□□

(山西大學(xué) 土木工程系，山西 太原 030013)

引言

多元樁復(fù)合地基與常規(guī)復(fù)合地基相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠同時(shí)滿足對(duì)不良地基處理的多方面的要求。如碎石樁與CFG樁組合，既可以消除液化，又可以提高承載力；灰土樁與CFG樁組合，既可以消除濕陷，又可以提高承載力。作為新型的地基處理方式，多元樁復(fù)合地基在工程實(shí)踐中已經(jīng)有所應(yīng)用，但其承載機(jī)理和設(shè)計(jì)理論還不成熟[1-2]。本文利用ABAQUS有限元軟件對(duì)剛?cè)岫嘣獦稄?fù)合地基進(jìn)行數(shù)值分析，研究其承載性能。

1 剛?cè)岫嘣獦稄?fù)合地基有限元分析模型

1.1 基本假定

在模型建立時(shí)，為盡可能接近于真實(shí)情況又便于計(jì)算，采用了如下假定：

(1)剛性樁、柔性樁、褥墊層和承臺(tái)均為線彈性材料，符合廣義虎克定律。

(2)樁底和樁周土材料相同，模擬均質(zhì)地基，土體各向同性，采用彈塑性材料模擬，假定土體塑性屈服服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

(3)上覆均布荷載一次性瞬時(shí)施加，不考慮地基在外荷載作用下的時(shí)間效應(yīng)。

(4)樁頂與褥墊層采用綁定約束，始終保持接觸不分離。

1.2 模型建立

模擬一個(gè)5根樁×5根樁的剛?cè)峤M合樁型群樁復(fù)合地基，其平面布置如圖1所示，剛性樁和柔性樁采用等長(zhǎng)度，樁長(zhǎng)均為20 m，樁徑0.5 m，樁間距為2.5倍樁徑，剛性樁和柔性樁按正方形間隔布樁方式，褥墊層和承臺(tái)的幾何中心與群樁的幾何中心重合，褥墊層尺寸為8.5 m×8.5 m，厚度0.3 m，承臺(tái)尺寸7.5 m×7.5 m，厚度0.5 m。在樁的平面布置范圍，土的計(jì)算域?yàn)?0 m×20 m，樁底以下土體厚度取20 m。

模型網(wǎng)格劃分采用八節(jié)點(diǎn)六面體的二次縮減積分單元，即C3D8R單元，樁體網(wǎng)格劃分加密，模型網(wǎng)格單元總數(shù)為60 682，其中樁體單元數(shù)為13 974，模型邊界條件為土體四周徑相位移為0，底部徑向和法向位移為0，模型上覆荷載一次性施加在承臺(tái)上。

1.3 模型計(jì)算參數(shù)

依據(jù)工程實(shí)際材料的特性，賦予模型材料參數(shù)，

圖1 群樁布置平面圖

主要參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

2 結(jié)果分析

計(jì)算過程分兩個(gè)分析步，第一步對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，平衡后豎直方向位移云圖如圖2所示；第二步，在承臺(tái)上瞬時(shí)施加荷載。

圖2 地應(yīng)力平衡云圖

由圖2可見，地應(yīng)力平衡后，豎直方向的最大位移為8.475×e-12，接近于零，地應(yīng)力平衡效果很好。

2.1 剛性樁、柔性樁樁頂應(yīng)力分析

在承臺(tái)施加800 kPa荷載，樁頂應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖3可見，就樁頂應(yīng)力而言，柔性樁樁頂應(yīng)力明顯小于剛性樁樁頂應(yīng)力，并且不同位置處的剛性樁樁頂應(yīng)力差別也較大，角部4根剛性樁樁頂應(yīng)力最大，邊樁應(yīng)力次之，位于群樁幾何中心的剛性樁樁頂應(yīng)力最小。越靠近中心的樁體，分擔(dān)的荷載越小，符合土力學(xué)中基底應(yīng)力分布呈馬鞍形的特征，在剛?cè)岫嘣獦稄?fù)合地基中主要靠剛性樁提高地基承載力。

圖3 樁頂應(yīng)力云圖

2.2 剛性樁、柔性樁樁身應(yīng)力分析

剛性樁、柔性樁樁身應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可見，位于不同位置的剛性樁和柔性樁樁身應(yīng)力分布規(guī)律較一致，都是沿樁身呈現(xiàn)先增大、后減小的特征，在樁身的某一位置處應(yīng)力達(dá)到最大。分析認(rèn)為，由于褥墊層的存在，使樁間土體始終保持與承臺(tái)接觸，承擔(dān)一部分荷載，因?yàn)闃堕g土體的彈性模量較小，所以產(chǎn)生的變形較大，給樁體一個(gè)向下的下拉力(即負(fù)摩阻力)，在樁身的某一位置處樁體的變形與樁間土的變形相等時(shí)，該位置處樁體應(yīng)力最大。樁的負(fù)摩阻力相當(dāng)于在樁頂上覆荷載之外，又附加了一個(gè)分布于樁側(cè)壁上的面荷載。所以，在剛?cè)岫嘣獦稄?fù)合地基的設(shè)計(jì)中，要合理地考慮剛性樁的負(fù)摩阻力，否則對(duì)于端承樁有可能造成樁身或樁端地基破壞，對(duì)于摩擦型樁有可能造成沉降過大或產(chǎn)生不均勻沉降。

圖4 樁體應(yīng)力分布云圖

綜合來看，在樁體上部即淺層地基中，樁身應(yīng)力都沒有達(dá)到最大，此時(shí)樁間土體發(fā)揮的作用較大，承擔(dān)了比較多的荷載，可見褥墊層對(duì)于淺層地基土體的承載力發(fā)揮作用顯著；而在深層地基中，剛性樁承擔(dān)了地基的主要荷載。因此，我們?cè)O(shè)想，在剛?cè)岫嘣獦稄?fù)合地基的設(shè)計(jì)中，如果將剛性樁的上部適當(dāng)減小剛度，而下部增大剛度，即采用變剛度樁，可以在滿足承載力和變形的前提下降低造價(jià)。

2.3剛性樁、柔性樁變形分析

復(fù)合地基沉降云圖如圖5所示。由圖5可見，在樁頂平面沉降最大的位置集中在承臺(tái)寬度1.65倍的方形區(qū)域內(nèi)，樁頂處的豎向變形最大，隨著深度的增加，變形逐漸減小直到為零。

圖5 復(fù)合地基沉降云圖

剛性樁變形云圖如圖6所示，柔性樁變形云圖如圖7所示。由圖6和圖7可見，柔性樁樁頂變形大于剛性樁樁頂變形，并且剛性樁和柔性樁均呈現(xiàn)出越靠近群樁幾何中心位置的樁沉降越大的規(guī)律，中心樁大于邊樁的沉降，邊樁大于角樁的沉降，因此，剛性樁對(duì)于減小剛?cè)岫嘣獦稄?fù)合地基變形作用明顯。剛性樁和柔性樁都表現(xiàn)出樁頂位置變形最大，沿著樁身變形逐漸減小。因此，對(duì)于剛?cè)岫嘣獦稄?fù)合地基，有效控制樁身上部的變形對(duì)于減小地基沉降作用顯著。

圖6 剛性樁樁身變形云圖

圖7 柔性樁樁身變形云圖

3 結(jié)論

根據(jù)有限元軟件ABAQUS模擬剛?cè)岫嘣獦稄?fù)合地基，得出其樁頂、樁身應(yīng)力特點(diǎn)和變形規(guī)律如下：

3.1 剛性樁承擔(dān)的荷載明顯大于柔性樁承擔(dān)的荷載；對(duì)于同種樁型，角樁的應(yīng)力最大，邊樁次之，中樁最?。谎貥渡響?yīng)力最大部位不在樁頂，而是位于樁身的某一位置。

3.2 復(fù)合地基的變形規(guī)律與承載力規(guī)律恰好相反，樁頂處變形最大，并且群樁中心處變形最大，邊樁次之，角樁最小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔溦，閆澍旺，周宏杰.多樁型復(fù)合地基的載荷傳遞機(jī)理研究[J].巖土力學(xué)，2005，26(2)：290-294.

[2] 周德泉，劉宏利，張可能.三元和四元復(fù)合地基工程特性的對(duì)比試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(5)：124-129.