文/袁作波 湖南森大建設(shè)有限公司 湖南株洲 412000

1、引言

高層建筑只采用淺基礎(chǔ)無法滿足實際承載力與變形要求，所以高層建筑必須采用地基進行加固，將荷載傳導(dǎo)分散大深部土層，樁基是最常用的形式。20實際50年代就開始了樁基礎(chǔ)的系統(tǒng)研究，60年代后，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，樁基的研究取得較大的進展，也取得了一定的突破。國內(nèi)外眾多巖土工程科學(xué)家開展了模型試驗、工程檢測和理論分析，但目前還難以確保理論研究和實際完全相符，因此有必要開展深入的分析研究。

當(dāng)前的工程實際中，試樁設(shè)計與靜載試驗相差較大，設(shè)計師必須調(diào)整設(shè)計參數(shù)來滿足實際需求，保證安全性，設(shè)計師需要靜線試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)來完善樁基施工圖的設(shè)計，如果實際參數(shù)超過設(shè)計參數(shù)，就必須進行二次試樁，這樣的設(shè)計會影響工程的進度，降低了經(jīng)濟效益。

為了適應(yīng)高層建筑領(lǐng)域的激烈競爭，必須優(yōu)化設(shè)計。解決單樁靜載試驗結(jié)果與試樁設(shè)計偏差過大難點，使兩者盡量相近，這樣就能精確進行設(shè)計。本文的單樁研究中，重點研究了模型劃分效應(yīng)、梁單元與實體元在約束條件下的精度研究，論證梁單元代替實體元的可操作性，使用ANSYS軟件進行模擬仿真，并進行了工程實測驗證。

2、模擬研究

單樁分析使用有限元模擬是有效的分析手段。有限元的方法形態(tài)十分豐富，在求解固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)工程問題中應(yīng)用廣泛，收到各行各業(yè)的重視。傳統(tǒng)的設(shè)計假設(shè)回避了樁土之間的相有限元法顯然很有優(yōu)勢。

有限元法是在廣義胡克定律的基礎(chǔ)上進行離散，根據(jù)最小勢能原理將結(jié)構(gòu)總勢能離散為各個單元總勢能紙盒，形成有限元求解方程。胡克定律為公式1，有限元求解方程為公式2：

有限元模型精度影響計算結(jié)果，本文的計算數(shù)據(jù)如下：土的彈性模量取1.8×108Pa，密度1800kg/m3，泊松比為0.35，截面積為20m×20m，深50米，模型中心樁的彈性模量為3.25×1010Pa，密度2700kg/m2，泊松比為0.20，截面積為1m×1m，深40米。

設(shè)定精度后，可以分析梁單元和實體單元的關(guān)系。實體元單元有向三個方向平移的自由度。梁單元可承受拉、壓、彎、扭的單軸受力。有六個自由度，包括三個方向的線位移和三個軸的角位移。為簡化分析單樁，本文采用梁單元分析了土體彈性狀態(tài)和彈塑性狀態(tài)下的結(jié)果。

由分析結(jié)果可知，單元尺寸的不同對對軸力分析影響小，對沉降分析影響大。彈性、彈塑性分析中模型樁的軸力、樁頂沉降都比較吻合，因此離散是可行的。

3、工程分析

本文選取了高噴攪拌水泥土插芯組合樁作為實驗對象。這種樁基在軟土地基上應(yīng)用廣泛，直徑大，承載能力高，無污染。由預(yù)制芯和水泥樁符合組成，兩者之間緊密貼合，水泥樁和周邊的土基形了成凹凸鋸齒狀結(jié)合面，為樁基提供了側(cè)阻 力。這種新型樁基誕生時間段，對其機械性能和力學(xué)性能的研究還存在空白指出，但是由于其性價比很高的優(yōu)勢，已經(jīng)在工廠中大量應(yīng)用，影響眾多高層建筑的穩(wěn)定性。經(jīng)查閱大量文獻可知，組合樁在長期強荷載作用下的安全性已經(jīng)經(jīng)過工程檢驗得到了炎癥，但是作為重要組成的水泥土的研究還有欠缺，沒有專題研究水泥土在長期強荷載作用下的力學(xué)性能。

水泥土的機械性能對樁基有很大，其重要性不言而喻，本文選取的水泥實驗對象型號為P·O42，摻入比為15%，水灰比為0.6。粉質(zhì)黏土的物理性能如表1所示，為提高實驗效果，將水泥制成長寬高均為70mm的塊狀，以堆疊配重塊的方式添加外加載荷，水泥塊已等邊三角形的方式排開，上下均水平放置鋼板，上方鋼板厚度為6cm，然后施加外載荷，持續(xù)一定時間。進行測試。

測試中，以28天為一個周期，在水泥土試塊上施加載荷，同時與未施加載荷的水泥塊的強度進行對比，兩者的比值為試樣載荷水平；抗壓實驗時，一定時間內(nèi)在水泥試樣上施加應(yīng)力，外加應(yīng)力和水泥試樣的強度之間的比值定義為實際載荷水平。本文在這兩個概念的基礎(chǔ)上，研究不同在載荷下水泥的機械性能。

表2是本文實驗采取的方案，水泥試樣制成塊狀之后，分成了4組，每一組包含4塊試樣，按照實驗標(biāo)準(zhǔn)，進行為期28天的養(yǎng)護。在每一組的試樣上面施加長期載荷，施加的時間為50d和100d，載荷水平選擇為0.2和0.4。

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4、結(jié)果分析

4.1 外載荷施加持續(xù)時間不同情況下的水泥塊破壞模式

在施加載荷時間不同的情況下，對水泥塊進行單軸加壓，測試抗壓強度，經(jīng)試驗表明，雖然載荷施加時間不同，但是水泥試塊額破壞模式相同，裂紋均與載荷平行，水泥表面也均出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象，由此可知，外加載荷持績的時間的長短，不影響水泥試塊的破壞模式。

4.2 外載荷施加持續(xù)時間不同情況下的水泥塊機械性能

經(jīng)試驗表明，載荷持續(xù)時間不同的情況下，水泥試塊機械性能會根據(jù)載荷水平和實際載荷水平的強度變化而變化。當(dāng)載荷水平小于0.5，實際載荷水平在0到0.3之間時，水泥試塊的機械性能會跟著兩個水平的增大而增大，載荷持續(xù)時間越長，強度越大，機械性能越好。如果當(dāng)載荷水平大于0.5，實際載荷水平大于0.3，水泥試塊強度會出現(xiàn)明顯下降。

結(jié)論：

經(jīng)過理論分析和試驗驗證，可知，當(dāng)水泥試樣收到外載荷作用時，其持續(xù)時間長短對于水泥的破壞模式不會有明顯影響，但是會影響水泥的機械性能，強度會隨著載荷水平和實際載荷水平的增加而增大。

本文通過理論研究和實際工程試驗兩個密不可分、相互推動、相互促進的過程，驗證了理論研究的可行性，為今后新型樁基的機械性能研究提供了一條可行之路。