摘要：本文运用FLAC3D软件，分析了CFG桩复合地基的沉降变形和应力变化特征，验证了FLAC3D软件在CFG桩复合地基的数值分析中的可靠性,并对今后CFG桩地基处理工程的设计和施工提出了建议。
关键词：数值分析； CFG桩； 复合地基；沉降
Abstract: In this paper, the authors analyzed the characters of settlement and stress about CFG pile composite foundation using FLAC3D program. And we proved the FLAC3D program’s dependability which is used in the numerical simulation analysis of CFG pile composite foundation. At the same time we offered advice to the design and construction for the future.
Key word: numerical simulation, CFG pile composite foundation, settlement
2095-2104（2012）
随着城市化进程的快速发展，城市的建设用地越趋紧张，高层建筑已经成为城市规划中的首要选择。此类建筑对地基的要求较高，天然地基一般不能满足需要，因此，复合地基技术得到了更多的应用。CFG桩复合地基具有地基承载力提高幅度大、应用范围广、沉降小稳定快、施工简便和造价相对低廉等特点，在全国地区应用广泛。但是，目前运用数值分析法研究CFG桩复合地基的变形、受力特征还不够完善。因此，本文利用有限差分软件FLAC3D对CFG桩复合地基进行模拟，分析了其沉降变形和应力变化特征及原因，以对今后的地基处理工程提供参考。
1工程地质概况
本工程位于北京市朝阳区三元东桥北铡，为高级写字楼，地上26层，地下4层，高度约为85.5～99.9m，±0.00标高为39.10m，结构形式为框筒结构。
2建立模型
(1) 地基模型
根据勘察报告可知，地基土体共分为13层，涉及地基处理的有⑤～⒀层，如表1。在模拟过程中，地基深度选择为40m，并且除去开挖部分后模型相关的土体为⑥～⑾层，共五摘自：本科毕业论文www.808so.com
层（如图1所示）。
CFG桩复合地基场地面积为44.8m×21.6m，考虑到复合地基的影响，将场地面积扩展为原来的2倍，深度方向为桩长的2倍，根据对称原则选取场地的1/4建立模型，因此模型的最终大小为50m×25m×40m。
土体本构模型选取中，⑥、⑩的细中砂层选用Mohr-Coulomb模型，其余四层选用弹性模型，土体参数选取遵循求加权平均值的原则，具体参数如表2。
设置一定厚度的褥垫层能够保证桩、同承担荷载，充分发挥桩间土的作用，提高复合地基承载能力。根据规范要求和实际工程经验，垫层的最佳厚度应为100mm～300mm,垫层压缩模量取值范围应为20MPa～100MPa。结合实际场地情况，褥垫层采用150mm厚粒径为5mm~10mm的砂石或碎石，参数见表3。
（2）桩模型
复合地基增强体采用钻孔灌注桩形式，按正方形布置，1/4场地共设置96根桩，桩长17.5m，有效桩长17m，保护桩长0.5m，桩间距1.3m，桩径400mm，桩身采用C25混凝土。桩模型依然采用FLAC-3D中的pile单元，桩身材料采用理想的各向同性线弹性材料（参数见表4）。
（3）边界条件
施加恰当的边界条件有利于分析模型计算过程的收敛性和保证计算结果的合理性。本次模拟采用约束模型边界位移的位移边界条件，就是在模型的四周边界面以在面的法向上用零位移进行约束。同理，基坑底部也作同样的边界处理。在消除边界效应的原则下，充分考虑车站的具体形态特征和客观的工程水文地质条件。
3 模拟结果分析
在实际施工中，基坑开挖完成后又经基底回弹稳定后才进行地基处理施工，且回弹位移较小，因此在模拟过程中没有实际的基坑开挖过程，而是通过设置初始地应力来模拟开挖后的地基土应力场。
(1) 复合地基沉降分析
复合地基处理的思路就是在满足地基承载力的同时严格控制建筑物总沉降和差异沉降。
在模拟前，通过沉降理论可以计算出建筑物的总沉降。根据龚晓楠[3]的复合地基沉降计算方法，将复合地基分为加固区和下卧层两部分，分别采用复合模量法和Geddes法计算相应的沉降变形量，再加成得到复合地基的总沉降。依据这一思路并结合自制软件计算得出的复合地基沉降量为49mm。
模拟结果复合地基最大沉降值为41.7mm，出现在中心位置，最小值为20.2mm，出现在角点位置。由图5所示，复合地基沉降呈中间大，四周小的近椭圆盆形分布，这与一般现场实测结果相符。
处理后的基础差异沉降是由框架结构相邻柱间的差异沉降来表示（如图6所示）。根据模拟结果计算得到的相邻柱间最大差异沉降为0.723/500。
（2）复合地基应力分析
复合地基Ｚ向应力云图如图7所示。从中可以发现，加固区外的各层土体应力分布均匀，完全按照各土层相应的重度产生应力梯度。而加固区的应力变化要明显小于其外侧土体，这是因为复合地基承担荷载的主要是桩体，其置换作用将土体的重度效应减小，而桩与桩之间、桩与土之间的相互作用，使得复合地基成为一个有机的整体来发挥其承载能力，表现沉降变形。
从桩身轴力可以看到，桩身最大轴力为372.5KN，出现在桩身的中下部（如图7、图8）。而该工程CFG桩的极限承载力为745KN，这与设计为2的安全系数相符。复合地基体积应变变化如图8，等效荷载作用面延至桩身的中下部，与桩身最大轴力和摩阻力中性点处一致。而复合地基下卧层的体积应变变化不大，表明下卧层附加应力分布均匀。
（3）模拟结论可靠性分析
将模拟结果与理论计算值、实测值相比较发现（表6），模拟值要小于计算值。这是因为地基土体的⑥层即复合地基加固区的S1层实际分布不均匀，而在模拟概化土层的过程中，将各层都设置为均匀土体，造成一定的误差；另外，该层土体的参数特别是切、法向弹簧参数的设置偏保守造成模拟沉降值偏小。但总的来说，模拟结果与计算结果、实测结论能够较好的符合，这也验证了FLAC软件对于复合地基模拟计算的可靠性。
4结论
通过对该工程的CFG桩复合地基的数值模拟分析，得出以下结论：
复合地基沉降分布呈中间大，四周小的椭圆盆形，最大位移出现在中心。
复合地基加固区的应力变化小于外侧土体，这是由桩体的置换效应引起的。
综合比较建筑物总沉降和差异沉降的模拟值、理论计算值以及实测值等，发现者相差不大，符合实际要求，验证了FLAC3D软件的可靠性。
参考文献
张在明. 北京地区高层和大型公用建筑的地基基础问题. 岩土工程学报，2005，27 (1)：11～23
孙钧. 城市地下工程施工安全的智能预测与控制及其三维仿真模拟系统研究. 海峡两岸隧道与地下工程专集(1). 岩石力学与工程学报，18（增刊），1999：753～762
龚晓楠. 复合地基理论及工程应用. 北京：中国建筑工业出版社，2002.11
阎明礼，张东刚. CFG桩复合地基技术及工程实践. 北京：中国水利水电出版社, 2001
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
CFG桩复合地基数值模拟分析
更新时间：2024-03-19
作者：用户投稿
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