喬高乾

(廣東有色工程勘察設計院，廣東 廣州 510080)

超高層建筑設計的復雜度隨著城市的發(fā)展不斷增加，在此背景下對復合地基承載力的預測提出了更高要求[1]。CFG樁(cement fly-ash gravel pile)被廣泛地應用在超高層建筑設計領(lǐng)域中，但也出現(xiàn)了一些新的問題，因此急需一個合理有效的方法對CFG樁復合地基的承載力進行預測[2]。

在現(xiàn)有研究方法中，韓永強[3]等人提出基于MIDAS/GTSNX的地基承載力預測方法，該方法利用MIDAS/GTSNX軟件對褥墊層厚度進行分析，并研究了樁土沉降量和應力比受置換率的影響，結(jié)合理論計算法和有限元法實現(xiàn)CFG樁復合地基承載力的預測，但是該方法直接對復合地基承載力進行預測時，由于沒有考慮不同因素下的預測效果而導致相對誤差大。蔡國軍[4]等人提出基于CPTU測試的地基承載力預測方法，該方法建立剛性的復合地基數(shù)值模型，利用該模型在現(xiàn)場進行靜載荷實驗，在復合地基樁土互相作用機理下根據(jù)測試結(jié)果實現(xiàn)CFG樁復合地基承載力的預測，但是該方法沒有建立影響因素的指標體系，無法根據(jù)現(xiàn)有條件分析出它們之間存在的密切聯(lián)系，降低了預測的精準度。蔡慧娟[5]等人提出基于SVM-GA的地基承載力預測方法，該方法建立預測模型對地基承載力影響因素之間的關(guān)系進行模擬，在Autobank軟件中對土層的非圓弧滑動破壞現(xiàn)象進行演示，并根據(jù)模擬結(jié)果預測地基在不同工況下的承載力，但是該方法在建立預測模型之前，沒有分析不同狀況下各影響因素對復合地基承載力造成的影響，從而出現(xiàn)預測精度低的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出超高層建筑CFG樁復合地基承載力精準預測研究。通過密切分析CFG樁復合地基承載力的影響因素，并構(gòu)建LS-SVM預測模型來實現(xiàn)精準預測。

1 CFG樁復合地基承載力影響因素分析

1.1 孔隙比

設i代表的是孔隙比，可由顆粒體積與土體顆?？p隙體積計算得到[6]：

(1)

式中：Vv為顆粒本身的體積，mm3；Vs為土壤中顆?？p隙的體積，mm3。與其他樁基礎不同，土顆粒骨架是CFG樁復合地基受力的主體，CFG樁復合地基的承載力與內(nèi)部骨架空隙之間成反比。

1.2 液態(tài)指數(shù)

液態(tài)指數(shù)是測量土體堅硬程度的重要指數(shù)，又被叫做稠度指標，用Pn表示。狀態(tài)轉(zhuǎn)化可以通過液限和塑限進行衡量，液限描述的是塑形土體在水分含量增加情況下轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w形態(tài)的含水量，用SL表示。Pn的表達式為

(2)

IP=SL-SP

(3)

式中：IP為塑形參數(shù)；S為當時在土體中的水分含量。按照要求，當0≤Pn≤0.25時，土體呈硬塑狀態(tài)；當0.25≤Pn≤0.75時，土體呈可塑狀態(tài)；當0.75≤Pn≤1時，土體呈軟塑狀態(tài)，當Pn≥1時，土體呈流塑狀態(tài)[7]。

根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)，孔隙比和液態(tài)指數(shù)之間存在著密切的聯(lián)系，它們都可以直接影響復合地基承載力的特征值。

1.3 黏聚力

在分子狀態(tài)下，土壤顆粒間通過物理和化學反應在土壤中產(chǎn)生的作用力稱為粘聚力。土體在抵抗外力狀態(tài)下的極限剪應力稱為抗剪強度[8]。根據(jù)實驗結(jié)果可知，黏聚力一般有兩種形式，第一種是真黏聚力，另一種是表觀黏聚力。真黏聚力指的是在黏性土中土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而產(chǎn)生的抗剪強度，它的數(shù)值一般控制在5～10 kPa；表觀黏聚力很受土體中的水分含量影響，在干土中它的黏聚力數(shù)值大概在50～100 kPa，而遇到水之后，它的黏聚力會迅速下降，最低程度可達到5～20 kPa，所以黏聚力與土體中的孔隙比和液態(tài)指數(shù)都有著密切的聯(lián)系。

1.4 樁端阻力和樁周摩阻力

樁端阻力是指樁端深入硬土時受到的豎向阻力。摩阻力是指樁與土之間通過摩擦作用來消除樁端垂直荷載的力。根據(jù)CFG樁承載力原理，為了使樁體能更好地發(fā)揮樁端阻力，在保證樁周摩阻力的前提下，適當強度的土層能產(chǎn)生更有效的樁端阻力。CFG樁復合地基的設計理念是最大程度利用樁與土之間的荷載能力，降低它所帶來的負荷壓力，達到節(jié)約原材料的目的。

1.5 樁長

樁長也是影響復合地基的承載力的因素之一。樁周摩阻力與樁端阻力都與樁長有著密切聯(lián)系[9]，結(jié)果表明，當樁體越大時，樁周摩阻力就會加大。當樁端深入土體時，會產(chǎn)生較大的豎向阻力，大大提高了復合地基的承載力。當樁體越小時，樁周摩阻力就會變小，由于樁端土層硬度較小，豎向承載力不夠，樁土之間的承載力會增加。

1.6 樁體強度

選擇合適強度的樁體對CFG樁復合地基承載力至關(guān)重要，在選擇高強度樁時，不會很大程度影響預測效果，導致原材料的浪費。因此，樁的強度可按三倍強度選取。根據(jù)設計思路，確定超高層CFG樁的強度范圍為C15到C30。

1.7 褥墊層

根據(jù)最新的要求，褥墊層的厚度應該在0.4d～0.6d，d為樁體直徑。為了能更好地分散各部分的荷載，褥墊層中砂石應選用小顆粒且直徑要低于25 mm[10]。

褥墊層內(nèi)荷載均勻分布后，樁土共同受力，改變了以往單樁主體受力模式。如果褥墊層太薄，底部荷載會集中在樁身上，這樣樁體就會對地基產(chǎn)生影響，使樁體和土體雙方結(jié)構(gòu)都會被破壞。如果褥墊層過厚，不僅浪費資源，還會導致樁土之間受力不均。因此，合理選擇褥墊層可以使樁土能更好地發(fā)揮自身的荷載能力，加大預測效果。

1.8 面積置換率

復合地基的單位面積和樁截面面積的比值稱為面積替代率，樁截面面積和它所承擔樁土面積的總和稱為復合地基的單位面積[11]。一般面積置換率h的表達式為

(4)

式中：d為樁截面直徑，m；de為樁體承擔的單位面積的有效直徑，m。常規(guī)的樁體如圖1所示。

圖1 常見樁體布置圖

1.9 施工工藝

CFG樁施工技術(shù)由振動沉管成樁技術(shù)和長螺旋鉆孔成樁技術(shù)組成。振動沉管成樁技術(shù)具有噪聲低、樁間密實效果好、能適應較復雜地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)點。因此，在CFG樁復合地基中率先應用。該方法能有效降低孔隙比，優(yōu)化土壤環(huán)境。由于材料性能要求高，在拔出管樁、灌注樁體時，可能會造成樁身斷裂、樁體壓縮等危害，影響復合地基承載力。長螺旋鉆孔成樁技術(shù)具有較強的鉆孔優(yōu)勢，它采用的是非擠土方法，減少對樁土的攪動。該技術(shù)在長樁復合地基中得到廣泛應用[12]。

這兩種技術(shù)對CFG樁復合地基承載力的影響也是不同的。通過對樁和土的置換和壓實，振動沉管成樁技術(shù)可以增強土體強度。但應用不善時，也會破壞土體結(jié)構(gòu)，降低承載力。長螺旋鉆孔成樁技術(shù)廣泛應用于長樁中，具有噪聲低、對土性要求低等優(yōu)點。但在應用過程中需要防止地下水塌陷。

根據(jù)上述影響因素，建立影響復合地基承載力的因素體系，如圖2所示。

圖2 影響復合地基承載力因素體系

2 LS-SVM預測模型建立

采用以下方法建立復合地基承載力的預測模型：

(1)擬定參數(shù)變量；

(2)預算開始數(shù)據(jù)，得到最新的樣本；

(3)利用LS-SVM輸出樣本數(shù)據(jù)；

(4)采用交叉證明方法選取適當參數(shù)，來建立LS-SVM預測模型；

(5)應用該模型對復合地基承載力進行預測。

y=f(x)=wTφ(x)+b

(5)

式中：w為特征空間的權(quán)向量；b∈R為偏置。那么復合地基承載力LS-SVM模型特征空間中的優(yōu)化問題就由非線性函數(shù)的預測問題所表達[14]：

(6)

關(guān)于公式(6)的復合地基承載力優(yōu)化問題，可以加入拉格朗日函數(shù)：

(7)

式中：ak∈R為拉格朗日乘子。優(yōu)化上述復合地基承載力預測公式，使得L對w,b,ξ,a偏導數(shù)為0，即

(8)

式(8)中針對k=1,2,…,l，消去w，ξ為變量，得到復合地基承載力函數(shù)的線性系統(tǒng)[15]：

(9)

式中：Il=(1,1,…,1)T,a=(a1,a2,…al)T；Ω可定義為Ω=(Ωkj)lkl，其中Ωkj=φ(xk)Tφ(xj),k,j=1,2,…,l。根據(jù)Mercer條件，使得復合地基承載力映射函數(shù)和核函數(shù)φ公式成立：

ψ(xk,xj)=φ(xk)Tφ(xj)

(10)

通過整理優(yōu)化得出復合地基承載力LS-SVM模型函數(shù)為

(11)

通過得到的復合地基承載力LS-SVM模型函數(shù)對復合地基的承載力進行預測。

3 實驗與分析

為了驗證超高層建筑CFG樁復合地基承載力精準預測研究的整體有效性，需要對超高層建筑CFG樁復合地基承載力精準預測研究的方法進行測試，本次測試在CAE模塊上利用ABAQUS有限元軟件完成。分別采用超高層建筑CFG樁復合地基承載力精準預測研究(方法1)、基于MIDAS/GTSNX的地基承載力預測方法(方法2)和基于CPTU測試的地基承載力預測方法(方法3)在不同情況下對復合地樁承載力進行預測，得到預測結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 不同褥墊層厚度下的沉降量

分析圖3中的數(shù)據(jù)可知，當褥墊層厚度不同時，方法1預測復合地基沉降量與實際結(jié)果更吻合，方法2和方法3預測復合地基沉降量與實際結(jié)果存在較大誤差，因為方法1對復合地基承載力的影響因素進行了詳細的分析后建立起LS-SVM預測模型，總結(jié)出各個因素的特點，而方法2和方法3缺少這些環(huán)節(jié)，直接對復合地基承載力進行預測，導致與實際結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

分析圖4中的數(shù)據(jù)可知，當樁體長度不同時，方法1預測復合地基沉降量與實際結(jié)果基本吻合，方法2和方法3預測復合地基沉降量與實際結(jié)果存在較大誤差。因為方法1建立了影響因素的指標體系，根據(jù)指標體系分析出它們之間存在的密切聯(lián)系，大大提高了預測的精準度。

圖4 不同樁體長度下的沉降量

分析圖5中的數(shù)據(jù)可知，當荷載強度不同時，方法1預測樁土應力比與實際結(jié)果更吻合，因為方法1在建立預測模型之前，根據(jù)實驗模擬過程，總結(jié)了不同狀況對承載力造成的影響，避開所有不利因素，提高了預測精度。

圖5 不同荷載下的樁土應力比

將相對誤差值作為測試指標，對方法1、方法2和方法3進行測試，相對誤差值的表達式為

(12)

得到方法1、方法2和方法3的相對誤差測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 相對誤差測量結(jié)果

分析圖6中的數(shù)據(jù)可知，在多次迭代中方法1的相對誤差值相比于其他兩種方法更小，因為方法1建立了預測指標體系模型，該模型可廣泛應用于小樣本檢測中，對輸入輸出數(shù)據(jù)嚴格把控，確保了預測的精準度，大大降低了相對誤差值。

4 結(jié) 語

CFG樁復合地基預測方法是所有地基中公認的一種方法，作為一個重要的研究方向，其承載力預測也被廣泛應用于各種工程和施工領(lǐng)域中。因此，提出合理有效的超高層建筑CFG樁復合地基承載力精準預測研究方法具有重要意義。利用目前方法對復合地基承載力進行估算，很難獲得與實際情況相符的準確值。在此基礎上，很難實現(xiàn)對復合地基承載力的預測。提出超高層建筑CFG樁復合地基承載力精準預測研究方法，首先對CFG樁復合地基承載力各個影響因素之間進行分析，了解到它們之間存在的密切關(guān)聯(lián)性，最終通過建立的模型預測超高層CFG樁復合地基承載力。該方法解決了以往方法中存在的問題，為CFG樁復合地基承載力的預測提供了很好的科學保障。