ＣＦＧ桩复合地基在立筒仓工程中的应用研究

摘　要：以白象集团商丘面粉厂立筒仓CFG桩复合地基为工程背景，在现场实测的基础上，通过对立筒仓群的实测沉降数据、三维有限元数值计算值与理论设计得到的沉降值进行对比分析，对立筒仓群的沉降及CFG桩复合地基力学作用机理进行了研究，讨论了CFG桩复合地基的沉降规律，检验了CFG桩复合地基的实际效果。

关键词：CFG桩复合地基；筒仓；基础沉降

中图分类号：TU470

文献标识码：B

文章编号：1008－0422(2007)10－0092－03

1 前言

立筒仓具有占地面积小，易于机械化、自动化作业，流通费用低，吨储物造价低等特点，在粮食、煤炭、矿产、建材等行业得以广泛运用。在1998年国家投资兴建的500亿斤粮库建设项目中，立筒仓就占了19％。由于立筒仓高度大、荷载重，各仓空满程度不一、平面面积和占地面积相对较小、单位荷载大等特点，特别是大型的立筒仓群，其基础结构的造型设计是否合理。直接关系到筒仓结构的安全和技术经济效果，如果考虑不全面，就有造成不可挽回的损失。我国及其他国家都曾发生群仓倾斜，沉降过大，倒塌的事故，有的筒仓在倒塌前甚至没有任何前兆。有的筒仓由于地基沉降不均匀而导致仓壁开裂或者发生不同程度的整体倾斜，严重影响生产，造成很大损失卧。

CFG桩复合地基可使地基承载力大幅度提高，并具有很大可调性的优点，特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一般难以满足设计要求时，CFG桩复合地基便具有明显的优势。

CFG桩作为一种经济和可靠的地基处理方法，应用的领域正不断扩大，目前已有不少的立筒仓基础工程使用了CFG桩复合地基。但是，CFG桩处理地基的技术还不完善，特别是在筒仓设计及施工中还存在许多问题，如果不加以改进，轻则是设计不合理，造成经济上的浪费，重则会使筒仓发生倾斜、甚至倒塌，造成重大工程事故。因此，具体深入研究立筒仓工程中CFG桩复合地基的沉降规律及其力学机理，并在此基础上优化CFG桩复合地基的设计方案，不但可以完善立筒仓的地基处理效果，而且对今后CFG桩复合地基在立筒仓基础工程中的应用也有很大的理论和实际意义。

为了研究在立筒仓施工及其工后复合地基的沉降规律及特点、载荷量对地基沉降的影响及检验复合地基设计是否合理优化，本文采用数值模拟的方法，对建筑物施工以及加载过程中复合地基及其周園地区的沉降情况进行定量地计算和分析，确定地基沉降值随立简仓施工的加高的动态变化过程，从而对复合地基的设计效果作出正确的判断；通过对方案的计算和分析，不同阶段的加载量对复合地基沉降值的影响，对复合地基的设计效果进行检验，作出合理优化的复合地基设计方案。

2 工程概括

白象集团商丘面粉厂立筒仓位于河南省谢集国家粮食储备库院内，由于地基承载力较低(120kPa)，不能满足建筑物荷载的要求，根据面粉厂立筒仓的特点，要求地基处理后承载力提高较多，并且为了降低造价，提高经济效益，决定采用目前国内比较先进的水泥粉煤灰碎石桩(简称CPG桩)处理地基。本工程CFG桩设计桩长约为15.2m，桩径400ram，CFG桩桩体强度等级为C20，要求处理后的复合地基承载力特征值为300kPa。

自象集团商丘面粉厂立筒仓工程地处黄河冲积平原区，地层为全新统河流相沉积物，主要岩性为粉质粘土、粉土及粉细砂，土的物理参数见表1。

3 三维有限元模型的建立

3．1　计算模型尺寸

模型共由8个立筒仓组成立筒仓群，基坑开挖长40m，宽20m，基坑深2.6m，地基处理采用CFG桩复合地基，桩长15.2m，桩间距为1m。根据基坑的开挖情况、地基处理情况和工程地质情况，建立三维有限元计算模型，其长×宽×高为60×40×40m，即基坑周围外推10m，桩下17.8m (基坑底下33m)作为计算范围。

3．2　土的物理力学参数的确定

土采用Drucher-Prager模型模型，土的力学参数的取值与实际相一致，见表1；模型CFG桩为弹性模型，按照实际尺寸和桩间距布置。

3．3　计算方案

模拟计算的目的主要在于分析施工及使用过程中复合地基沉降过程、复合地基的最终沉降量、各不同深度土层及复合地基的沉降规律以及它们的受力状态变化情况等。计算分为四个阶段：

第一阶段(P/4)，即空仓情况下；

第二阶段(P/2)，加上60％的粮食荷载；

第三阶段(3P/4)，第二次继续加30％的粮食荷载；

第四阶段(P)，第三次加10％的粮食荷载，即满载(满载情况下的等直线)。

4　三维有限元计算结果分析

为了检测筒仓的施工质量，施工方在每天均对立筒仓群进行了沉降观测试验，随时掌握立筒仓的沉降信息。为了验证本文计算方法的合理性，作者将各个阶段的立筒仓群的沉降计算结果与实测值和按规范给出的沉降计算方法进行了对比分析，各个阶段立筒仓群沉降的对比结果。通过分析可得出如下结论：

(1)立筒仓群基础沉降观测值、本文计算结果与规范方法计算值较为吻合，说明本文的有限元计算模型的建立以及相关参数的选取是合理的。

(2)分析沉降观测值、本文有限元计算结果、规范方法计算值，在靠近筒仓群边缘部分，三者沉降结果基本相等，越靠近筒仓群基础中心，差别越大，但最大差别小于10mm。

(3)本文有限元计算结果介于观测值和规法计算值之间，并且与观测值较为接近。说明使用本文方法能够满足实际的工程计算精度，而规范方法偏于保守。

(4)复合地基及其周边地区的最大沉降值满足了地基处理方案中理论计算所允许的最大沉降值要求，即最大沉降量观测值为79mm，远远小于设计的最大允许值150mm，证实了该CFG桩复合地基的设计方案满足工程设计的要求，并且减小了复合地基的沉降量。

(5)各不同的施工阶段，复合地基沉降量不同，随着荷载的不断增加，地基的沉降量也不断增加，四个阶段的最大沉降量的有限元计算值分别为34mm→63mm→78mm→82mm，并且复合地基沉降值与所加荷载近似成线性关系，说明基础持力层仍处于弹性阶段，同时也进一步说明了使用CFG桩对该工程基础加固是合理有效的，并且还有一定的安全储备系数：

(6)各个不同阶段的基础的最大沉降量发生在立筒仓群基础的中间部位，由中间向周围依次减小，基坑周边沉降由19mm→35mm→43mm→55mm，并且基坑周边的沉降与载荷也近似成线性关系；

作者在计算时通过分析主应力场发现：各个阶段最大主应力分布在基坑坑底及其附近，且应力值接近对应施工阶段的载荷应力；在地基两端部位的一定范围内，最大主应力方向发生偏转，这就造成最大主应力与CFG桩的轴线不平行，使得桩体受弯矩的作用，容易造成桩的折断。这一点与实际情况相符，也很好的说明桩折断的力学机理，从该分析可知，在立筒仓基础设计中，地基两端的桩除要求桩有足够的抗压强度外，还要求桩要有一定的抗弯能力和抗拉强度，除此之外，也可以将复合地基两端一定范围内的桩布置成斜桩或增加保护桩，以适应主应力偏转的要求，即克服了桩体抗弯能力低、抗拉强度小的实际情况，又发挥了CFG桩体抗压强度高的优势，避免桩体的折断。

5 结论

本文围绕CFG桩复合地基沉降及其力学机理这一中心，结合白象集团商丘面粉厂立筒仓工程，在现场实测的基础上，对立筒仓的实测沉降数据、三维有限元数值模拟计算沉降值与规范方法计算的沉降值进行对比分析，并对CFG桩复合地基的加固效果进行了验证，得出了如下结论：

(1)沉降观测试验结果表明立筒仓群基础最大沉降量观测值为79mm，远远小于设计的最大允许值150mm，证实了该CFG桩复合地基的设计方案满足工程设计的要求，并且减小了复合地基的沉降量。

(2)建立了CFG桩复合地基有限元计算模型，并将计算出的沉降值与观测值、规范方法进行了对比，发现有限元计算结果介于观测值和规法计算值之间，并且与观测值较为接近，说明使用本文方法能够满足实际的工程计算精度。

(3)有限元结果证实了各不同阶段最大沉降量发生在立筒仓群基础的中间部位，由中间向周围依次减小；在复合地基两端部位一定范围内最大主应力发生偏转，说明了桩身折断的力学作用机理，需选择合理的方法避免该观象发生。

作者单位：1．河南工业大学土木建筑学院

2．长沙市建筑工程安全监察站

作者简介：郭呈周(1965—)，男(汉族)，河南新乡人，国家一级注册结构师。