參數變化對多元復合地基承載力發揮系數的影響*

王仙芝 鄭俊杰 王龍飛

(廣東水利電力職業技術學院水利系1) 廣州 510635) (華中科技大學土木工程與力學學院2) 武漢 430074)

(武漢理工大學土木工程與建筑學院3) 武漢 430070)

承載力發揮系數又稱為承載力折減系數或強度發揮系數,是反映樁、樁間土承載力發揮程度及樁土共同工作的一個重要參數.它不僅與樁間土、樁端土及樁周土的強度和變形性質有關,還受樁身強度與變形、樁長、樁的密度、褥墊層厚度等多種因素的影響,所以其值的選取很困難[1].

對于柔性樁或剛性樁單一樁型復合地基,規范或手冊建議樁的承載力折減系數取1,樁間土的承載力折減系數小于或等于1[2-3].對多元復合地基,樁可分為主樁和次樁(輔樁),一般認為主樁承載力充分發揮,次樁承載力部分發揮,要確定多元復合地基承載力,就要同時選取次樁承載力發揮系數和樁間土承載力發揮系數[4].而對多元復合地基承載力發揮系數如何取值,則更為不易.近年來有學者開始著手這方面的研究工作,文獻[5]從單一樁型復合地基關于樁間土承載力發揮系數與樁土應力比的關系式出發,提出了多元復合地基次樁和樁間土承載力發揮系數的一般解法.楊明等人[6]根據水泥土長短樁復合地基試驗結果,對單樁復合地基和長短樁復合地基的樁間土承載力發揮系數取值范圍進行了對比研究,得到了長短樁復合地基樁間土承載力發揮系數的計算方法.這些計算方法為多元復合地基的設計計算提供了一定的參考,但它們都是在很多近似和假設條件下推出的,目前還不能應用于實際工程當中.

為了闡明多元復合地基的工作性狀,葛忻聲[7]、梁發云[8]、楊樺[9]等人曾對多元復合地基作了一些研究工作,揭示了多元復合地基的某些工作性狀,但所建的模型比較簡單,對實際情況作了太多近似.為了使計算分析能夠真實反映多元復合地基的工作機理,樁、土、墊層、承臺的設計參數采用了模型試驗中[10]的實測數據,有些不易通過試驗實測的數據,則通過試驗結果進行反演試算來確定.本文結果是利用有限元軟件ANSYS來模擬計算的,由于劃分單元較多(共有168 712個單元),為了提高計算速度,利用對稱性,取下述模型的1/4進行計算.多次試算結果表明,本文建立的數值模型比較合理.

1 模型的建立

為了便于對比分析,將多元復合地基分為均質地基和多層地基兩組,本文以雙層地基(上軟下硬)為例.每組再分別研究設計參數變化對多元復合地基承載力發揮系數的影響.

1.1 均質地基情況下的基本模型

1.1.1 模型圖 均質地基情況下的基本模型如圖1和圖2所示.

圖1 均質地基模型剖面示意圖

圖2 基本模型平面示意圖(單位:m)

1.1.2 模型及參數確定

1)土體 選用Drucker-Prager彈塑性材料(D-P材料)來模擬土體的彈塑性行為.土體參數取室內模型試驗土體的實測參數:E=8 MPa,μ=0.3,c=0.002 M Pa,φ=28°,ρ=1.850 ×103kg/m3.土體尺寸長42m 、寬42 m、厚48 m.

2)樁體 樁體選用線彈性模型,主樁E=25 GPa,μ=0.2;次樁 E=0.2GPa,μ=0.25.模型樁均取方樁,主樁樁長16 m,截面邊長400 mm;次樁樁長10 m,截面邊長300 mm.

3)褥墊層及承臺 褥墊層及承臺均選用線彈性模型,褥墊層E=0.1GPa,μ=0.3;承臺E=210GPa,μ=0.26.褥墊層長 2.0 m 、寬 2.0 m 、厚300 mm;承臺長2.0m、寬2.0m、厚 50 mm.

4)單元選擇 土體、樁體、墊層及承臺均選用空間8節點等參塊體單元;樁與土體、樁與墊層之間的接觸通過接觸對實現,采用庫侖摩擦模型來描述接觸面間摩擦行為.通過模型試驗結果模擬反演得到接觸面的摩擦系數為0.2.

1.2 多層地基情況下的基本模型

1.2.1 模型圖 多層地基情況下的基本模型如圖3所示,本文以雙層地基為例.

1.2.2 模型及參數確定 土體選用D-P材料來模擬土體的彈塑性行為.上層土體參數為:E=8 MPa,μ=0.35,c=0.01 M Pa,φ=28°,ρ=1.850 ×103kg/m3.土體尺寸長42m、寬 42m、厚 16 m;下層土體參數取:E=80 MPa,μ=0.3,c=0.04 MPa,φ=25°,ρ=1.970×103kg/m3.土體尺寸長42m 、寬 42m 、厚 32 m.

樁體、褥墊層及承臺模型參數的確定同均質地基情況.土體、樁體、褥墊層及承臺的單元選擇同均質地基情況;樁與土體、樁與墊層之間的接觸面單元設置也同均質地基情況.

2 模擬結果與分析

承載力發揮系數為多元復合地基處于承載力特征值時樁及樁間土的承載力與孤立狀態下樁及樁間土的承載力特征值的比值.顯然,承載力發揮系數反映了主樁、次樁和土直接參與承載的能力和程度,它受諸多因素影響,如成樁工藝、樁端土、樁周土性質、褥墊層設置、樁身強度、樁長、樁土剛度比等.本文主要考慮在均質地基和多層地基情況下的設計參數變化對多元復合地基次樁及樁間土的承載力發揮系數的影響.

1)主樁樁徑(邊長) 在均質地基和多層地基情況下的多元復合地基承載力發揮系數隨主樁邊長變化如圖4所示.由圖可見,在均質地基和雙層地基情況下,隨著主樁邊長的增加,次樁及樁間土承載力發揮系數均減小;且雙層地基情況下,次樁及樁間土承載力發揮系數減小的幅度較大.

圖4 多元復合地基承載力發揮系數與主樁邊長關系

2)次樁樁徑(邊長) 在均質地基和多層地基情況下的多元復合地基承載力發揮系數隨次樁邊長變化如圖5所示.由圖可見,在均質地基和雙層地基情況下,隨著次樁邊長的增加,次樁承載力發揮系數均變化很小,而樁間土承載力發揮系數均迅速增大.

圖5 多元復合地基承載力發揮系數與次樁邊長關系

3)次樁樁長 在均質地基和多層地基情況下的多元復合地基承載力發揮系數隨次樁樁長變化如圖6所示.由圖可見,在均質地基和雙層地基情況下,隨著次樁樁長的增加,次樁承載力發揮系數在緩慢增加;在均質地基情況下,隨著次樁樁長的增加,樁間土承載力發揮系數也在緩慢增加,而在雙層地基情況下,隨著次樁樁長的增加,樁間土承載力發揮系數在迅速增加.

圖6 多元復合地基承載力發揮系數與次樁樁長關系

4)主樁模量 在均質地基和多層地基情況下的多元復合地基承載力發揮系數隨主樁模量變化如圖7所示.由圖可見,在均質地基和雙層地基情況下,隨著主樁模量的增加,次樁承載力發揮系數和樁間土承載力發揮系數變化很小.

圖7 多元復合地基承載力發揮系數與主樁模量關系

5)次樁模量 在均質地基和多層地基情況下的多元復合地基承載力發揮系數隨次樁模量變化如圖8所示.由圖可見,在均質地基和雙層地基情況下,隨著次樁模量的增加,次樁及樁間土承載力發揮系數均變化較小.

圖8 多元復合地基承載力發揮系數與次樁模量關系

6)褥墊層厚度 在均質地基和多層地基情況下的多元復合地基承載力發揮系數隨褥墊層厚度變化如圖9所示.由圖9可看出:在均質地基和雙層地基情況下,隨著褥墊層厚度的增加,次樁承載力發揮系數均均緩慢增加,而樁間土承載力發揮系數均先緩慢增加后變化很小.

圖9 多元復合地基承載力發揮系數與褥墊層厚度關系

7)褥墊層模量 在均質地基和多層地基情況下的多元復合地基承載力發揮系數隨褥墊層模量變化如圖10所示.由圖可見,在均質地基和雙層地基情況下,隨著褥墊層模量的增加,次樁承載力發揮系數均緩慢減小;在均質地基情況下,隨著褥墊層模量的增加樁間土承載力發揮系數緩慢減小,而在雙層地基情況下,隨著褥墊層模量的增加樁間土承載力發揮系數緩慢增加.

圖10 多元復合地基承載力發揮系數與褥墊層模量關系

由以上參數分析結果還可以看出:主樁、次樁的置換率對承載力發揮系數影響較大;其次是次樁樁長;主樁、次樁模量、褥墊層厚度和褥墊層模量對承載力發揮系數影響相對較小.在本文模型條件下,次樁承載力發揮系數在0.61～0.79之間,樁間土承載力發揮系數在0.78～1.0之間.

3 結 論

1)本文結合室內模型試驗和理論研究成果,考慮了土的彈塑性和樁、土接觸的高度非線性行為,建立了比較合理的高度非線性數值模型.

2)關于參數變化對多元復合地基承載力發揮系數的影響作了較系統的研究,得出了有利于多元復合地基工程設計及理論研究的一些結論.

3)主樁、次樁的置換率對承載力發揮系數影響較大;其次是次樁樁長;主樁、次樁模量、褥墊層厚度和褥墊層模量對承載力發揮系數影響相對較小.在本文模型條件下,次樁承載力發揮系數在0.61～0.79之間,樁間土承載力發揮系數在0.78～1.0之間.

[1]葉洪東.粉噴樁復合地基樁間土承載力折減系數的探討[J].巖土力學,2006,25(4):663-665.

[2]中國建筑科學研究院.JGJ79—2002建筑地基處理技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3]葉書麟.地基處理工程實例應用手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[4]馬 驥,張東剛,張 震,等.長短樁復合地基設計計算[J].巖土工程技術,2001,(2):86-91.

[5]鄭俊杰,韓 超,王仙芝.求解多元復合地基承載力發揮系數的新方法[J].華中科技大學學報:城市科學版,2007,24(3):1-3.

[6]楊 明,張可能,楊慶光,等.長短樁復合地基承載力發揮系數取值研究[J].防災減災工程學報,2009,29(1):77-82.

[7]葛忻聲,龔曉南,張先明.長短樁復合地基有限元分析及設計計算方法探討[J].建筑結構學報,2003,24(4):91-96.

[8]梁發云.混合樁型復合地基工程性狀的理論與試驗研究[D].上海:上海交通大學建筑工程與力學學院,2004.

[9]楊 樺.長短樁組合樁基礎工作性狀及工程設計問題研究[D].上海:同濟大學土木工程學院,2006.

[10]王仙芝,鄭俊杰,王龍飛,等.混凝土樁與石灰樁多元復合地基室內模型試驗研究[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2008,32(5):838-841.