复合地基褥垫层与桩土应力比关系的探讨

复合地基褥垫层与桩土应力比关系的探讨

李明义，魏伟

李明义，魏伟（淄博市建筑设计研究院山东淄博255037）

【摘要】本文采用大型通用有限元软件ANSYS，采用solid45实体单元及arget170和conta173单元模拟CFG桩及各元素间的滑移摩擦来分析CFG复合地基褥垫层与桩土应力之间的关系。【关键词】有限元；CFG桩；数值分析

DiscussionrelationshipbetweenCFGCompositeFoundationPilecushionandsoilstressratioLiMing-yi,WeiWei

(ZiboCityArchitecturalDesignandResearchInstituteZiboShandong255037)【Abstract】Inthisarticle,large-scalefiniteelementsoftwareANSYS,usingsolid45solidelementsandargetb170andconta173elementtosimulatetheCFGpileandtheslidingfrictionbetweenelementstoanalyzetheCFGpilecompositefoundationcushionandtherelationshipbetweensoilstress.【Keywords】Finiteelement;CFGpile;Numericalanalysis

1.前言水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）适用于处理粘性土、粉土和已自重固结的素填土等地基。该地基处理方法是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌合形成高粘结强度桩，并由桩、桩间土和褥垫层一起组合成复合地基的地基处理方法。在CFG桩的设计中褥垫层是设计的关键，它对最终沉降、调整桩土应力比、调整桩土水平荷载，起重要作用。如果褥垫层太厚桩的优点没有发挥，但如太薄则复合地基应力过于集中在桩上，土的作用没有发挥。同时复合地基应力在桩土见得分配又与褥垫层的刚度息息相关，即采用不同材料作为CFG桩的褥垫层，对桩土间的应力分布有重要影响。本文采用大型通用有限元软件ANSYS，采用solid45实体单元及arget170和conta173单元模拟CFG桩及各元素间的滑移摩擦来分析CFG复合地基褥垫层与桩土应力之间的关系。

2.ANSYS数值模型的建立本文中，土体、桩体、垫层均采用三维八节点实体单元solid45单元模拟，同时在桩体与桩间土、桩体与垫层之间均设置了接触单元，刚性面与接触单元分别选用target170和conta173接触单元模拟，考虑了桩体与桩间土之间的滑移摩擦。桩体采用弹性材料模拟，土体以drucker-prager本构关系模拟其弹塑性。solid45单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度，具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能力。其有限元模型如图1所示。图1CFG复合地基有限元模型3.数值计算结果3.1当CFG桩褥垫层厚度取100mm，其刚度分别为3000N/mm2、5000N/mm2、9000N/mm2时的桩土应力云图如图2、3、4所示。由以上结果可知，在褥垫层厚度一定的工况下，随着褥垫层刚度的增加桩体承担的应力逐渐增大，而桩间土所承担的应力逐渐减小。3.2当CFG桩褥垫层刚度取3000N/mm2，其厚度分别为100、150、250时的桩土应力云图如图5、6、7所示由以上结果可知，在褥垫层刚度一定的工况下，随着褥垫层厚度的增加桩体承担的应力逐渐减小，而桩间土所承担的应力逐渐增大。图2褥垫层刚度为3000N/mm2结果图3褥垫层刚度为5000N/mm2结果图4褥垫层刚度为9000N/mm2结果表1桩土的竖向应力值（N/mm2）E（N/mm2）300050009000桩-0.48325-0.59876-0.69857桩间土-0.15625-0.10326-0.10025图5褥垫层厚度为100mm结果图6褥垫层厚度为150mm结果图7褥垫层厚度为250mm结果表2桩土竖向应力值（N/mm2）垫层厚度100150250桩-0.65698-0.60235-0.45680桩间土-0.12568-0.12035-0.14256

4.结论由本文分析可知褥垫层的设置厚度及所采用的材料，即褥垫层的刚度对桩及桩周土的应力分配有很大关系。具体结果如下：(1)在褥垫层厚度一定的工况下，随着褥垫层刚度的增加桩体承担的应力逐渐增大，而桩间土所承担的应力逐渐减小；(2)在褥垫层刚度一定的工况下，随着褥垫层厚度的增加桩体承担的应力逐渐减小，而桩间土所承担的应力逐渐增大。根据以上结果，在实际工程应用中，可根据现场情况决定褥垫层的合理厚度及刚度，例如当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较好时,应选取厚度偏大或者刚度偏小的褥垫层来减少桩数,充分利用桩间土的承载力来达到降低工程造价的目的,该方法为降低桩土应力比值法;而当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较差时,应选取厚度适中或刚度偏大的褥垫层,在充分利用桩间土承载力的基础上,适当增加桩数,充分利用桩的承载能力,以尽量降低工程造价。

参考文献

［1］《建筑地基处理技术规范》（LGJ79-2002），中国建筑工业出版社2002

［2］陈惠发，A.F.萨里普，《混凝土和土的本构方程》，中国建筑工业出版社，2004：69-128

［3］冯震等，《CFG桩竖向荷载作用下水平位移和玩具的实验研究》，土木工程学报，第38卷第2期

［4］《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002），中国建筑工业出版社2002

［文章编号］1006-7619（2010）04-01-252