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摘要：采用ANSYS有限元程序建立了筏板基础—CFG桩复合地基共同作用模型，着重分析了筏板厚度与CFG桩桩顶应力、桩间土应力、桩端土应力及基础沉降之间的关系，为筏板基础—CFG桩复合地基设计提供参考。
关键词：筏板基础，CFG桩，复合地基
Abstract:With ANSYS finite element programs，Building raft foundation-composite foundation of CFG pile interaction model. Focuses on the analysis of the relationship between the raft thickness and stress of CFG pile top，soil among pile，pile tip soil，and the foundation settlement. The conclusion could be used as a reference for the raft foundation-composite foundation of CFG pile design.
Keywords: Raft Foundation，CFG Pile，Composite Foundation
中图分类号： TU473.1文献标识码：A文章编号：
0 引言
在高层建筑中，过去通常采用桩筏或桩箱基础，现今也采用筏板基础与CFG桩复合地基相联合的基础形式作为高层建筑的基础，并取得了良好的经济效益和社会效益。国内外对桩筏基础共同作用、CFG桩复合地基已经进行了较多的研究，多集中于研究单桩复合地基和多桩复合地基的承载与变形特性以及其破坏模式。然而，筏板基础下CFG桩复合地基的桩土应力比、荷载传递机理及不同部位桩的工作性状都是有待研究的；CFG桩复合地基的置换率、桩土模量比、褥垫层厚度以及布桩方式的变化对筏板基础的内力和变形有何影响。这些问题都与CFG桩复合地基-筏板基础体系的共同作用有关。因此本文通过建立筏板基础—CFG桩复合地基的共同作用的有限元模型，分析筏板基础厚度变化对CFG桩复合地基性狀的影响。
1 工程概况
某建筑物为地上25层，地下1层的剪力墙结构，基础埋深为6.50m，基础为筏板型式，筏板厚度为1.5m，平面尺寸为29m×29m。上部结构的总荷载为376540kN，筏板底面的应力为450kPa，考虑基础的补偿作用后，基底附加应力为400kPa。根据勘察报告，筏板基础坐落在粉质粘土④上，该土层地基承载力为160kPa，地基承载力明显不足。采用CFG桩复合地基进行地基处理，桩长15.0m，桩径为450mm，桩间距为1.6m，桩端进入粘质粉土⑧层内，CFG桩复合地基承载力达到450kPa，单桩承载力特征值为790kN。采用规范公式计算得出总沉降量为38.70mm。
根据《工程地质勘察报告》可知，场地地形较为平坦，地层情况为上部覆盖一定厚度的人工填土，下层为一般第四纪沉积层，主要土层有粘性土、粉土、砂类土及圆砾层。基底典型地层物理力学指标见表1：
基底典型地层物理力学指标 表1
2 有限元模型的建立
2.1 基本假定
(1) 利用对称性，取1/4模型进行计算分析，在筏板表面施加面荷载；
(2) 圆桩截面改用面积相等的方桩代替；
(3) 筏板与褥垫层、桩与土体之间保持位移协调，互不分开；
(4) 桩、筏板的应力应变关系符合广义胡克定律；
(5) 分桩端和桩侧两层土体，桩端、桩侧土体、褥垫层的屈服准则为DP准则；
(6) 约束情况为：顶面为自由面，土体侧面采用链杆约束，底面采用固定约束，土体对称面采用对称约束。
2.2 计算单元划分
采用直接建模的方法，建立了CFG桩复合地基-筏板-褥垫层共同作用有限元模型，先建立节点，然后由节点生成单元体，共有52215个节点，形成47096个单元，其类型均为SOLID45单元。模型尺寸为44.6m×44.6m×30m，模型边界距离筏板边界为一倍的筏板长度，土体深度取为30m，褥垫层厚度为15cm。网格划分见图1和图2。
图1 共同作用有限元模型网格划分图2 CFG桩-筏板-褥垫层模型网格划分
2.3 计算参数选取
根据工程中材料的实际力学性能及当地工程地质经验，本文中各种材料的计算取值见表2和表3。
模型计算的力学参数 表2
地基土DP模型计算参数 表3
3 筏板厚度对CFG桩复合地基性状的影响
本文通过调整筏板的厚度来研究复合地基的性状，筏板的厚度分别取为0.5m、1.0m、1.5m、2.0m。
3.1 筏板的挠度分析
图3 筏板挠度与板厚的关系图
图3表示的是筏板挠度随筏板厚度的变化情况。随着筏板厚度的增加，挠度逐渐减小，同时板上各点的沉降趋于均匀，筏板的沉降差减小，但当筏板达到一定厚度时，筏板厚度对其挠度的影响甚微。
3.2基底桩土应力分析
图4表示的是桩顶应力随筏板厚度的变化情况。角桩桩顶应力最大，边桩次之，中桩最小，产生了拱效应；随着筏板厚度的增加，角桩、边桩与中桩的桩顶应力逐渐减小，这主要是由于筏板厚度调节了基底附加应力的分布，筏板厚度越大，基底附加应力分布趋于均衡。图5、6表示的是筏板底部桩顶应力和桩间土应力随筏板厚度的变化情况。筏板边缘的桩顶应力和桩间土应力最大，逐渐向筏板中间递减，中间桩顶应力和桩间土应力分布均匀；并且随着板厚的增加，筏板中间的桩顶应力减小，桩间土应力逐渐增大，这主要是考虑地基基础共同作用之后，筏板承担了一部分荷载，筏板厚度越大，承担的荷载也越大。
图4桩顶应力与筏板厚度关系图图5板底桩顶应力分布图
图6 基底桩间土应力分布图
3.3 桩土应力比分析
图7 桩土应力比变化
图7表示的是桩土应力比随筏板厚度的变化情况。由图可以看出：随着筏板厚度的增加，桩土应力比逐渐减小，但筏板达到一定厚度之后，桩土应力比变化不再明显。
3.4 桩端土应力分析
图8 桩端平面处土应力分布图
图8表示桩端处土应力随着筏板厚度增大的变化情况。由图中可以看出：筏板厚度的增大，复合地基中桩端平面处土应力的不断减小，并呈现出桩端土应力中部大边缘小的特征。
3.5 桩体沉降分析
图9 中桩沉降与筏板厚度的变化关系
图10 边桩沉降与筏板厚度的变化关系
图11 角桩沉降与筏板厚度的变化关系
图9～11表示的是桩体沉降量与筏板厚度的变化情况，由图可知：各桩的沉降量大小为，中桩>边桩>角桩；随着筏板厚度的增加，各桩沉降量减小。
4 结论
通过建立筏板基础—CFG桩复合地基的共同作用的有限元模型，分析了筏板基础厚度变化对CFG桩复合地基性状的影响，主要得出如下结论：
随着筏板厚度的增加，其挠度减小，且板内各点的沉降趋于均匀；当筏板达到一定厚度时，筏板厚度对其挠度的影响甚微；桩顶应力与桩土应力比减小，桩间土应力增大；复合地基桩端处的应力也不断增加，并呈现出桩端土应力中部大边缘小的特征；桩体沉降量，中桩>边桩>角桩，并随着筏板厚度的增加，各桩沉降量减小。
参考文献：
[1] 吕仲鸣.筏板基础—CFG桩复合地基共同作用初步研究.[硕士论文],昆明:昆明理工大学建筑工程学院,2008.
[2] 闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践(第二版)[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
[3] 龚晓南.复合地基理论及工程应用(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
[4] 范秋雁,刘文连,黄经秋.框架结构—十字交叉条形基础—地基共同作用分析[J].岩土力学,2003,24(2):249～253.
[5] 宋二祥,沈伟,金淮等.刚性桩复合地基-筏板基础体系内力、沉降计算方法[J].岩土工程学报,2003,25(3):268～272.
[6] 董建国,赵锡宏.高层建筑地基基础——共同作用理论与实践[M].上海:同济大学出版社,1997.
作者简介：吕仲鸣，1984年10月出生，男，江苏常州人，工学硕士，注册土木工程师(岩土)，主要从事岩土工程设计。
关键词：筏板基础，CFG桩，复合地基
Abstract:With ANSYS finite element programs，Building raft foundation-composite foundation of CFG pile interaction model. Focuses on the analysis of the relationship between the raft thickness and stress of CFG pile top，soil among pile，pile tip soil，and the foundation settlement. The conclusion could be used as a reference for the raft foundation-composite foundation of CFG pile design.
Keywords: Raft Foundation，CFG Pile，Composite Foundation
中图分类号： TU473.1文献标识码：A文章编号：
0 引言
在高层建筑中，过去通常采用桩筏或桩箱基础，现今也采用筏板基础与CFG桩复合地基相联合的基础形式作为高层建筑的基础，并取得了良好的经济效益和社会效益。国内外对桩筏基础共同作用、CFG桩复合地基已经进行了较多的研究，多集中于研究单桩复合地基和多桩复合地基的承载与变形特性以及其破坏模式。然而，筏板基础下CFG桩复合地基的桩土应力比、荷载传递机理及不同部位桩的工作性状都是有待研究的；CFG桩复合地基的置换率、桩土模量比、褥垫层厚度以及布桩方式的变化对筏板基础的内力和变形有何影响。这些问题都与CFG桩复合地基-筏板基础体系的共同作用有关。因此本文通过建立筏板基础—CFG桩复合地基的共同作用的有限元模型，分析筏板基础厚度变化对CFG桩复合地基性狀的影响。
1 工程概况
某建筑物为地上25层，地下1层的剪力墙结构，基础埋深为6.50m，基础为筏板型式，筏板厚度为1.5m，平面尺寸为29m×29m。上部结构的总荷载为376540kN，筏板底面的应力为450kPa，考虑基础的补偿作用后，基底附加应力为400kPa。根据勘察报告，筏板基础坐落在粉质粘土④上，该土层地基承载力为160kPa，地基承载力明显不足。采用CFG桩复合地基进行地基处理，桩长15.0m，桩径为450mm，桩间距为1.6m，桩端进入粘质粉土⑧层内，CFG桩复合地基承载力达到450kPa，单桩承载力特征值为790kN。采用规范公式计算得出总沉降量为38.70mm。
根据《工程地质勘察报告》可知，场地地形较为平坦，地层情况为上部覆盖一定厚度的人工填土，下层为一般第四纪沉积层，主要土层有粘性土、粉土、砂类土及圆砾层。基底典型地层物理力学指标见表1：
基底典型地层物理力学指标 表1
2 有限元模型的建立
2.1 基本假定
(1) 利用对称性，取1/4模型进行计算分析，在筏板表面施加面荷载；
(2) 圆桩截面改用面积相等的方桩代替；
(3) 筏板与褥垫层、桩与土体之间保持位移协调，互不分开；
(4) 桩、筏板的应力应变关系符合广义胡克定律；
(5) 分桩端和桩侧两层土体，桩端、桩侧土体、褥垫层的屈服准则为DP准则；
(6) 约束情况为：顶面为自由面，土体侧面采用链杆约束，底面采用固定约束，土体对称面采用对称约束。
2.2 计算单元划分
采用直接建模的方法，建立了CFG桩复合地基-筏板-褥垫层共同作用有限元模型，先建立节点，然后由节点生成单元体，共有52215个节点，形成47096个单元，其类型均为SOLID45单元。模型尺寸为44.6m×44.6m×30m，模型边界距离筏板边界为一倍的筏板长度，土体深度取为30m，褥垫层厚度为15cm。网格划分见图1和图2。
图1 共同作用有限元模型网格划分图2 CFG桩-筏板-褥垫层模型网格划分
2.3 计算参数选取
根据工程中材料的实际力学性能及当地工程地质经验，本文中各种材料的计算取值见表2和表3。
模型计算的力学参数 表2
地基土DP模型计算参数 表3
3 筏板厚度对CFG桩复合地基性状的影响
本文通过调整筏板的厚度来研究复合地基的性状，筏板的厚度分别取为0.5m、1.0m、1.5m、2.0m。
3.1 筏板的挠度分析
图3 筏板挠度与板厚的关系图
图3表示的是筏板挠度随筏板厚度的变化情况。随着筏板厚度的增加，挠度逐渐减小，同时板上各点的沉降趋于均匀，筏板的沉降差减小，但当筏板达到一定厚度时，筏板厚度对其挠度的影响甚微。
3.2基底桩土应力分析
图4表示的是桩顶应力随筏板厚度的变化情况。角桩桩顶应力最大，边桩次之，中桩最小，产生了拱效应；随着筏板厚度的增加，角桩、边桩与中桩的桩顶应力逐渐减小，这主要是由于筏板厚度调节了基底附加应力的分布，筏板厚度越大，基底附加应力分布趋于均衡。图5、6表示的是筏板底部桩顶应力和桩间土应力随筏板厚度的变化情况。筏板边缘的桩顶应力和桩间土应力最大，逐渐向筏板中间递减，中间桩顶应力和桩间土应力分布均匀；并且随着板厚的增加，筏板中间的桩顶应力减小，桩间土应力逐渐增大，这主要是考虑地基基础共同作用之后，筏板承担了一部分荷载，筏板厚度越大，承担的荷载也越大。
图4桩顶应力与筏板厚度关系图图5板底桩顶应力分布图
图6 基底桩间土应力分布图
3.3 桩土应力比分析
图7 桩土应力比变化
图7表示的是桩土应力比随筏板厚度的变化情况。由图可以看出：随着筏板厚度的增加，桩土应力比逐渐减小，但筏板达到一定厚度之后，桩土应力比变化不再明显。
3.4 桩端土应力分析
图8 桩端平面处土应力分布图
图8表示桩端处土应力随着筏板厚度增大的变化情况。由图中可以看出：筏板厚度的增大，复合地基中桩端平面处土应力的不断减小，并呈现出桩端土应力中部大边缘小的特征。
3.5 桩体沉降分析
图9 中桩沉降与筏板厚度的变化关系
图10 边桩沉降与筏板厚度的变化关系
图11 角桩沉降与筏板厚度的变化关系
图9～11表示的是桩体沉降量与筏板厚度的变化情况，由图可知：各桩的沉降量大小为，中桩>边桩>角桩；随着筏板厚度的增加，各桩沉降量减小。
4 结论
通过建立筏板基础—CFG桩复合地基的共同作用的有限元模型，分析了筏板基础厚度变化对CFG桩复合地基性状的影响，主要得出如下结论：
随着筏板厚度的增加，其挠度减小，且板内各点的沉降趋于均匀；当筏板达到一定厚度时，筏板厚度对其挠度的影响甚微；桩顶应力与桩土应力比减小，桩间土应力增大；复合地基桩端处的应力也不断增加，并呈现出桩端土应力中部大边缘小的特征；桩体沉降量，中桩>边桩>角桩，并随着筏板厚度的增加，各桩沉降量减小。
参考文献：
[1] 吕仲鸣.筏板基础—CFG桩复合地基共同作用初步研究.[硕士论文],昆明:昆明理工大学建筑工程学院,2008.
[2] 闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践(第二版)[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
[3] 龚晓南.复合地基理论及工程应用(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
[4] 范秋雁,刘文连,黄经秋.框架结构—十字交叉条形基础—地基共同作用分析[J].岩土力学,2003,24(2):249～253.
[5] 宋二祥,沈伟,金淮等.刚性桩复合地基-筏板基础体系内力、沉降计算方法[J].岩土工程学报,2003,25(3):268～272.
[6] 董建国,赵锡宏.高层建筑地基基础——共同作用理论与实践[M].上海:同济大学出版社,1997.
作者简介：吕仲鸣，1984年10月出生，男，江苏常州人，工学硕士，注册土木工程师(岩土)，主要从事岩土工程设计。