某海外房建项目软土的复合地基处治有限元分析

某海外房建项目软土的复合地基处治有限元分析

中图分类号：tu4 文献标识码：a 文章编号：

1. 序言

复合地基是在软弱地基中采用置换或增强的方法在土中设置由

散体材料(土砂碎石等)或弱胶结材料(石灰土、水泥土等)构成加固桩柱体(也称增强体)，与桩间土(也称桩周土)共同承担建筑物或构筑物的基础传来的荷载，有时桩间土的性质在增强体设置的过程中也受到不同程度的改善，从而使地基的强度与刚度得以提高，这类由两种不同强度的介质组成的人工地基，称为复合地基[[ 杨顺安，冯晓腊，张聪辰.软土理论与工程[m].北京:地质出版社,2000.]]。该项目所处地区属热带雨林气候，年均降雨量3000mm左右，平均海拔1800 m，地下水主要为存在于冲洪积层和崩积层中，地下水埋深为0.6~1m，随季节变化不大，补给来源为大气降水，在工程中如果遇到了这类软土地基，其很低的强度、对扰动十分敏感、压缩性大的缺点就很大程度上限制了建筑结构并且对施工带来很大难度，所以要满足建筑结构对地基的要求就必须采取一定的加固措施。一般所采取的加固措施都是围绕着控制变形和提高稳定性两个问题进行的，但是就大面积内软土层较厚的地区，软土地基在施工过程中地基下沉预测问题以及如何控制工后沉降量则是工程施工

的难点所在。本工程选用cfg桩复合地基对于软土地基进行加固，在工程施工之前采用有限元软件对加固能力和效果进行了预测和

分析，为工程施工提供了有效的指导。

本工程地基勘测结果如下表所示。

2. 软土地基沉降特点

大量的实践证明，软土地基的沉降主要有主固结沉降、次固结沉降及瞬时沉降三种沉降特点。

2.1 主固结沉降

主固结沉降主要是指土中有一定量的水自孔隙往外流，从而使土的总体积变小，地基沉降，水流快慢由孔隙大小、压力轻重、渗透性好坏及压缩性来共同决定，此类沉降就是主固结沉降。水的流速会随着空隙压力的减小而减慢，直至空隙压力完全消失，达到稳态。

2.2 次固结沉降

主固结后，有效应力达到稳态，沉降与时间成一定关系，土的体积仍随时间流逝而变化的沉降即为次固结沉降。在此过程中，依然有微小的超孔隙压力推动土粒间的水流动。但由于水流速很小，此超孔隙压力细微到无法测量。因此得出结论，次固结沉降的体积变化率与孔隙水流速及与土层的厚薄程度无直接关系。主固结完成之后，如图1所示。次固结引起的孔隙比变化如下式:

(1)

其中 ca—取半固结系数的前期直线部分斜率作为其数值，称为次固结系数；

t1—当主固结过程完成时所需要的时间；

t2—当次固结过程进行时所需要固结度对应的时间。

所以在次固结过程中的下沉理论计算公式为:

(2)

上述次固结系数ca的大小主要视土的种类而定。

2.3 瞬间沉降

加载瞬间产生的沉降称为瞬间沉降，有两种情况。在单向压缩情况下，土中的微量空气压缩及颗粒的局部重排促进土的压缩；在现场，土体在总体积不变的的情况下会出现侧向变形，于是产生瞬间沉降。瞬时沉降是土体体积无改变的畸变的结果，它发生得极迅速。我们不考虑水从土中流出使沉降产生需要一定时间，而把瞬时沉降当一个粗略概念，当作土的体积不变。若基础中的软土很厚，在基础表面作用的荷载可以理想化为规则形状侧均布荷载时，地基沉降初期值可按(3)进行：

(3)

其中：i—均布荷载；

l—规则荷载的尺寸，圆取其半径，矩形取其宽度计算；

td—计算参数，在进行初始沉降计算时与荷载布设位置、种类以及计算点位置有关,见表1；

e、ν—计算区土体的弹性模量与泊松比。

表1式3中的td取值（10-2）

3．cfg桩加固机理

cfg 桩板结构是一种新型的结构型式，主要由cfg 桩、钢筋混凝

土桩和钢筋混凝土承载板共同构成，对处理厚且深的松软土地基非常适用，它的主要工作机理是：上部荷载经过承台板传递到桩体，桩体再将荷载向桩间土、下卧层或者桩基底的岩石层扩散开，以掌控松软土地基的沉降与变形破坏[ 何结兵.cfg 桩复合地基桩土应力比数值分析[j].扬州大学学报,2004.1]。

本文将cfg 桩板结构的复合地基的加固原理总结为以下几部分：3.1 桩体的置换作用

cfg 桩中的水泥在水解和水化以及与粉煤灰的凝硬反应之后，生成了以铝酸钙水化物、钙铝黄长石水化物和硅酸钙水化物等无水溶性的稳定的结晶化合物为主要成分的物质，这些物质为纤维状的结晶，还会不断向周围生长延展，从而能填充进碎石和石屑的缝隙里，彼此交织构成空间网状构架，将原本的点—点接触和点—面接触的骨料紧密粘结到一块，结果桩体的抗剪强度大幅增强，变形模量大大增大，桩体作用更好的发挥出来。

3.2 桩-土-板的协调作用

荷载竖向作用下，桩板构架里的承载板底面层土、桩间的土、桩端下的土全都参与进来，承载板、桩群与土共同组成一个相互影响、协调分配的大体系。当桩顶慢慢受到上部荷载作用时，桩身上部受挤压，于是会相对于桩周土向下移动一定距离，此时桩侧外表面承受着土向上的摩阻力作用，结果是桩身荷载及桩身挤压形变依深度的加大而递减。

3.3 挤密及加筋作用

cfg 在成桩所有环节中，不需要向地基中注进任何附加的水，桩体中粉煤灰和水泥粉在水化作用的时候会对周围软土造成吸水、生热或膨胀等影响，令周围的土体达到挤密状态。cfg 桩除了能够帮助提高地基承载力，也能提高土体抗剪的强度，让软土地基填筑更具稳定性。

3.4 桩体的排水作用

因为沉管和拔管会振动，cfg 桩在饱和粉土混合砂土中施工的时候，土体会生成超孔隙水压。对于透水层较好，上面却有着透水性较差的土层的情况下，刚刚完工的cfg桩必定是个很好的排水渠道。孔隙水可以沿桩体向上排清，一直到 cfg 桩硬结，一般如此排水能延续几小时。

4 有限元计算模型的建立

4.1 模型的假设

为了在使用有限元分析问题的时候让问题既简化又真实反映问

题本质，在分析过程中进行了如下的处理和简化：

(1)将土体假设为理想弹塑性体；

(2)假设桩体与承载板都是线弹性体，满足广义虎克定律条件；

(3)假设在垂直荷载作用下，承载板与地基土间，桩与桩周土间都不会发生相对滑动，接触面上的点在变形时一直保持着接触状态；

(4)假设承载板、桩、土均是均质的、异向同性的材料。

4.2 模型加载方案