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過復雜的變形協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場靜荷載試驗確定，也可以采用經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驗公式，這些經驗公式不能體現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；最后通過建立現場數值計算模型，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

武漢智能網聯汽車測試場一期競速區位于武漢經濟技術開發區東荊河河畔，距長江約2 km，賽道規劃用地面積約0.875 km2，設計速度為300 km/h，國際汽聯對賽道提出了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，根據上海賽車場的經驗，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，避免出現懸樁等不利于沉降控制的情況。

根據區域內路基填高和地質條件的不同，將區域內路基劃分為低填區、高填區及過渡段。低填區采用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、粉煤灰和水發生化學反應，軟土中的水分也會加入反應中，反應會產生大量的熱并且會使軟土發生膨脹，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，樁體僅發揮了其部分的承載力，導致復合地基的承載力未充分發揮。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值模擬分析

3.1 數值模型與參數

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，參數取值的準確性較高。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，地層自上而下依次為黏土、粉土、粉砂。地層參數見表1，有樁帽的CFG樁復合地基數值計算模型如圖2所示，網格劃分如圖3所示。

表1 地層參數

圖2 數值計算模型

圖3 網格劃分模型

3.2 上部荷載作用下數值模擬結果分析

將ANSYS Workbench中處理完的網格模型通過ANAYS經典界面導入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，相應地使CFG樁的受力增大，充分發揮了樁的承載作用，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。數值模擬中保持其他參數不變，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，其他參數保持不變，僅改變樁帽混凝土的強度等級。記錄數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）本文對武漢智能網聯汽車測試場項目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，樁頂的位移越大，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。