孫 娟 李俊南

（河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，開封 河南475000）

復(fù)合地基技術(shù)近年來之所以能得到廣泛的應(yīng)用，與其自身的特點(diǎn)有關(guān)，即符合實(shí)際工程中工程設(shè)計(jì)與施工過程中充分利用土體自身固有的強(qiáng)度和自穩(wěn)定能力的地基處理發(fā)展趨勢(shì)。［1］它與實(shí)際中運(yùn)用較多的樁基相比，節(jié)省費(fèi)用；而與天然地基相比，具有承載力高、沉降和差異沉降小等優(yōu)點(diǎn)。從適用范圍來看，復(fù)合地基適用范圍大，可根據(jù)土性、地下水位、承載力要求、地方材料、施工環(huán)境等條件，選擇不同類型、不同樁體強(qiáng)度的復(fù)合地基處理方法。近年來由于剛?cè)衢L短樁復(fù)合地基費(fèi)用低，適用范圍廣等特點(diǎn)，在沿海地區(qū)得到較快的發(fā)展，尤其在高層建筑的應(yīng)用也越來越多。隨著中原地區(qū)的崛起，高層建筑物也在快速增加，而相應(yīng)有關(guān)復(fù)合地基的理論研究卻很少，本文就以開封地區(qū)地質(zhì)狀況為例，利用ABAQUS有限元研究軟件研究復(fù)合地基的特點(diǎn)，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況及參數(shù)選取

開封地區(qū)地質(zhì)情況如下：根據(jù)實(shí)際工程需要，只需研究地表以下20m范圍內(nèi)的土質(zhì)情況。開封地層結(jié)構(gòu)按時(shí)代劃分屬第四紀(jì)全新世（Q4）和新晚更新世（Q3）以及其以前沉積的土。地質(zhì)成因以黃河沖擊為主，其次為洪積；土質(zhì)類型以粉土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)沙為主。主要土層大致可分為三層，表層為厚約0.75m的雜填土，第二層為厚約13～15m的粉土，承載力特征值取值范圍為80～125 kPa，壓縮模量取值范圍為3.2～8.5MPa，第三層為承載力較高的粉黏土，承載力特征值取值范圍為120～180 kPa，壓縮模量取值范圍為5.1～16.5MPa。

本文在數(shù)值分析時(shí)采用了三種形式的復(fù)合地基進(jìn)行研究，分別是無墊層的長短樁基礎(chǔ)，剛性長短樁復(fù)合地基以及剛?cè)衢L短樁復(fù)合地基。這三個(gè)模型均為5×5長短樁相間梅花式布莊方式，筏板為C30混凝土，4m×4m寬，厚度為1m。褥墊層為300mm厚砂石。長樁及短樁樁徑均為500mm，樁間距為3倍樁徑，其中長樁長為16m，均采用C25混凝土；剛性短樁及柔性短樁長度為8m，剛性短樁采用C25混凝土，柔性短樁為水泥土樁。在分析計(jì)算時(shí)，為簡便計(jì)算及其對(duì)稱性，取1/4模型進(jìn)行計(jì)算，如圖1。

2 基本假設(shè)

樁、土、褥墊層皆視為理想均質(zhì)的各向同性體；在豎向荷載作用下，樁體-土體之間的切向接觸采用彈性滑移變形，法向接觸采用修正“硬”接觸；土體的強(qiáng)度指標(biāo)來自開封的工程地質(zhì)報(bào)告，彈性模量由各土層壓縮模量按層厚加權(quán)平均得到，不考慮土體的排水固結(jié)；筏板和樁體由于彈性模量較大，為簡便計(jì)算均采用線彈性模型，符合廣義胡克定律，墊層和土體由于在實(shí)際工程中的摩擦角值較大，不宜采用ABAQUS有限元程序中Drucker-Prager模型來模擬，而采用摩爾庫倫模型。在模型建立時(shí)，對(duì)稱軸面上及土體四周采用豎向活動(dòng)支座邊界，底部采用固定支座邊界。就模型分析區(qū)域的選取，水平方向上的邊界距離承臺(tái)邊為5倍的承臺(tái)距離，豎向長度則為長樁長度的兩倍。［3］其中對(duì)于樁體和承臺(tái)，選用C3D4單元，即空間4節(jié)點(diǎn)四面體且不考慮孔壓的實(shí)體單元：對(duì)于土體和墊層，選用C3D8R單元，即空間8點(diǎn)節(jié)六面體且考慮孔壓和固結(jié)的實(shí)體單元，并用二次縮減積分計(jì)算（模型見圖2）。具體參數(shù)選取見表1。

3 分析結(jié)果

通過ABAQUS有限元軟件的數(shù)值模擬分析，筏板樁基礎(chǔ)和剛性長短樁復(fù)合地基對(duì)比分析可以看出，在剛性長短樁復(fù)合地基中，軸力值的大小為C1＞C2＞C3，并且軸力值沿著深度的變化有先增大后減小的趨勢(shì)，在樁頂2m左右的范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)摩阻力，由于荷載通過筏板作用在褥墊層上，然后傳遞給樁體，在這個(gè)傳力的過程中，褥墊層起到了協(xié)調(diào)變形的作用，使得樁體上部出現(xiàn)有負(fù)摩阻力的現(xiàn)象；在筏板樁基礎(chǔ)中，上部荷載通過筏板直接作用在樁體上，所以其長樁軸力沿著深度的加深逐漸減小，沒有負(fù)摩阻力的出現(xiàn)。就兩組模型中長樁軸力大小而言，由于在筏板基礎(chǔ)中，荷載主要由樁體承擔(dān)，所以其軸力值的大小是剛性樁復(fù)合地基中長樁的軸力值的1.2倍左右。通過剛性長短樁和剛?cè)衢L短樁復(fù)合地基的對(duì)比，軸力變化的趨勢(shì)基本相同，因?yàn)閯側(cè)衢L短樁復(fù)合地基中短樁變?yōu)樗嗤翗叮韵嗤恢瞄L樁軸力值的大小比剛性長短樁復(fù)合地基中長樁的軸力大3%左右。

在剛?cè)衢L短樁復(fù)合地基中，D1和D2位置短樁軸力值大小均是先增大后減小的趨勢(shì)，即在樁體頂部1m范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)摩阻力，D1位置的頂端軸力值大小為46.74KN，D2位置頂端的軸力值大小為57.97KN，即邊樁短樁的軸力值要大于中間樁短樁的軸力值。在剛性長短樁復(fù)合地基中D1位置短樁軸力隨著深度為先增大后減小的趨勢(shì)，而D2位置短樁軸力則是隨著深度逐漸減小，且無論是D1或者是D2位置短樁，其軸力值的大小要比剛?cè)衢L短樁復(fù)合地基中相同位置的短樁大20%左右，說明在剛?cè)衢L短樁復(fù)合地基中由于短樁材料的改變其分配到的荷載值有所減小。筏板基礎(chǔ)中的短樁軸力值的大小或者變化趨勢(shì)均與剛性長短樁中相同位置短樁的情況基本一樣。

表1 有限元模擬分析計(jì)算參數(shù)

圖1 樁體平面布置

圖2 有限元分析模型

在筏板基礎(chǔ)中，土體沒有參與荷載分擔(dān)，其大約70%的上部荷載是有長樁承擔(dān)的，而短樁只承擔(dān)了30%。剛性長短樁復(fù)合地基中，長樁和土體所分擔(dān)的荷載較多，短樁分擔(dān)的荷載較少。其中，長樁大約分擔(dān)了46%，土體分擔(dān)了34%，短樁分擔(dān)了20%。在剛?cè)衢L短樁復(fù)合地基中，長樁分擔(dān)了48%左右，土體分擔(dān)了37%左右，短樁則略有減少為15%左右。

4 結(jié)語

通過以上對(duì)筏板基礎(chǔ)、剛性長短樁復(fù)合地基和剛-柔長短樁復(fù)合地基中樁體軸力以及各自荷載分擔(dān)比的分析中可以看出：

剛性長短樁和筏板基礎(chǔ)對(duì)比而言，在褥墊層的調(diào)節(jié)作用下，樁間土開始參與工作，和樁體一起承擔(dān)上部的荷載，并且減弱了樁體頂部對(duì)承臺(tái)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，增大了基底應(yīng)力的范圍。同時(shí)褥墊層有利于樁和樁間土的協(xié)調(diào)變形，消除地基沉降的不均勻性，減少了建筑物的不均勻沉降。

剛-柔長短樁復(fù)合地基與剛性長短樁相比較時(shí)可以看出，隨著短樁的模量減少，短樁的荷載分擔(dān)比減小，但樁間土更好地發(fā)揮其作用。柔性樁一般采用水泥土樁，這種樁類型相對(duì)混凝土樁而言施工簡單，環(huán)境影響小，造價(jià)低廉，在保證承載力的同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)開封地區(qū)而言，這種復(fù)合地基模式可以廣泛應(yīng)用，值得大力推廣。

［1］龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：90-96.

［2］左利兵.筏板基礎(chǔ)與剛_柔性樁復(fù)合地基共同作用分析［D］.重慶：重慶大學(xué)，2014.

［3］楊勇.高層建筑長短樁復(fù)合地基整體性狀有限元分析楊勇［D］.太原：太原理工大學(xué)，2012.