摘 要：探究CFG樁復(fù)合地基在超高層建筑中的應(yīng)用對(duì)提高地基的承載能力和穩(wěn)定性，保障超高層建筑的安全性和保證耐久性至關(guān)重要。本文采用數(shù)值模擬方法，探究了超高層建筑CFG樁復(fù)合地基褥墊層厚度和變形模量、樁長(zhǎng)以及置換率對(duì)樁土應(yīng)力比的影響。結(jié)果表明，隨著荷載、樁長(zhǎng)、樁長(zhǎng)徑比以及褥墊層變形模量的增加樁土應(yīng)力比逐漸增加，隨著褥墊層厚度和置換率增加，樁土應(yīng)力比逐漸降低，在實(shí)際工程中，建議褥墊層厚度取150mm～400mm，此外，樁體存在有效樁長(zhǎng)，當(dāng)樁長(zhǎng)徑比大于40后，樁土應(yīng)力比趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：CFG樁；復(fù)合地基；超高層建筑；樁土應(yīng)力比

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 47" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市人口數(shù)量的不斷增加，土地資源日益緊張，在此背景下，超高層建筑逐漸興起[1]。超高層建筑的特殊性質(zhì)和建筑高度對(duì)地基承載力提出了更高的要求。CFG樁因其高承載能力、穩(wěn)定性和可控性，廣泛應(yīng)用于地基工程中[2]。然而，仍須進(jìn)一步探索CFG樁在超高層建筑中的應(yīng)用情況。

目前，已經(jīng)有多位學(xué)者針對(duì)CFG樁在超高層建筑中的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)研究，周圣斌等[3]采用CFG樁復(fù)合地基方案，解決了超高層建筑軟弱下臥層承載力不足和高層建筑沉降的問(wèn)題。鄧日海等[4]采用筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，成功運(yùn)用CFG樁復(fù)合地基，并用靜載試驗(yàn)表明，地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求，建筑物沉降穩(wěn)定，平均沉降量為45.16mm。張麗華等[5]提出了一種針對(duì)高層、超高層建筑，采用CFG樁復(fù)合地基的沉降全過(guò)程安全控制方法，并證明其在實(shí)際工程中具有安全控制效果。

在現(xiàn)有研究中，關(guān)于不同因素對(duì)樁土應(yīng)力比的影響研究較少，基于此，本文對(duì)不同褥墊層、樁體以及置換率參數(shù)對(duì)樁土應(yīng)力比的影響進(jìn)行研究，研究成果有助于推動(dòng)城市建設(shè)發(fā)展和地基工程技術(shù)進(jìn)步。

1 工程概況

本研究依托某超高層建筑工程項(xiàng)目，該建筑地下1層，地上35層，建筑總層高108.6m，屬于超高層建筑。該建筑采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為-6.4m，建筑場(chǎng)地復(fù)雜程度為二級(jí)，地基等級(jí)為二級(jí)。建筑場(chǎng)地較為平坦，土層主要有素填土層、粉質(zhì)黏土層、粗砂層，經(jīng)計(jì)算天然地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，因此采用CFG樁復(fù)合地基。

2 數(shù)值模型與材料參數(shù)

依托實(shí)際工程概況建立數(shù)值分析模型，單樁模型能夠更精細(xì)地考慮復(fù)合地基系統(tǒng)中樁的幾何形狀、材料性質(zhì)以及與周?chē)馏w的相互作用，因此本研究采用單樁模型進(jìn)行分析。模型計(jì)算范圍選取樁體的四分之一及樁間土復(fù)合地基的一半，在水平方向上取2倍載荷板寬度，在豎直方向上，取2倍的樁長(zhǎng)。采用三節(jié)點(diǎn)單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)樁頂及樁端部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，在網(wǎng)格劃分完畢后，共有節(jié)點(diǎn)數(shù)3180個(gè)，單元數(shù)6162個(gè)。在模型底部約束豎向及水平位移，模型兩側(cè)約束水平位移，將模型頂面設(shè)置為自由邊界。模型包括土層、樁體、墊層以及承臺(tái)4個(gè)部分，模型示意圖如圖1所示，數(shù)值模擬材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 褥墊層厚度的影響

由圖2可知，在相同褥墊層厚度條件下，CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比隨著荷載增加逐漸增加。因?yàn)槭┘拥暮奢d會(huì)引起地基土的壓實(shí)和應(yīng)力傳遞，所以在初始階段，當(dāng)荷載施加時(shí)，CFG樁會(huì)承受一部分荷載，并將其傳遞到地基土中，地基土在受到荷載作用后會(huì)逐漸壓實(shí)，使其密度增加，同時(shí)地基土顆粒之間的摩擦力也會(huì)增加，從而提高了地基土的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而土體應(yīng)力比增加。此外，以褥墊層厚度為800mm為例，荷載由100kPa依次增至600kPa，每增加100kPa，樁土應(yīng)力比的增加幅度分別為8.8%、4.7%、3.9%、2.4%和0.5%，表明隨著荷載的持續(xù)增加，樁土應(yīng)力比的變化幅度變小并趨于穩(wěn)定。不同荷載及褥墊層厚度下樁土應(yīng)力比變化如圖2所示。

從圖3中可以看出，隨著褥墊層厚度增加，樁土應(yīng)力比逐漸降低，褥墊層可以分散并分擔(dān)施加在樁頂?shù)暮奢d，減輕了樁身下部土體所承受的荷載。褥墊層通常是一種比較松軟的土層或軟弱的地基材料，其較低的抗剪強(qiáng)度和較大的變形特性能夠吸收和分散荷載，從而減少上部土體的應(yīng)力，即應(yīng)力比降低。褥墊層厚度由0mm依次增至500mm，每增加100mm，樁土應(yīng)力比的降低幅度依次為27.86%、16.57%、4.88%、1.99%和0.99%，表明隨著褥墊層厚度增加，樁土應(yīng)力比的降低幅度逐漸變小，在褥墊層厚度增至一定程度后，樁土應(yīng)力比基本趨于穩(wěn)定。褥墊層厚度過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致地基穩(wěn)定性較差，厚度過(guò)小，分散荷載的能力較差且無(wú)法提供足夠支撐，導(dǎo)致地基沉降，因此建議褥墊層厚度取值為150mm～400mm。

3.2 樁長(zhǎng)的影響

觀察圖4可知，在相同荷載作用下，隨著樁長(zhǎng)增加，樁土應(yīng)力比增加，因?yàn)殚L(zhǎng)樁在荷載作用下能夠?qū)⒑奢d傳遞至更深的穩(wěn)定土層，所以土層的壓縮變形降低，土層的剛度增加，使地基系統(tǒng)整體的剛度增強(qiáng)，荷載通過(guò)長(zhǎng)樁傳遞到地下的應(yīng)力比短樁或沒(méi)有樁的情況更加集中，從而使樁土應(yīng)力比增加。此外，樁長(zhǎng)越短，隨著荷載的變化，樁土應(yīng)力比增加幅度越小，短樁的剛度相對(duì)較低，導(dǎo)致其承受荷載時(shí)產(chǎn)生較大的變形和位移，而較長(zhǎng)的樁則具有更高的剛度，能夠更有效地抵抗荷載引起的變形，因此較短的樁更容易受到荷載的影響，樁土應(yīng)力比增加幅度較小。

由圖5可知，樁長(zhǎng)徑比與樁土應(yīng)力比呈現(xiàn)正比關(guān)系，在樁長(zhǎng)徑比大于40后，樁長(zhǎng)徑比增加，樁土應(yīng)力比變化不明顯。樁長(zhǎng)徑比越大，樁體更加細(xì)長(zhǎng)，傳遞荷載時(shí)，能夠?qū)⒑奢d分散至更大范圍的土體中，導(dǎo)致單位長(zhǎng)度內(nèi)的荷載傳遞面積增加，進(jìn)而使樁土應(yīng)力比增加。然而，當(dāng)樁長(zhǎng)徑比大于40后，樁長(zhǎng)徑比增加不會(huì)顯著改變樁土應(yīng)力比，因?yàn)榇藭r(shí)樁體已經(jīng)相對(duì)足夠細(xì)長(zhǎng)，土體的應(yīng)力響應(yīng)已趨于穩(wěn)定，所以樁土應(yīng)力比不會(huì)有顯著變化。

3.3 置換率的影響

觀察圖6可知，隨著置換率增加，樁土應(yīng)力比逐漸降低。改變樁徑及承臺(tái)直徑均能控制置換率變化，其中，改變樁徑，樁土應(yīng)力比呈現(xiàn)先降低后穩(wěn)定的趨勢(shì)，樁土應(yīng)力比降幅為20.08%；改變承臺(tái)半徑樁土應(yīng)力比的降低速率更快，降幅為29.84%，表明與改變樁徑相比，改變承臺(tái)半徑對(duì)樁土應(yīng)力比的影響更加顯著。承臺(tái)半徑的變化會(huì)直接影響復(fù)合地基系統(tǒng)的剛度分布，當(dāng)增加承臺(tái)半徑時(shí)，承臺(tái)的剛度增加，導(dǎo)致樁頂和承臺(tái)之間形成更大的剛性聯(lián)系，從而使樁與承臺(tái)之間的相互作用更強(qiáng)烈。

3.4 褥墊層變形模量的影響

從圖7可以看出，樁土應(yīng)力比隨著褥墊層變形模量增加呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，褥墊層變形模量小于200MPa，變形模量增加對(duì)樁土應(yīng)力比的影響較為顯著，在褥墊層變形模量大于200MPa后，樁土應(yīng)力比無(wú)明顯變化。當(dāng)褥墊層的變形模量較小時(shí)，相對(duì)較柔軟，因此承受荷載時(shí)容易發(fā)生較大的壓縮變形，導(dǎo)致樁土應(yīng)力比逐漸增加。然而，當(dāng)褥墊層的變形模量大于200MPa時(shí)，其剛性較大，能夠更有效地分擔(dān)荷載，從而減少了對(duì)樁土應(yīng)力比的直接影響，因此樁土應(yīng)力比趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本研究采用數(shù)值模擬方法對(duì)CFG樁復(fù)合地基中褥墊層厚度和變形模量、樁長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比以及置換率對(duì)樁土應(yīng)力比的影響進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。1）在相同褥墊層厚度條件下，樁土應(yīng)力比隨著荷載增加而增加且幅度逐漸降低，隨著褥墊層厚度增加，樁土應(yīng)力比逐漸降低并趨于穩(wěn)定，因此建議褥墊層厚度取150mm～400mm。2）樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁土應(yīng)力比越大，樁長(zhǎng)越短，隨著荷載的變化，樁土應(yīng)力比的增幅越小。樁長(zhǎng)徑比與樁土應(yīng)力比呈現(xiàn)正比關(guān)系，樁體存在有效樁長(zhǎng)，在樁長(zhǎng)徑比大于40后，樁土應(yīng)力比變化不明顯。3）隨著置換率增加，樁土應(yīng)力比逐漸降低，與改變樁體直徑相比，樁土應(yīng)力比受承臺(tái)半徑變化的影響更加顯著。褥墊層變形模量小于200MPa，變形模量增加使樁土應(yīng)力比顯著增加，在褥墊層變形模量大于200MPa后，樁土應(yīng)力比趨于穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]黃銘楓，王淳禾，林巍，等.基于優(yōu)化準(zhǔn)則法與粒子群算法的超高層建筑抗風(fēng)性能設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2023，44（5）：58-67.

[2]廖德祥.CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比影響因素分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（5）：42.

[3]周圣斌，孫訓(xùn)海.某超高層建筑采用CFG樁復(fù)合地基協(xié)同作用分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2020，53（增刊1）：196-199.

[4]鄧日海，羅鐵生.CFG樁復(fù)合地基在某超高層建筑中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43（8）：92-96.

[5]張麗華，于曉東，牛芩濤.高層建筑CFG樁復(fù)合地基沉降的全過(guò)程安全控制[J].煤炭工程，2006（10）：38-40.