引水暗渠濕陷性黃土-灰土擠密樁復合地基靜力特性

張富鈞，田丹丹，許 健

(1.甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學工學院，甘肅 蘭州 730070)

1 引水暗渠工程地質條件及灰土擠密樁基礎

本工程Ⅱ型暗渠地處隴西縣黃土高原地貌區之黃土低山丘陵分區。處于內官—香泉山間斷陷盆地內，涉及到的地層主要為第四系松散堆積物，其中黃土類土廣泛分布。總體地勢西南高、東北低，海拔高程2 050～2 270 m，相對高差一般小于200 m。

渠基土主要為黃土狀粉質壤土。渠基巖性為褐黃色、淺黃色粉質壤土，成分以粉粒為主，次為砂粒和粘粒，土質均勻，結構疏松，其工程性狀與黃土極為相似。其干密度為1.16～1.38 g/cm3，孔隙比0.95～1.328，塑性指數10.2～16.8。滲透系數(0.64～7.25)×10-4cm/s，壓縮模量2.41～25 MPa，壓縮系數0.15～1.28 MPa-1，濕陷系數0.044～0.173，自重濕陷系數0.018～0.166，屬中高壓縮性、弱透水性、強濕陷性土，具有自重濕陷性。屬Ⅲ～Ⅳ級(嚴重～很嚴重)自重濕陷性場地，作為渠道地基土存在濕陷變形和凍脹破壞問題。

對于暗渠工程濕陷性地基，采用灰土擠密樁進行地基處理，以提高地基承載力。樁基礎處理寬度為7.4 m。樁中心間距40 cm，樁徑20 cm，樁長5 m。灰土比例為3∶7。每三個中心樁構成一個等邊三角形，擠密樁施工采用梅花形布置。

2 單樁與土相互作用模型的建立

2.1 引水暗渠及灰土擠密樁基礎的幾何模型建立

定西市隴西縣馬河鎮Ⅱ型暗渠樁基礎處理采用直徑200 mm的灰土擠密樁，樁長5 m，處理寬度為7.4 m，采用3∶7灰土，樁孔采用梅花型布置。樁上承臺中部為凹曲面，承臺左右兩端厚度為1.012 m，中心高度為0.5 m,采用3∶7灰土和M10水泥砂漿。每三個中心樁構成一個等邊三角形，一排19個樁，一排18個樁，重復布置，見圖1。

圖1 灰土擠密樁及上部暗渠模型圖

2.2 網格劃分

當創建幾何模型后，對幾何模型進行網格劃分就會生成有限元模型，然后才能用于計算分析。

上面的樁采用自上而下的建模方式直接生成實體。然后對其圓柱體進行網格劃分使其幾何模型生成有限元模型，在其網格劃分過程中要對圓柱體進行兩次切分，用六面體單元劃分網格，選擇映射網格劃分類型，對每條圓周線和每條柱面側線設定合理的網格劃分數，之后對圓柱體進行網格劃分。網格劃分后的圖形上每四個邊構成一個單元，每個單元上有四個節點。這樣網格劃分后模型就生成很多單元和節點。

3 單樁—土相互作用的靜力分析

3.1 基本參數

為了模擬方便，本文做的是二維樁土接觸問題，所以把圓柱樁調整為塊體樁(圓面積與方形面近似換算)，塊體樁的直徑也為200 mm。

取單位長度的暗渠段，結合其實際工程數據：夯填黃土的容重15.5 kN/m3和普通混凝土的密度為2 500 kg/m3及鋼筋的直徑和長度等。計算出上部暗渠和土的總荷載，再得到每根樁上所承擔的荷載，經計算每根單樁施加25 000 N/m的線荷載。同時施加了樁土的自重。

3.2 數值計算模型

本文以暗渠每跨長10 m為單位，計算出每根樁所需承擔的豎向線荷載，建立單樁—土的二維有限元模型。樁徑取200 mm，考慮到樁土相互作用的影響范圍，單樁周圍土體計算范圍沿樁兩側分別擴展樁徑的5～10倍，地基基礎取14 m(將近是樁長的3倍)。本文樁和土均采用2 維實體結構單元PLANE42。為模擬樁土之間的錯動滑移，在它們之間設置了TARGE169和CONTA172接觸單元。由于接觸單元不宜終止于樁端處，所以在樁端處另設一層橫向接觸面單元 (TARGE169和CONTA172接觸單元)與之相交。整體模型劃分為295個單元，在模型側向施加了水平和法向約束，底面施加了法向約束。由于建立的是二維樁土模型，所以用方樁來代替實際工程中的圓樁。圖2為整體模型網格劃分。

3.3 樁—土位移變化和應力分布分析

對于單樁-地基土的相互作用機理進行分析，得出豎向荷載作用下樁土整體的豎向位移和軸向應力圖，如圖3所示。

圖2 樁—土模型網格劃分圖

圖3 樁—土在Y方向的位移圖

把豎向載荷施加到樁頂時，樁體上部先受壓而產生相對于土向下的位移，由于相對土向下的位移而導致樁周圍土對樁側界面有向上的摩阻力。載荷沿樁身向下傳遞的過程就是不斷克服摩阻力并通過它向土中擴散的過程，從而導致樁體的軸力隨深度的增加逐漸減少。

從圖3可以看出，在豎向荷載作用下，樁體發生的最大位移為0.420 5 cm。土體形成以樁為中心的沉降盆，靠近樁身附近的土體沉降較大，靠樁頂近的土體沉降大于靠近樁端的沉降，最大沉降發生在靠近樁頂的樁周土體，約0.373 8 cm。這是由于當樁頂荷載足夠大時，樁周局部土體剪應力達到極限，在此處樁身與樁周土之間就會產生滑移，從而使樁與土的沉降位移不協調。

從圖4可以看出，在豎向荷載作用下，樁身壓應力沿其深度的增加逐漸增大。當樁頂賦予相應的豎向荷載時，離樁身最近的土體由于受樁身的影響也有向下的壓應力，土的壓應力也隨著深度的增加而增大，相應的，在土體兩端(主要是上部分土體)會產生向上的拉應力，上部兩端土體拉應力最大。

3.4 暗渠樁基礎參數分析

(1)樁長的變化

一般地，在實際工程當中，當樁長較小時，樁端部未進入粉砂巖持力層，此時以摩擦樁受力為主；而在樁長較大時，樁端部進入粉砂巖持力層，此時以端承樁受力為主。對于本工程來說，渠基土體為黃土狀粉質壤土，而且樁長較短，所以以摩擦樁受力為主。由于本工程的樁長(L=5 m)已為灰土擠密樁設計規范中的最小樁長，所以選取樁長L=6 m、L=7 m、和L=8 m三種樁長與實際工程情況作比較，得到以摩擦型受力為主的灰土擠密樁的樁身變形和樁端的應力變化。如圖5所示。

圖4 樁—土在Y方向的應力圖

圖5 樁身變形圖

從圖5、圖6可以看出，當樁長不斷增加時，樁的沉降有所減小，當樁長為6 m時樁的沉降減小明顯，相對樁長為5 m時減小0.1 mm，說明本工程的有效樁長沒有達到最佳，在類似工程中的樁長也可設計為6 m；而當樁長由7 m增加到8 m時，樁的沉降減小僅為0.02 mm。當樁長增加太大時,復合地基變形減小幅度將降低，樁側摩阻力已經很小或者近似為零，這時增加樁長沒有實際意義。隨著樁長的增加，樁身的應力也發生著變化，由此可見，樁長也是影響荷載傳遞的重要因素。

(2)樁徑的變化

由于實際工程樁徑200 mm已經是樁徑設計規范最小值，所以分別選取樁徑D=300 mm、D=400 mm、和D=500 mm三種情況與實際工程作比較，分析樁土變形及相關點的應力變化。如圖7、8所示。

圖6 樁端一點與土接觸處樁的應力圖

圖7 樁身變形圖

從圖7、圖8可以看出，當取樁徑D=200 mm和300 mm時，樁身的變形和樁土的應力變化都不是太明顯，但當樁徑增加到400 mm時對樁體的位移和土體的應力影響較大，樁體下沉明顯。所以，灰土擠密樁的樁徑設計的太大并不是最經濟的。

(3)樁間距的變化

為分析樁間距不同時樁土變形和應力變化，建立了三樁與土體二維模型。如圖9、10所示。

圖8 樁身一點與土接觸處土體的應力圖

圖9 樁間距為400 mm的樁-土有限元模型

分別選取樁間距D=100 mm、D=300 mm、D=400 mm和D=500 mm四種情況，與實際工程樁間距D=200 mm作比較，分析樁土位移及相關點的應力變化。如圖11所示。

從圖10、圖11可以看出，由于樁的承載力要比土的大的多，所以當樁間距越大時，每根樁分擔的均布荷載就越大，樁身下降位移也就越來越大，樁土連接處土體應力也隨樁間距增大而增大。樁間距的增加不利于減少樁土的沉降，當樁間距增加到300 mm以上時，樁的下沉和土體應力增加都非常明顯。但當樁間距減小為100 mm時，這時樁身下沉不明顯，而且樁間距過小，會造成浪費，而且100 mm的樁間距會給實際施工中帶來技術困難，所以過度縮小樁間距是沒有必要的。

圖10 樁身變形圖

圖11 樁身一點與土接觸處土體應力圖

(4)土的性質

分別取不同土體彈性模量為：E=100 MPa，E=400 MPa，E=800 MPa三種情況，與實際工程E=200 MPa作比較。如圖12、13所示。

圖12 樁身變形圖

圖13 樁端一點處應力圖

從圖12、圖13可以看出，土體剛度越大，樁沉降越小；當土體的剛度越來越大時，這時就與樁體的剛度越來越接近，當土體的彈性模量增加到E=800 MPa時，樁側阻力越來越大，所以樁體的壓應力表現為逐漸下降的趨勢。

(5)樁的布置

樁的布置方式的不同，會對地基基礎的變形和應力分布產生較大影響。一般傳統的布置方式為矩形布樁，而矩形布置方式根據樁徑和樁的數量不同又會產生不同布置方式；在有些工程里面為了減少差異沉降會采用“內強外弱”的布樁方式，即樁徑由內部、中部和外部依次減小的布置方式。

4 結 論

本文通過對引水暗渠濕陷性黃土—灰土擠密樁復合地基在豎向荷載作用下的樁—土相互作用分析。得出樁土的變形和軸向應力變化。隨后又分析樁長、樁徑、樁間距及土的性質這些參數，分別取這些參數不同值的情況下，得到結果與實際工程作比較，從而得出每一參數的變化對樁身下沉和樁土應力變化的影響，為深入了解上部結構性能和相關工程設計以及樁的承載力的計算提供參考依據。

[1] 陳希哲. 土力學地基基礎[M]. 北京: 清華大學出版社, 2004.

[2] 董玉文. 灰土的工程性能及灰土樁復合地基有限元分析[D] . 西安: 西北農林科技大學, 2000.

[3] 王新敏. ANSYS工程結構數值分析[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.