论文部分内容阅读
摘要：桩土应力比是反映复合地基特性的重要因素，是CFG桩复合地基设计中的重要参数。本文对高速铁路CFG桩复合地基桩筏结构进行了数值模拟，研究了桩间距、褥垫层厚度、桩长对桩土应力比的影响。研究表明，褥垫层厚度是主要因素，而桩长、桩间距影响较小。
关键词：桩土应力比；高速铁路；数值模拟；褥垫层
中图分类号： O241 文献标识码：A 文章编号：
Numerical analysis of pile-soil stress ratio to CFG pile composite foundation
in High-Speed Railway
Abstract: Pile-soil stress ratio is an important factor to the characteristics of the composite foundation, is an important parameter to design the CFG pile composite foundation.In this article,the CFG pile composite foundation is simulated by Numerical Simulation. such as the pile spacing,cushion thickness and the length of the pile's effect on the pile-soil stress ratio is studied. The reasrearch showed that cushion thickness is a major factor, while the length of the pile, the pile spacing is less affected.
Key words: Pile-soil stress ratio; high speed railway; Numerical Simulation; cushion
1、前言
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌合形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基是我国20世纪80年代末开发的一项新的地基加固技术，由于其用材经济、施工快捷、加固效果良好等优点，在工程中得到了广泛的应用。
近年来，为适应高速铁路建设的需要，CFG桩在高速铁路软土地基处理中得到广泛应用。为了更好地指导工程实践，进一步研究高速铁路CFG桩复合地基中的工作机理显得尤为重要。本文研究了不同桩间距、褥垫层厚度和桩长对桩土应力比的影响。对CFG桩的设计应用有一定的指导作用。
2、计算模型
2.1 计算模型和计算参数
本段路基结构形式为：以填方通过，路堤填高为7.2m，路堤边坡率为1.5，其上设置3.5m高预压土，预压土边坡率为1，其下设置CFG桩桩径0.5m，间距1.8m，正方形布置，桩长24m，桩顶设0.15m厚褥垫层，其上设0.5m厚钢筋混凝土板。其结构图如图1所示。
计算采用大型有限元分析软件Plaxis，计算中采用如下设定：土的本构模型采用摩尔—库伦(Mohr-Coulomb)本构模型；屈服准则为摩尔—库伦强度准则；流动理论为相关联的流动法则；土体材料不承受拉力；桩体采用plate单元模拟，线弹性本构模型[53, 54]，进行了EA、EI等效；引入接触单元(Interface Element)，模拟筏板与垫层之间的接触问题；采用边界条件的标准设置，即左右两侧水平方向固定，底部水平和竖直方向均固定。计算模型如图2所示。
1) 桩间距由1.8m扩展为2.0m，路基中心处桩土应力比增大6%，路肩处增大13.5%，坡脚处增大14.5%，桩土应力比增大幅度较大。可知保持其他条件不变的情况下，桩土应力比随着桩间距的增大而增大。
2）桩间距由2.0m扩展为2.2m时, 路基中心处桩土应力比增大0.8%，路肩处增大2.1%，坡脚处增大2.%，桩土应力比增大幅度较小。随着桩间距的不断增大(s>4d)，桩土应力比相差甚微。
3）桩间距增大，面积置换率减小，表明加固范围减小，桩体承受荷载的面积减小，土体承受荷载的面积增大，因此桩土应力比增大。但随着桩间距的不断增大(s>4d)，增大桩间距对桩土应力比的影响就很小。在柔性基础下，桩间土的能力一般都能得到很好的发挥，提高桩土应力比能够更好的发挥桩体的承载能力，适当增加桩间距可以有效的提高桩土应力比。因此，建议在满足沉降、承载力等要求的条件下，尽可能选择较大的桩间距，这样既有利于发挥桩体的承载能力，又具有经济效益。
3.2 褥垫层厚度对桩土应力比的影响
桩土应力比对比图如下：
1）保持其他条件不变的情况下，桩土应力比随着褥垫层厚度的增大而减小，且路肩范围内变化较大。其中褥垫层厚度由0.15m扩展为0.3m，路基中心桩土应力比减小16.78，路肩处减小11，坡脚处减小0.6。褥垫层厚度由0.3m扩展为0.45m，路基中心桩土应力比减小15.49，路肩处减小10.2，坡脚处减小9.8。在路基荷载作用下，由于桩体的变形模量远远大于桩间土的变形模量，桩体产生相对向上的刺入变形。从而使桩体向褥垫层内刺入，伴随着这一变化过程，褥垫层颗粒状的散体材料不断的补充到桩间土的表面上去。在受力过程中，基础通过褥垫层始终与桩间土保持接触，使桩间土始终参与工作，从而使桩间土的承载能力得以发挥，桩体受力就相应减小。由于褥垫层的厚度的增大，其调节作用越明显，桩间土的承受的荷载越大，桩土应力比变小。
2）褥垫层厚度应保持在合适的范围内。褥垫层厚度过小，将使桩土应力比加大，即桩承担的荷载加大，而桩间土承载能力不能充分发挥，造成经济上的浪费。若褥垫层厚度过大，又会导致桩、土应力比等于或接近1。此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去意义。所以要充分发挥桩间土的承载力，可增大垫层厚度，若要充分发挥桩承载力，可铺设一层较薄的垫层。褥垫层厚度在0.15m~0.3范围内桩土应力比较为适中，桩土荷载分担较为合理。
3.3 桩长对桩土应力比的影响
桩土应力比对比图如下：
由上可知：桩长由24m分别减小为21m和18m时，路基中心处桩土应力比分别减小3.74和8.28，路肩处分别减小2.95和7.64,坡脚处减小3.08和7.72，所以，在土层相同且桩端都在同一土层的情况下，不论路基中心还是路基边缘，桩长越长，桩土应力比越大。越能发挥桩的作用。为了合理分担桩承受的上部压力，过于增加桩长也不能达到CFG桩复合地基加固原则(桩土共同承担)。
4、结论
1) 影响CFG桩复合地基桩土应力比的因素中，褥垫层厚度是主要因素，而桩长、桩间距影响较小。
2) 桩长越长，桩土应力比越大，越能发挥桩的作用，但桩长过长也不能达到CFG桩复合地基加固原则(桩土共同承担)。为了合理分担桩承受的上部压力，要合理设计桩长。桩土应力比随着桩间距的增大而增大。但随着桩距的不断增大(s>4d)，桩土应力比相差甚微。在满足沉降、承载力等要求的条件下，尽可能选择较大的桩间距，这样既有利于发挥桩体的承载能力，又具有经济效益。所以设计中要合理安排桩间距，桩间距过小不仅不经济，而且作用效果不太理想。本处建议桩间距为由1.8m扩展至2.0m。
3) 褥垫层厚度的作用是调整桩、土之间的应力。褥垫层厚度过小，将使桩土应力比加大，即桩承担的荷载加大，而桩间土承载能力不能充分发挥，造成经济上的浪费。若褥垫层厚度过大，又会导致桩、土应力比等于或接近1。此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去意义。所以褥垫层厚度应保持在合适的范围内，要充分发挥桩间土的承载力，可增大垫层厚度，若要充分发挥桩的承载力，可鋪设一层较薄的垫层。本试验点建议褥垫层厚度为0.15m。
参考文献：
[1] 中华人民共和国建设部. 建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002). 北京: 中国建筑工业出版社. 2002
[2] 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. 2001:87
[3] 刘晓平,唐春梅. CFG桩复合地方基的应用及发展前景. 山西建筑. 2005,31(6):76~77
[4] 迟跃君，等. 垫层破坏模式的探讨及其与桩土应力比的关系[J]. 工业建筑，2001，31(9):9~11
[5] 董道洋. CFG桩复合地基桩土应力比的理论计算方法[J]. 四川建筑，2003，23(6):30~31
作者简介：李峰（1986-） 男 助理工程师 福建省建筑科学研究院
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：桩土应力比；高速铁路；数值模拟；褥垫层
中图分类号： O241 文献标识码：A 文章编号：
Numerical analysis of pile-soil stress ratio to CFG pile composite foundation
in High-Speed Railway
Abstract: Pile-soil stress ratio is an important factor to the characteristics of the composite foundation, is an important parameter to design the CFG pile composite foundation.In this article,the CFG pile composite foundation is simulated by Numerical Simulation. such as the pile spacing,cushion thickness and the length of the pile's effect on the pile-soil stress ratio is studied. The reasrearch showed that cushion thickness is a major factor, while the length of the pile, the pile spacing is less affected.
Key words: Pile-soil stress ratio; high speed railway; Numerical Simulation; cushion
1、前言
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌合形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基是我国20世纪80年代末开发的一项新的地基加固技术，由于其用材经济、施工快捷、加固效果良好等优点，在工程中得到了广泛的应用。
近年来，为适应高速铁路建设的需要，CFG桩在高速铁路软土地基处理中得到广泛应用。为了更好地指导工程实践，进一步研究高速铁路CFG桩复合地基中的工作机理显得尤为重要。本文研究了不同桩间距、褥垫层厚度和桩长对桩土应力比的影响。对CFG桩的设计应用有一定的指导作用。
2、计算模型
2.1 计算模型和计算参数
本段路基结构形式为：以填方通过，路堤填高为7.2m，路堤边坡率为1.5，其上设置3.5m高预压土，预压土边坡率为1，其下设置CFG桩桩径0.5m，间距1.8m，正方形布置，桩长24m，桩顶设0.15m厚褥垫层，其上设0.5m厚钢筋混凝土板。其结构图如图1所示。
计算采用大型有限元分析软件Plaxis，计算中采用如下设定：土的本构模型采用摩尔—库伦(Mohr-Coulomb)本构模型；屈服准则为摩尔—库伦强度准则；流动理论为相关联的流动法则；土体材料不承受拉力；桩体采用plate单元模拟，线弹性本构模型[53, 54]，进行了EA、EI等效；引入接触单元(Interface Element)，模拟筏板与垫层之间的接触问题；采用边界条件的标准设置，即左右两侧水平方向固定，底部水平和竖直方向均固定。计算模型如图2所示。
1) 桩间距由1.8m扩展为2.0m，路基中心处桩土应力比增大6%，路肩处增大13.5%，坡脚处增大14.5%，桩土应力比增大幅度较大。可知保持其他条件不变的情况下，桩土应力比随着桩间距的增大而增大。
2）桩间距由2.0m扩展为2.2m时, 路基中心处桩土应力比增大0.8%，路肩处增大2.1%，坡脚处增大2.%，桩土应力比增大幅度较小。随着桩间距的不断增大(s>4d)，桩土应力比相差甚微。
3）桩间距增大，面积置换率减小，表明加固范围减小，桩体承受荷载的面积减小，土体承受荷载的面积增大，因此桩土应力比增大。但随着桩间距的不断增大(s>4d)，增大桩间距对桩土应力比的影响就很小。在柔性基础下，桩间土的能力一般都能得到很好的发挥，提高桩土应力比能够更好的发挥桩体的承载能力，适当增加桩间距可以有效的提高桩土应力比。因此，建议在满足沉降、承载力等要求的条件下，尽可能选择较大的桩间距，这样既有利于发挥桩体的承载能力，又具有经济效益。
3.2 褥垫层厚度对桩土应力比的影响
桩土应力比对比图如下：
1）保持其他条件不变的情况下，桩土应力比随着褥垫层厚度的增大而减小，且路肩范围内变化较大。其中褥垫层厚度由0.15m扩展为0.3m，路基中心桩土应力比减小16.78，路肩处减小11，坡脚处减小0.6。褥垫层厚度由0.3m扩展为0.45m，路基中心桩土应力比减小15.49，路肩处减小10.2，坡脚处减小9.8。在路基荷载作用下，由于桩体的变形模量远远大于桩间土的变形模量，桩体产生相对向上的刺入变形。从而使桩体向褥垫层内刺入，伴随着这一变化过程，褥垫层颗粒状的散体材料不断的补充到桩间土的表面上去。在受力过程中，基础通过褥垫层始终与桩间土保持接触，使桩间土始终参与工作，从而使桩间土的承载能力得以发挥，桩体受力就相应减小。由于褥垫层的厚度的增大，其调节作用越明显，桩间土的承受的荷载越大，桩土应力比变小。
2）褥垫层厚度应保持在合适的范围内。褥垫层厚度过小，将使桩土应力比加大，即桩承担的荷载加大，而桩间土承载能力不能充分发挥，造成经济上的浪费。若褥垫层厚度过大，又会导致桩、土应力比等于或接近1。此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去意义。所以要充分发挥桩间土的承载力，可增大垫层厚度，若要充分发挥桩承载力，可铺设一层较薄的垫层。褥垫层厚度在0.15m~0.3范围内桩土应力比较为适中，桩土荷载分担较为合理。
3.3 桩长对桩土应力比的影响
桩土应力比对比图如下：
由上可知：桩长由24m分别减小为21m和18m时，路基中心处桩土应力比分别减小3.74和8.28，路肩处分别减小2.95和7.64,坡脚处减小3.08和7.72，所以，在土层相同且桩端都在同一土层的情况下，不论路基中心还是路基边缘，桩长越长，桩土应力比越大。越能发挥桩的作用。为了合理分担桩承受的上部压力，过于增加桩长也不能达到CFG桩复合地基加固原则(桩土共同承担)。
4、结论
1) 影响CFG桩复合地基桩土应力比的因素中，褥垫层厚度是主要因素，而桩长、桩间距影响较小。
2) 桩长越长，桩土应力比越大，越能发挥桩的作用，但桩长过长也不能达到CFG桩复合地基加固原则(桩土共同承担)。为了合理分担桩承受的上部压力，要合理设计桩长。桩土应力比随着桩间距的增大而增大。但随着桩距的不断增大(s>4d)，桩土应力比相差甚微。在满足沉降、承载力等要求的条件下，尽可能选择较大的桩间距，这样既有利于发挥桩体的承载能力，又具有经济效益。所以设计中要合理安排桩间距，桩间距过小不仅不经济，而且作用效果不太理想。本处建议桩间距为由1.8m扩展至2.0m。
3) 褥垫层厚度的作用是调整桩、土之间的应力。褥垫层厚度过小，将使桩土应力比加大，即桩承担的荷载加大，而桩间土承载能力不能充分发挥，造成经济上的浪费。若褥垫层厚度过大，又会导致桩、土应力比等于或接近1。此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已失去意义。所以褥垫层厚度应保持在合适的范围内，要充分发挥桩间土的承载力，可增大垫层厚度，若要充分发挥桩的承载力，可鋪设一层较薄的垫层。本试验点建议褥垫层厚度为0.15m。
参考文献：
[1] 中华人民共和国建设部. 建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002). 北京: 中国建筑工业出版社. 2002
[2] 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. 2001:87
[3] 刘晓平,唐春梅. CFG桩复合地方基的应用及发展前景. 山西建筑. 2005,31(6):76~77
[4] 迟跃君，等. 垫层破坏模式的探讨及其与桩土应力比的关系[J]. 工业建筑，2001，31(9):9~11
[5] 董道洋. CFG桩复合地基桩土应力比的理论计算方法[J]. 四川建筑，2003，23(6):30~31
作者简介：李峰（1986-） 男 助理工程师 福建省建筑科学研究院
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。