夏力農(nóng)，苗云東，苗偉波，周 靖＊，補國斌，李訓根

（1.湘潭大學 土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105；2.長沙學院 土木工程系，長沙 410003；3.云南省建工集團第十建筑有限公司，昆明 650041）

隨著我國土木工程建設的不斷發(fā)展，復合地基技術在房屋建筑、高等級公路、鐵路、堤壩等工程建設中得到了廣泛應用，并取得良好的社會效益和經(jīng)濟效益.［1］目前，國內(nèi)外學者主要集中在對正常使用情況下復合地基工作性狀的研究.［2－4］LIANG［5］等研究了有無褥墊層對復合地基的影響.ZHENG［6］，ABUSHARAR［7］等通過數(shù)值分析方法對多元復合地基工作機理進行了探討.LIU［8］，SHARMA［9］等通過試驗研究了加筋褥墊層對復合地基荷載沉降特性的影響.陳明等［10］根據(jù)剛性樁復合地基樁身受力特性，利用BJERRUM公式推導了常規(guī)條件下剛性樁復合地基負摩阻力區(qū)深度的計算方法.劉俊飛等［11］通過對正常情況下的復合地基樁頂負摩阻力段樁－土相互作用的分析，推導出樁－土應力比計算公式.然而，由于復合地基主要在軟土地區(qū)使用，在諸如地下水位下降造成土體沉降和欠固結土體固結沉降的情況下，加固樁周土體沉降大于樁體沉降而產(chǎn)生負摩阻力，這時負摩阻力對復合地基工作性狀有較大影響，但目前針對地基土沉降對復合地基承載機理的影響研究較少.安春秀［12］報道了回填土場地上水泥土攪拌樁復合地基在負摩阻力引起的下拉力作用下加固樁體強度不夠，而使樁體破壞造成建筑物無法使用的例子，并對此進行了分析.JGJ 79—2002《建筑地基處理技術規(guī)范》［13］對如何處理復合地基中負摩阻力問題沒有明確的規(guī)定，因此開展地基土沉降對復合地基承載機理的影響研究具有重要意義.在本文中，筆者擬采用數(shù)值方法分析地基土沉降對復合地基性狀的影響，并探討褥墊層厚度對地基土沉降前后樁體特性的影響.

1 有限元模型的建立

為了研究地基土沉降對復合地基工作性狀的影響，利用PLAXIS軟件建立了單樁復合地基軸對稱有限元模型.計算中土體的本構關系采用彈塑性Mohr－Coulomb模型，樁身材料的本構關系采用彈性模型，其中黏性土的剪脹角為零.樁－土界面采用接觸單元模擬，界面參數(shù)按相應土層參數(shù)根據(jù)樁身的粗糙程度進行折減.采用三角形15節(jié)點單元離散土體和樁身材料.土體固結根據(jù)Biot固結理論進行分析.土體及加固樁體的網(wǎng)格劃分如圖1所示.

圖1 單元網(wǎng)格劃分Fig.1 Divisions of element meshes

加固樁體直徑為600mm，樁長12m，樁身材料采用素混凝土，其彈性模量為28GPa，重度為25 000N·m－3.設置200，400，600，800mm 4種不同的褥墊層厚度，采用圓形剛性基礎，厚度為1 000mm，半徑為800mm.先在基礎頂面分別施加75，125，175，225，275kPa 5種荷載，然后將地下水位從地表下1m下降到地表下2.2m位置穩(wěn)定下來.本研究通過地下水位下降使得地基土沉降，以此來分析地基土沉降前后復合地基工作性狀的變化.樁身穿過的土層物理力學指標見表1.為方便計算，在以下的圖表中，地下水位下降前的曲線記為Q，地下水位下降后的曲線記為H.

表1 土層分布及其物理力學指標Tab.1 Soil layer distributions and its indexes

2 有限元模擬結果與分析

有限元模擬結果表明，在不同上部荷載及不同厚度褥墊層條件下，地下水位下降前后復合地基工作性狀是有差異的.

2.1 沉降特性的變化

從圖2可以看出，降水前，在400～800mm厚度褥墊層復合地基中，樁向上刺入變形隨著荷載增加而增大；降水后，在4種厚度褥墊層條件下，加固樁體和基礎頂面的沉降均明顯增大.在200mm褥墊層地基中，樁的沉降大于基礎沉降，兩者之間的沉降差比降水前大.在400～800mm褥墊層基礎中，樁向上刺入變形隨著荷載增加而增大，基礎頂面與樁頂沉降差還隨著褥墊層厚度的增加而加大.

圖2 降水前后基礎頂面與樁頂沉降對比曲線Fig.2 Comparison curves of foundation and pile settlements before and after precipitation

從圖2還可以看出，在同一種厚度褥墊層基礎中，基礎沉降和樁沉降隨著荷載的增加而加大，兩者之間的沉降差也隨著樁頂荷載的增加而加大，4種厚度褥墊層情況下均表現(xiàn)出這樣的趨勢.在4種厚度褥墊層復合地基中，400mm褥墊層在降水前后的基礎與樁的沉降差是最小的.褥墊層厚度的不同對復合地基的正常使用和降水后的荷載傳遞特性有很大的影響.分析表明，褥墊層厚度存在一個臨界值，此時樁體上刺變形最小.褥墊層為400mm時樁體與基礎的沉降差是計算褥墊層厚度中最小的，褥墊層厚度大于此臨界值時，厚度越大，復合地基的沉降值越大，樁體與基礎沉降的差距也越大，降水前后均呈現(xiàn)這樣的趨勢.

從圖2（b）～（d）還可以看出，隨著荷載的增加，基礎頂面的沉降增長速率在降水前后均比樁快些.在計算范圍內(nèi)，降水前樁和基礎的沉降均隨荷載增加而增加并近似呈現(xiàn)為線性.降水后樁沉降的增長趨勢也可近似視為線性，而基礎沉降的增長趨勢較明顯地表現(xiàn)為非線性，增長速率明顯比樁快.這表明在降水后，隨著荷載的增加，樁向上刺入變形增長速率較快.

圖3為不同厚度褥墊層在175kPa荷載條件下降水前后的樁－土相對位移，可以看出降水前后的樁－土相對變形變化很明顯，這主要是降水后土體沉降增加，還有樁體的新增變形；中性點位置明顯下移，中性點以上部分樁－土相對位移加大，中性點以下部分樁－土相對位移略有減小.

圖3 降水前后樁－土位移對比曲線Fig.3 Curves of pile－soil displacement before and after precipitation

圖4 褥墊層厚度與中性點位置的關系曲線Fig.4 Curves of cushion thickness and position of neutral point

2.2 中性點位置變化

從圖4可以看出，降水前由于荷載的增加，加固樁體上刺變形增大，使得中性點位置出現(xiàn)少許加深，這與基樁的中性點位置隨荷載增加而上升的趨勢是不同的.降水后，各種厚度褥墊層條件下加固樁體的中性點位置明顯下降，中性點隨荷載變化的波動范圍比降水前明顯加大，中性點位置隨著荷載增加而逐漸上升，這與基樁的中性點變化趨勢相同.降水前后中性點位置與褥墊層厚度的關系均未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律.

2.3 樁身負摩阻力分布

圖5為400mm厚度褥墊層復合地基在75～275kPa荷載作用下降水前后的樁側摩阻力分布圖，其他常用的褥墊層厚度的影響與此相似.從圖5可以看出，復合地基中加固樁體在降水前后的樁身摩阻力分布有很大差異，主要表現(xiàn)在：第一，降水后中性點位置比降水前明顯下降，這說明對于復合地基，降水所產(chǎn)生的負摩阻力影響比樁體上刺產(chǎn)生的負摩阻力影響要大得多；第二，降水后樁體上部負摩阻力值比降水前大得多，負摩阻力作用的樁身長度更長，因此負摩阻力引起的下拉力對復合地基的影響較大，在設計中必須考慮這一不利因素；第三，隨著荷載的增加，降水后中性點位置的波動幅度明顯增大.樁側中間部分的正摩阻力分布差異不大；樁側下端部分的正摩阻力比降水前略大.

2.4 樁身應力分布

圖6為400mm厚度褥墊層復合地基在75～275kPa荷載作用下降水前后的樁身應力沿樁長分布的對比，其他常用的褥墊層厚度的影響與此相似.從圖6中可以看出，在各種荷載下，降水后樁身應力總體上有所增加，樁頂應力略有增大，地基土分擔荷載比例下降，樁－土應力比提高.在中性點以上，樁身應力隨著深度的增加而增加，中性點位置的樁身應力最大.在275kPa和75kPa荷載作用下，中性點位置的降水前后樁身應力差值分別為89kPa和91kPa，后者增加的幅度遠大于前者.這說明在土體沉降產(chǎn)生負摩阻力時，上部荷載的增加可以使中性點位置上升，減小負摩阻力引起的下拉力，同時也使基礎沉降增加.

圖5 降水前后摩阻力分布圖（褥墊層厚度為400mm）Fig.5 Distribution of skin friction before and after precipitation（cushion thickness is 400mm）

3 結語

1）地基土沉降后，在各種厚度褥墊層條件下，加固樁體和基礎頂面的沉降均明顯增大.基礎沉降和加固樁體沉降隨著荷載的增加而增加，兩者之間的沉降差也隨樁頂荷載的增加而增加.

圖6 降水前后樁身應力對比曲線（褥墊層厚度為400mm）Fig.6 Curves of pile stress before and after precipitation（cushion thickness is 400mm）

2）地基土沉降后，加固樁體的中性點位置明顯下降，中性點隨荷載變化的波動范圍比常規(guī)使用條件下明顯加大，中性點位置隨著荷載增加而逐漸上升.在相同的荷載作用下，褥墊層厚度與中性點位置的關系沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律.

3）復合地基中加固樁體在地基土沉降前后的樁身摩阻力分布有很大差異.地基土沉降的增加使樁體上部樁－土相對位移增大，負摩阻力值也明顯增大.

4）在各種上部荷載作用下，地基土沉降后樁身應力總體上有所增加.樁頂應力比地基土沉降前略有增加.地基土沉降后的加固樁體樁身應力沿樁長均比地基土沉降前大.

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