的效艺参数进行施工，平均混凝土充盈系数为14。为了 应亦有较大影响。因此，选择合适的褥垫层厚度对 解cfg桩复合地基的承载特性，获得合适的垫层厚 cfg桩复合地基的处理效果具有重要意义。针对某 度，选取dk330+560dk330+610的过渡段作为试 铁路客运专线cfg桩复合地基工程，在单桩复合地基 验段进行单桩复合地基载荷试验。 静力载荷试验基础上，针对褥垫层厚度的变化对桩土12试验概况 应力比的影响进行了试验研究和有限元数值分析。此次试验选取4个测试断面，每个断面褥垫层铺设厚度分别为02、04、06、08 m，不同测试断面选1试验研究 择3个测点。每个测点在桩顶及桩间土(两桩中间位 置)埋设土压力盒，采用钢弦式土压力盒，埋设前均经11工程及地质概况过标定，根据仪器提供的公式计算土压力。测试布置 该铁路客运专线dk330+560桩号处，为桥头与示意图如图1所示。单桩复合地基载荷试验时，对不 路堤连接处，路堤地段为平原地形，路基填筑高度 同荷载下、不同垫层厚度时的桩及桩间土压力进行量821 m，边坡坡度为1：1。5，路堤顶宽为136 m。地 测，施加一级荷载p，记录一次压力盒读数。最后求 质情况为：表层为含泥砂土，厚1020 m，承载力特 取每个断面桩顶及桩间土的土压力平均值，计算平均 征值为110 kpa；下面是厚7590 m粉质粘土，褐 应力。试验采用慢速维持荷载法，承载板尺寸为08收稿日期：2013一0519 作者简介：徐刚，男，硕士，助教万方数据2014年第1期 徐刚，等：cfg桩复合地基中褥垫层效应分析63m08 in，试验荷载选为4个等级，分别为200、400、从图2(a)可以看出，褥垫层厚度对桩土应力比具600、800 kpa。 有一定的调节作用，随着褥垫层厚度的增加，桩土应力比逐渐减小。褥垫层厚度小于04 m时，桩土应力比土jiijfii z，l堕一|二。较大，说明此时桩承担了较大荷载，而桩间土的承载能()力没有得到有效发挥；褥垫层厚度为0406 m之间时，桩土应力比曲线变缓，桩土应力比值适中；褥垫层厚度为06 m时，桩土应力比曲线出现拐点，桩土 应力比下降幅度迅速变缓；0608 m时，褥垫层厚(a)土压力盒布置图度对桩土应力比的影响变小，说明当垫层厚度较薄时，路基顶面桩土应力比对荷载影响较敏感，随着垫层厚度的增大，m|土压力盒匡萎垫层厚度对桩土应力比的影响逐步减小。因此，为了发挥复合地基中桩和桩间土的协同作用，褥垫层的厚 度有一个合理范围。从此次试验结果来看，该路段褥含泥砂土l垫层的最佳厚度应选为06 m。h粉质粘土褥垫层从图2(b)可以看出：上部荷载对桩土应力比有一定影响，随着荷载增加，桩土应力比先减小后增大。当广：中砂荷载为200 kpa时，桩土应力比较大，荷载作用初期由于褥垫层产生压缩，导致桩承担较大荷载；当荷载在(b)测试断面示意图600 kpa以内时，随着荷载作用增加，桩体产生反向刺图1断面测试布置图人，桩间土开始发挥作用，此时桩土应力比减小；随后13试验结果分析 当荷载超过600 kpa以后，曲线出现递增趋势，桩土应 单桩复合地基载荷试验结果如图2所示。 力比略有增大，说明当荷载较大时，桩的作用又得到了重新发挥。2数值分析丑毖掩mr 倒刊h屹m21模型建立掣86 结合前文的试验数据，利用有限元软件建立包含4 桩、土、褥垫层的复合地基三维有限元模型，分析竖向2荷载作用下褥垫层性能对桩土应力的影响。分析时， 垫层厚度，m 选取单桩有限元分析模型，桩长取12 1ti，桩直径取05 (a)褥垫层厚度一桩土应力比m，褥垫层厚度取h一200、400、600、800和1 000 mm， 竖向边界取24 m，侧向边界取6 m6 m，模型几何尺寸示意图见图3。假定土体和桩体为均质材料，桩体垫层厚度m丑毖加掩m+o2和承载板采用线弹性模型，混凝土的泊松比u一02，r廿04倒+06弹性模量e=20 gpa，褥垫层变形模量分别为40、80、州h坦m型8七一08120 mpa。土的本构模型采用mohr-coulomb模型，6土体参数见表1。在建立有限元模型时对土体、桩体、42垫层均采用8节点实体单元，同时在不同材料结合处 设置接触单元，考虑桩土之间的相对滑动。边界设置：荷载，kpa垫层表面设置自由边界，土的底部和两侧取固定支座。(b)荷载一桩土应力比为减少单元网格和节约计算时间，考虑到模型的对称图2褥垫层厚度、荷载与桩土应力比的关系曲线性，取14模型计算。对称面上的边界条件为：约束垂万方数据64中外公路第34卷直于对称面方向的位移。承载板或桩顶作用均布荷对桩土应力比影响较大。随着荷载增大，褥垫层模量 载，所施加荷载大小分别为200、400、600、800 kpa。 对桩土应力比的影响减小。表1土体参数综合图2(a)、图4，当试验荷载从200 kpa增加到600 kpa时，桩土应力比随着荷载增加而减小；当荷载达到800 kpa时，桩土应力比出现了反弹现象，与试验 结果类似。同时发现，当褥垫层模量较小时，较大的外 荷载对桩土应力比的反弹作用更明显。因此选取合适 的褥垫层刚度也是cfg桩复合地基处理技术的一个 重要参数，应引起注意。3 结论(1)通过调整褥垫层厚度，可以有效调节复合地3 000 基的桩土应力比，使桩土承受荷载比例趋于合理。桩 图3有限元分析模型几何尺寸示意图(单位：mm)土应力比值随褥垫层厚度的增加而减小，采用水泥级 配碎石褥垫层时，为充分发挥桩土复合作用，提出合理22计算结果分析的褥垫层厚度应为0406 m。褥垫层厚度对桩土应力比的影响见图2(a)，褥垫(2)褥垫层的刚度对桩土应力比有一定的影响， 层变形模量对桩土应力比的影响如图4所示。 随着褥垫层刚度的增加，桩土应力比也逐渐增加；特别 不同荷载作用下，褥垫层厚度对桩土应力比的影是当荷载较小时，褥垫层刚度变化对桩土应力比影响 响是随着褥垫层厚度增加，桩土应力比减少，到达拐点较大。因此，在选择褥垫层材料时应注意其刚度及上后，曲线变缓，当褥垫层厚度达到1 m时，桩土应力比 部荷载大小对复合地基作用效果的影响。接近于2，此时桩分担的荷载仅是桩间土的2倍，说明 褥垫层较厚时，cfg桩的作用效果得不到有效发挥。参考文献：综合分析认为，褥垫层厚度在0406 m范围内，桩 1龚晓南复合地基理论及工程应用i-m北京：中国建筑土应力比值较为适中，桩、土荷载分担较为合理。工业出版社，20022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，20013王兵，杨为民，李占强，等褥垫层对复合地基承载特性影 响的试验研究j岩土力学，2008(2)4王长科，郭新海基础一垫层一复合地基共同作用原理 j土木工程学报，1996(5)5董必吕，郑俊杰cfg桩复合地基沉降计算方法研究j 岩石力学与工程学报，2002(7)4060801001206何结兵，洪宝宁，丘国锋高速公路cfg桩复合地基褥垫僻氆层模量mpa层作用机理研究口岩土力学，2004(10)图4褥垫层模一桩土应力比关系曲线7任鹏，邓荣贵，于志强cfg桩复合地基试验研究j岩(褥垫层厚度06 m)土力学，2008(1)8朱云升，胡幼常柔性基础复合地基力学性状的有限元分由图4可以看出：不同荷载作用下，随着褥垫层