淺析樁與土體間的相互作用

摘 要：建筑工程的建設過程中，樁基礎的設計尤為重要，樁基礎承載著整個建筑的上部的主要荷載，土與樁基礎之間的作用是提升承載力的。本文通過用PLAXIS 3D軟件進行有限元模擬在樁基處于一定的荷載作用下，分析樁基礎與土體間的相互影響，通過軟件計算出樁的最大應力及土的最大位移；以便在實際工程中更好的利用天然地基的承載力，從而在保證其安全的條件下，減少樁基礎的用量，節(jié)約資源。

關鍵詞：樁基；土體；PLAXIS 3D；相互作用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.091

1 前言

建筑工程的建設過程中，樁基礎的設計尤為重要，樁基礎承載著整個建筑的上部的主要荷載，土與樁基礎之間的作用是提升承載力的。通過考慮樁基礎與土體間的相互作用，更加充分發(fā)揮天然地基承載力，從而減少樁的使用量，提高工程的經濟效益[1-2]。樁基礎與土體間的相互作用是現在工程中出現的一個重要的問題，國內已經有很多學者對樁土間的相互作用進行了研究[3-4]。陳順偉等[5]通過使用ANSYS有限元軟件，建立模型，施加動靜荷載，使用有限元分析法，從而分析樁與土體間的相互作用，分析兩者間的力學特征。王春等[6]通過對工程實例的具體分析，發(fā)現了目前樁土模型在設計計算過程中存在著一定的局限性，并提出一個使用程序計算樁土之間相互作用的模型。戴民等[7]通過研究樁與土之間相互作用的理論意義，對國內外樁土之間相互作用做出了詳細的總結。

2 模型建立

本文采用一款已經在巖土工程項目廣泛使用的有限元計算軟件PLAXIS 3D進行樁基礎的模型建立。采用10節(jié)點三角單元進行模擬土體，首先對該模擬樁基礎所在場地（幾何尺寸為：80mx60mx30m）的土層進行劃分。如圖1所示，將該場地土層分為三層，最上面一層為沙土層頂部為±0m，底部為-5 m；中間層為碎石層，頂部-5 m，底部-10 m；第三層為粘土層，頂部-10 m，底部-30 m。地下水位位于-8米處，并設有地下水頭。為模擬樁基礎與土體間的相互作用，數值模擬過程中分為樁孔的開挖與樁體的建造、承臺板的建造、上部荷載施加。為更清楚反應出樁對土體的影響分布情況。設置六根獨立樁，樁體尺寸：D=0.8m、H=19m，樁間距為4m，采用1m厚承臺板將其進行整體連接。模擬過程網格劃分如圖2所示，并對局部網格進行加密。荷載施加在承臺板上，荷載采用逐漸增大的方式進行施加最終增加至500kN/m2。通過有限元軟件計算得到樁體與土體間的應力與位移。

3 模型計算

土體采用的模型是Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，并滿足不相關聯流動法則和材料張力限值。Mohr-Coulomb為：

相應的勢函數為：

式中：

為土的內摩擦角；c為黏聚力；φ是剪脹角；為t時刻應力第1不變量；為t時刻偏應力第2不變量；為t時刻偏應力第3不變量。

通過一系列的計算，荷載由-10.24KN/m2開始增大到7993 KN/m2土體開始出現應力集中分布現象如圖3，此時樁基礎的最大位移為0.6577m如圖4，相應的最小孔隙水壓力為-7776，最大為8036.如圖5所示。如圖中所示，樁基礎周圍的土出現應力集中，停止施加荷載，在該結構模擬的過程中，發(fā)現應力及孔隙水壓力主要出現在樁頂及樁底部。若要使樁基礎承受更大的荷載，可主要處理樁基的頂部和底部，加強兩端的承受應力集中的能力。從而使天然土基的承載力得到更加充分的利用。

4 工程實例

某項目為住宅建筑工程，采用的是樁基礎的施工技術，充分利用

樁與土之間的相互作用，樁基礎的安全等級為二級，工程地質情況從上向下依次為沙土、雜填土、粘土、淤泥等，地質情況比較特殊，所以采用兩種樁型：灌注樁和預制樁，灌注樁長23-27m，樁徑為700mm、800mm.樁體用C30 混凝土，每根樁的極限承載力大約為1200KN.預制樁則采用混凝土強度等級為C80的預應力混凝土樁，樁徑為500mm，壁厚為125mm，每根樁的設計承載力為大約1800KN，采用錘擊法，樁長為20-25m.并確保地基中的粘土在物理化學反應的條件下形成堅固的土拱，在土拱的上部挖一條地溝以便地下水的排出。該項目充分利用樁與土之間的相互作用，最大限度的提升了天然地基的承載力，有效的結合樁型，減少了混凝土的用量，降低了資源的浪費。

5 結論

作為建筑施工的重要部分，樁基礎在滿足承載力設計的要求下，要嚴格控制沉降，剛柔復合樁基與天然地基的相互作用，可以更有效的減少樁的沉降，與樁基礎相互作用更有效的提高承載力。

（1）樁與土之間相互作用的前提是樁基礎之間的地基土的壓縮量是樁自身的壓縮量和樁斷刺入量的總和。在確定樁頂荷載的設計時，設計承載力一般大于單樁承載力特征值。結合結構的允許沉降值，由不同作用力水平下基礎沉降的設計值來確定樁頂荷載的設計。

（2）本文研究的樁與土間的相互作用，充分發(fā)揮樁間土的承載力，達到節(jié)約樁的目的。在本文工程實例中，用樁量節(jié)約1/3，樁間土可分擔8%的荷載，且能正常使用。既滿足了安全需要，也達到了較好的經濟效益。

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[6]王春，王宏東.樁-土作用模型在橋梁設計中的研究與應用[J].工程與建設，2007（05）：770-772.

[7]戴民，周云東，張霆.樁土相互作用研究綜述[J].河海大學學報（自然科學版），2006（05）：568-571.

作者簡介：劉振江（1981-），男，天津人，碩士研究生，工程師，主要從事水利水電工程勘察工作。