近年来，随着我国经济建设的快速发展，工程项目的建设规模越来越大，建筑物地基的承载力要求也越来越高。CFG桩复合地基的经济效益较好，现已广泛应用于工程实践之中。CFG桩复合地基具备以下几个优点：第一，复合地基能够充分发挥天然土体的承载力，并能够合理的利用矿渣、粉煤灰、建筑垃圾，实现经济环保和节约资源的目的；第二，复合地基受力后抵抗变形的能力较好，相对于天然土层，其承载能力较高、变形较小、稳定性更高；第三，复合地基可根据地方材料及工业废料的供应条件和施工环境等因素，选择不同的地基处理方法，适用范围较广。上述优点使得CFG桩复合地基在土木工程中的应用较为普及，处理技术也得到了快速的发展[1]。
国内学者们对 CFG 桩复合地基的承载力特性开展了大量工作，并取得了一些有价值的研究成果。李作勤[2]研究了影响桩土应力比的主要参数，发现可以通过改变桩长、桩体弹性模量和置换率等参数，确定桩及桩间土的应力比，提升桩间土体的承载能力；周同和[3]探究了不同弹性刚度下，桩基复合地基复合土层弹性模量的计算方法，给出了一种新的分析复合地基变形的方法，并结合实际工程情况，验证了该方法的正确性；董必昌等[4]通过研究地基的沉降变形，得到了 CFG 桩复合地基桩土应力比的计算式和沉降计算式，并探讨了表达式中所需参数在实际工程中的取值范围；吴建奇等[5]结合室内试验，研究了垫层厚度和桩长等因素对桩土应力比的影响情况，为分析 CFG 桩复合地基的工作机理提供了一定的理论参考；张建伟等[6]利用 ABAQUS 软件建立了有限元分析模型，研究了桩体和土体受力比的改变规律；王瑞芳[7]借助有限元软件，通过研究CFG桩复合地基的单桩桩体荷载传递规律以及变形特性，最终得到了有效控制复合地基沉降的方法。综上所述，国内许多学者都对 CFG 桩复合地基的受力特性进行了较为深入的研究，但结合具体实际工程和真型试验来开展研究工作的还是比较少。
本文基于有限元软件ANSYS，以某综合体项目为工程背景，为探究褥垫层厚度对CFG 桩复合地基承载力的影响情况，建立了六种不同褥垫层厚度的有限元模型，求解获得下压工况作用下的应力场和位移场，并结合现场的静载试验结果，给出合理的褥垫层厚度，对CFG 桩复合地基的设计、施工有一定的指导意义。
1 CFG桩土复合地基及其承载特性简介
CFG桩，全称为水泥粉煤灰碎石桩，是由碎石、石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和，用各种成桩机械在地基中形成的强度为Ｃ5～Ｃ30的桩[8]。CFG桩土复合地基是由CFG桩、桩间土体和褥垫层一起构成的刚性桩复合地基，如图1所示。
图1 CFG桩示意图
CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，由于桩体的强度和弹性模量比桩间土要大，桩体呈现刚性桩特征，在上部荷载作用下，桩顶出现应力集中现象，桩间土体应力较小。此外由于桩、土刚度差异较大，桩间土体的沉降量要大于桩体的沉降量，使得桩身会出现类似于钢筋砼桩的中性点。中性点以上产生负摩阻力，中性点以下产生正摩阻力。随荷载增大，中性点位置逐渐上移。CFG桩复合地基承载特性极为复杂，其应力场及位移场分布规律仍有待探讨。
CFG桩复合地基适用于粘性土、粉土、砂土和素填土等地基，它既可充分发挥刚性桩体材料的承载能力，又可充分利用天然地基的承载能力力，CFG桩结构设计时也不需配筋，施工的时候也无需钢筋笼制作及其安装工序，节约水泥用量，大大缩减了工程成本。
2 项目概况
某综合体项目总占地面积约115亩，建筑面积约100000m2，地下室占地面积约44300m2。拟建工程主要包括1栋5F的酒店会议中心、1栋6F的研发办公综合楼、1栋5F的研发办公及展示中心、7栋2F的创意休闲商业楼。地勘单位出具的勘察报告结果表明，拟建场区土体自上而下依次为①1素填土、②1粉质粘土、②2淤泥质粉质粘土、③1粉质粘土、③2含砾粉质粘土、④1全风化粉砂岩。各土层的物理性质如表1所示，表中参数将用于有限元模型中土体的数值模拟。
表1 各土层物理参数表
综合考虑地勘报告的建议和设计院的计算复核，最终确定科创中心的基础形式采用CFG桩复合地基，为了深入探究褥垫层厚度对复合地基承载力的影响情况，本文选取科创中心工程中一组桩间距为1m、桩数为9根的复合地基进行有限元分析。
3 有限元模型的建立
3.1 模拟单元的确定
考虑到实际工程中土体性质的复杂性，在建立有限元模型时，不考虑土体的渗流作用，同种材料、同一土层均为视为连续、均质的材料。土体的本构模型采用Drucker-prager 弹塑性模型。基于上述假设，土体、桩、褥垫层均采用均采用三维实体单元SOLID185模拟，为了考虑桩与土体间的相互作用，在其接触面上设置接触单元，土体的接触面采用Conta171模拟，桩体的目标面采用Targe169模拟。
3.2 模型的几何和物理参数
图2所示为本次有限元分析的CFG桩复合地基平面示意图，桩径为600mm，桩长均为15m，桩间距为1m，桩数为9根，褥垫层离桩外边缘距离为300mm。桩体混凝土标号为C20，弹性模量为10GPa，泊松比为0.2，密度为2400kg/m3。土体的参数选取依据表1选取，考虑到尺寸效应的影响，土体的建模尺寸选取10m×10m×25m。
为了探究褥垫层厚度对复合地基承载力的影响情况，本次建立了六种不同厚度的有限元模型，褥垫层厚度分别为10mm、50mm、100mm、200mm、300mm、400mm。褥垫层的弹性模量为40GPa，泊松比为0.3，密度为2800kg/m3。
图2 CFG桩平面示意图
3.3 荷载工况和有限元模型
约束土体的四周和底面，在褥垫层表面上施加1000kN的轴向压力。有限元模型分别如图3和图4所示。
图3 CFG桩复合基础有限元模型
图4 褥垫层+桩局部有限元模型
4 有限元结果分析及其与实测结果的对比
4.1 加载后的位移场和应力场
褥垫层厚度为200mm的计算模型的位移场和应力场如图5~图7所示。
图5 竖向位移云图
图6 褥垫层+桩位移云图
图7 轴向应力云图
上述计算结果表明，施加荷载工况后，最大的竖向位移为27mm，符合工程实际；桩体的最大轴向压应力为1.1MPa，小于其强度极限，表明其承载力满足设计要求。
4.2 不同褥垫层厚度与桩土分配比的关系
CFG桩复合地基最显著的承载特性为桩土共同承担上部传来的荷载，作为复合地基的重要组成部分，褥垫层的厚度选取非常重要。不同厚度的褥垫层，将会影响竖向荷载的分配。为了有效的描述褥垫层厚度对复合地基承载力的影响情况，令作用于桩体上的合力和作用于桩间土上的合力之比为桩土分配比，计为f。通过有限元软件，可提取出上述不同褥垫层厚度模型中的桩土应力比，结果如表2所示，对应的关系曲线如图8所示。
表2 桩土应力比与褥垫层厚度关系表
图8 褥垫层厚度-桩土分配比关系曲线
图8中计算结果表明，随着褥垫层厚度的增加，桩土分配比逐渐递减，当褥垫层厚度较小时，大部分荷载全部由桩体承担，桩间土没有起到承载的作用，而此时为了满足工程中地基承载力的要求，就需要增加桩的数目或者增加桩的长度，不经济；而当垫层层厚太大时，桩体承担的竖向合力减小，桩体的承载能力没有完全体现，此时CFG 桩复合地基的承载特性近似于天然地基，无法有效控制建筑物沉降，不能满足工程设计的要求。综合考虑承载力和经济性的要求，结合图8的结果，当褥垫层厚度为200mm时，此时桩土分配比为0.47，当褥垫层厚度增加至300mm时，桩土分配比仅为0.43，即此时桩间土发挥的承载增幅不大，但是却大大增加了混凝土用量，不经济；所以，在综合考虑桩土共同承载和混凝土用量的前提下，合理的桩土分配比为0.47，即褥垫层的合理厚度取200mm。本项目CFG桩复合地基的褥垫层厚度均取200mm。
4.3 有限元结果与现场实测结果对比
某质量检测有限公司对本项目的CFG桩进行了承载力的检测，并完成了对本项目现场CFG桩单桩承载力和群桩承载力的检测。图9所示为CFG桩群桩的静载试验现场图，图10为桩基的荷载位移曲线采集情况。
图9 CFG桩群桩静载试验
图10 桩基Q-S曲线采集
为了验证上述有限元计算结果的可靠性，现将有限元计算结果和现场实测结果进行比较。根据第三方检测单位出具的复合地基静载试验报告，提取其中的Q-S曲线（荷载位移曲线），将其和有限元结果进行对比，对比结果如图11所示（加载至1000kN时的对比结果）。
图11 有限元结果与实测结果对比
图11中的对比结果表明，有限元结果略大于现场实测结果，但是总体吻合度较好，从而验证了本文有限元计算结果的可靠性。
5 结论
CFG桩复合地基的承载能力与褥垫层厚度的正确选取息息相关，本文借助于有限元分析软件ANSYS，建立了六种不同褥垫层厚度的有限元模型，给出了褥垫层厚度与CFG桩复合地基承载力的关系。利用第三方的静载检测结果，将其和有限元计算结果进行了比较。结论如下：
（1）建立了CFG桩复合地基有限元模型，提出了桩土分配比的概念，给出了六种有限元计算模型的桩土分配比；
（2）褥垫层厚度不宜太小也不宜过大，依据桩土分配比和褥垫层厚度的关系曲线，综合考虑桩土共同承载分配权重以及混凝土的用量，给出了合理的褥垫层厚度取值（200mm），用于指导项目现场的施工；
（3）通过对比有限元结果和现场实测结果，有效验证了本文数值计算方法的可靠性，对今后的CFG桩复合地基设计、施工有一定的指导意义。
参考文献
[1] 阎明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].中国水利水电出版社,2001.
[2] 李作勤.复合地基中桩土应力比和优化设计[J].岩土力学,1995,16(4): 30-37.
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[4] 董 必 昌,郑 俊 杰.水 泥 土 桩 复 合 地 基 沉 降 计 算 方 法 研 究 [J].岩 石 力 学 与 工 程 学报,2002.
[5] 吴建奇,张帆,王军.水泥粉煤灰碎石桩的室内模拟试验研究[J].江南大学学报:自然科学版, 2003.
[6] 张建伟,原华,孔德志.CFG桩复合地基褥垫层效用的有限元析[J].岩土工程学报,2011,33(增刊 2):460-463.
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