基于FLAC的長短樁復合地基三種樁型比較研究

王磊釗

長短樁是復合地基的一種。有人單從樁長考慮,認為不同長度的樁組成的樁體復合地基稱為長短樁復合地基。有人從復合地基的樁土單元來說,認為有兩種不同類型的樁與土組成的三元組合型復合地基稱為長短樁復合地基[1]。根據復合地基在荷載作用下的位移場特征和變形特征可知,長短樁復合地基較好的發揮了地基土體的承載力和增強體在提高承載力和減少沉降方面的潛力[2]。長短樁復合地基可做到淺層置換率高,深部置換率低,這樣就合理地滿足了軟弱地基不同深度對地基承載力的要求。長短樁淺部地基置換率高,加固區復合模量大,深部地基置換率低,復合地基模量較低,正好適應淺部附加應力大,深部附加應力小的位移場,這樣對減少軟弱地基沉降有利[3]。同時,長短樁在復合地基中還具有較好的經濟效益優勢。本文擬建立長短樁復合地基三種不同空間布置樁型的有限差分模型,根據數值模擬,對三種樁型的工作特點進行對比分析。

1 長短樁復合地基樁體三種不同空間布置樁型的比較研究

1.1 模型的建立

設定土體寬80 m,高50 m,為均質各向同性的摩爾—庫侖彈塑性模型單元;土體左右邊界,底部邊界固支;在承臺頂部施加均布壓力P=300 kPa;樁基為理想彈性模型。

樁型①:長樁、短樁相間的長短樁復合地基,承臺寬 11 m,厚0.5 m;墊層寬11 m,厚0.3 m;長樁樁長20 m,樁徑為0.5 m,樁間距2 m,共4根等間距布置;短樁樁長10 m,樁徑為0.5 m,樁間距2 m,共3根等間距布置。樁型②:短樁居中的長短樁復合地基,承臺寬 11 m,厚 0.5 m;墊層寬 11 m,厚 0.3 m;長樁樁長20 m,樁徑0.5 m,共2根布置于承臺兩邊;短樁樁徑0.5 m,共5根,3根等間距布置于承臺中心位置,樁長10 m,其他2根樁長15 m。7根樁等間距布置,間距為1 m。樁型③:長樁居中的長短樁復合地基,承臺寬11 m,厚0.5 m;墊層寬11 m,厚0.3 m;長樁樁長20 m,樁徑0.5 m,共3根等間距布置于承臺中心;短樁樁徑0.5 m,共4根,樁長15 m,10 m,階梯式由長到短從中心向邊緣布置。7根樁等間距布置,間距為1 m。

1.2 應力對比分析

應力分布如圖1所示:樁型a),長樁軸力分布較大,特別是邊樁軸力最為集中,長樁樁端出現較長條帶狀的應力集中區,所有長樁樁端應力集中區,有連接在一起的趨勢,基礎端一定范圍內應力比較集中;短樁分擔部分基礎壓力,各樁樁端存在較短的應力帶,但均未連成一片。樁型b),基礎兩側的長樁,軸力較為集中,長樁樁端出現較長條帶狀的應力集中區,基礎端一定范圍內應力比較集中;短樁分擔部分基礎壓力,各樁樁端存在較短的應力帶,樁端明顯的形成一片應力集中區。樁型c),中間長樁,軸力較為集中,長樁樁端存在明顯的應力集中區;短樁應力也較為集中。

通過三種樁型布置方式模型塑性屈服的FLAC模擬研究發現樁型a),長樁樁端出現塑性屈服集中區,短樁樁端均未出現,基礎底部一定深度范圍內,塑性屈服區寬度相當于承臺寬度,下部塑性屈服區以某一放射角梯形開展。樁型b),基礎兩側的長樁,次長樁出現塑性屈服集中區,短樁樁端均未出現,塑性屈服區在先縮小到長樁端后以某一放射角梯形開展。

綜上所述,樁型a),更容易把應力均勻的向下傳遞給土體;樁型b),能夠把應力集中在基礎中心位置,應力影響深度較其他兩種樁型小;樁型c),長樁、短樁的應力都比較集中,有利于提高樁的工作效率,同時其樁形分布類似于平板基礎的應力分布,有利于調節基礎應力的分布。

1.3 應變對比分析

三種樁型沉降監測見表1。

表1 三種樁型沉降監測 mm

通過三種樁型布置方式模型豎向應變的FLAC模擬研究及沉降數據對比分析,發現樁型a)具有較好整體模量,在減少沉降,減小不均勻沉降方面有較好的優點;樁型c)能夠有效的減小不均勻沉降,但是整體上的減小沉降不及樁型a)。

2 結語

1)樁型a),更容易把應力均勻的向下傳遞給土體;樁型b),能夠把應力集中在基礎中心位置,應力影響深度較其他兩種樁型小;樁型c),長樁、短樁的應力都比較集中,有利于提高樁的工作效率,同時其樁形分布類似于平板基礎的應力分布,有利于調節基礎應力的分布。2)樁型a),具有較好的整體模量,在減少沉降,減小不均勻沉降方面有較好的優點;樁型c),能夠有效的減小不均勻沉降,但是整體上的減小沉降不及樁型a)。

[1] 龔曉南.復合地基設計和施工指南[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 施尚偉.深厚軟土地區長短樁復合地基工程性狀研究[D].杭州:浙江大學碩士學位論文,2006.

[3] 趙明華,張 玲,李立新,等.長短樁復合地基沉降計算方法研究[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2005,21(4):310-314.

[4] 李振川,王 偉.復合地基沉降控制研究[J].山西建筑,2008,34(1):117-118.