褥墊層參數對剛性樁復合地基受力特性的影響分析

姚亞卿

中鐵時代建筑設計院有限公司 安徽 蕪湖 241000

引言

褥墊技術是剛性樁復合地基的關鍵性技術之一，它保證了樁、土共同承擔荷載，還能調整樁、土荷載分擔比，減小基礎底面的應力集中，充分發揮地基土的承載能力[1]。閆明禮將墊層的作用歸納為[2]：①確保樁土共同承擔荷載；②調整樁土荷載分擔比；③緩解基礎底面的應力集中；④調整樁土水平荷載的分配。

目前，眾多學者和工程技術人員對剛性樁復合地基進行了較多的現場試驗研究，其理論已趨于完善。對褥墊層的研究仍然較少，這是由于褥墊層的破壞機理很復雜，且影響因素眾多，較難模擬其工作狀態[3-4]。已有的對褥墊層厚度的研究成果表現為以下兩點：①褥墊層厚度過大，會導致樁土應力比等于或接近1，樁所承擔荷載較少，樁身剛度富裕度大，此時復合地基中樁設置已失去意義，造成浪費，這樣設計出的復合地基承載力不會比天然地基有較大提高，并且使得建筑物沉降過大。②褥墊層厚度過小，樁對基礎產生明顯的應力集中，致使基礎厚度及配筋增大。同時，樁分擔荷載增大，要達到設計要求的承載力，必然需增加樁的數量和長度，造成浪費。此外，如果基礎承受較大的水平荷載作用，可能造成復合地基中樁頂受荷過大，發生樁身斷裂。

本文利用Midas GTS巖土有限元計算程序，研究并分析了6種不同厚度、4種不同彈性模量的褥墊層，在施加均布荷載后，樁及樁間土分擔荷載的受力特征。探討了不同墊層下樁土應力比的變化規律。分析了不同特性的褥墊層對復合地基加固機理、作用效果的區別。并提出通過調整褥墊層厚度對復合地基承載力進行優化設計的基本方法與思路。

1 相關規范規定及Midas GTS程序的實現方式

1.1 規范規定

中國規范對剛性樁復合地基的設計也作了相應規定。《建筑地基處理技術規范》（JGJ79—2012）[5]第7.1.5條：

剛性樁（有黏結強度增強體）復合地基設計中，常用下式來計算復合地基的承載力：

式中：

fspk ——復合地基承載力特征值；

m ——面積置換率；

λ——單樁承載力發揮系數，可按地區經驗取值；

β——樁間土承載力發揮系數，可按地區經驗取值；

fsk ——處理后樁間土承載力特征值；

在應用上式時要先設定單樁承載力發揮系數λ及樁間土承載力發揮系數β的經驗值，而λ及β的大小又受到很多因素的影響，其中包括墊層性是質的影響，如墊層材料、厚度，且兩者的影響是顯著的。設計者必須知道λ及β與墊層參數之間的關系，才能在所選用的墊層參數下使λ及β達到事先的設定值，從而避免墊層設計的盲目性。但是在目前的設計中，還沒有一種實用的理論算式作為設計依據[6]，只能憑經驗確定,這無疑是非常粗略的。實際上λ及β之間的關系就是樁土的荷載分配關系，因此，樁土荷載分配的規律與墊層參數之間相互關系的確定對設計來說是至關重要的。

1.2 程序實現

Midas GTS是目前主流的巖土有限元分析軟件。在做樁土接觸分析時，運用Midas/GTS特有的樁單元功能，在樁土之間引入摩擦界面單元（Goodman接觸面單元）及樁端單元功能。

為了便于分析在褥墊層模量、褥墊層厚度等設計參數變化下復合地基的承載力特性，本文建立了用于對比的基準有限元分析模型，并通過改變基準模型中的對應參數進行計算，比較得出結論。基準模型中，旋噴樁樁長為25m，樁徑為500mm，樁距為1.3m。土層共4層，其中上層的土層1厚度為12m，土層2厚度5m，土層3厚度10m，土層4厚度14m，樁端入3層土8m，基準模型褥墊層厚度150mm，筏板基礎上部荷載采用均布荷載，數值取350kPa。土層采用摩爾庫倫彈塑性（M-C）材料本構模型。模型四周及底部均為對應法線方向的平移約束。樁采用梁單元模型，表面附樁界面單元，上、下端均定義樁端單元，以模擬樁刺入相應土層，土層、褥墊及筏板基礎均為六節點五面體實體單元。整體及剛性樁模型如圖1所示，剛性樁及土層的相關參數如表1所示。

表1 基準模型土層信息

2 有限元計算結果分析

為分析各參量對復合地基特性的影響，取不同的褥墊厚度、褥墊模量進行計算，褥墊厚度取150，200，250，300，350，400mm共6種情況。褥墊彈性模量取30、60、90、120MPa共四種情況。樁在筏板基礎外圍多布置一排，以符合實際工程要求。

2.1 褥墊厚度、模量對樁土應力比及樁頂荷載占總荷載分擔比的影響

2.1.1 根據有限元計算結果，經整理得到圖2。隨著褥墊厚度增加，樁土應力比均有減小的趨勢；當褥墊厚度超過250mm后，不同彈性模量褥墊層的樁土應力比結果隨著褥墊厚度的影響均出現明顯的減小；褥墊厚度超過300mm后，褥墊厚度的影響繼續減小，特別是當褥墊模量大于60MPa時，隨著褥墊層厚度的增大，樁土應力比變化很小。在實際工程中，超過一定厚度后，只增加褥墊層厚度對于合理分配樁土應力比起到的作用較小，因此應控制褥墊層厚度在合理范圍之內。另一方面，減小褥墊層彈性模量可以有效提高樁土應力比，但是對于充分利用剛性樁承載力幫助很小。

2.1.2 由有限元計算結果，經整理得到圖3。樁頂荷載占總荷載分擔比的變化規律與樁土應力比類似。隨著褥墊層厚度的增加，荷載分擔比逐漸減小。褥墊層厚度在150～250mm之間時，荷載分擔比均下降迅速，褥墊層的作用比較明顯。褥墊層厚度大于250mm時，褥墊層厚度的變化對樁土荷載的分配效果均有較明顯減弱。褥墊層的模量較大時，其受力特性更類似于剛性筏板，褥墊厚度的變化對于樁、土應力的分擔變化影響很小。因此實際工程設計中，壓密過實會明顯減小褥墊層對荷載分配的作用效果，并造成樁頂受荷過大。

2.2 褥墊厚度、模量對樁頂刺入量及總沉降量的影響

由有限元計算結果得到樁頂位移與褥墊層總位移量兩組數據，兩者差值即為樁頂刺入褥墊層的量值，經整理得到圖4。總體上，樁頂刺入量隨著褥墊層厚度的增大均表現為增大的趨勢，褥墊層彈性模量為90及以上時，樁頂刺入量隨著褥墊層厚度的增加增長緩慢。而彈性模量較小時，褥墊層越厚，樁頂刺入量隨著褥墊層厚度的增加增長迅速。由圖5可見，隨著褥墊層的厚度增加，筏板所處的褥墊層局部壓縮量增長迅速。當褥墊層厚度為300時，不同彈性模量的褥墊總壓縮量分別為：7.96mm（30）、6.78mm（60）、5.88mm（90）、5.3mm（120）。所以在實際工程設計時，褥墊層彈性模量如若過小，雖然可以有效減小樁土應力比，使樁間土充分發揮其承載力，但是這樣造成的后果是建筑物總沉降量的迅速增大，對于沉降敏感的建筑結構會造成不利影響。

剛性樁復合地基下部樁端一般為較好土層，樁體較長，較難向端層土繼續刺入以滿足變形協調，因此褥墊層就成為剛性樁復合地基中滿足樁體與土體變形協調的重要環節。

綜合圖2及圖5可以看出，隨著褥墊層厚度的增加，樁土應力比減小與樁頂刺入量的提高相對應。分析得出，刺入量的增大會對樁側負摩阻有明顯的提高，隨著褥墊層厚度的增加樁側受到的負摩阻增大，這樣便使樁的承載力有一定程度降低，另一方面根據圖3可以看出，樁間土的荷載分擔比例卻沒有迅速的下降。這樣便會導致復合地基的整體承載力反而有一定程度的下降。

2.3 褥墊層厚度、彈性模量對群樁荷載分擔效應的影響

本次數值分析模型關于X、Y軸對稱，所以取四分之一模型的結果，比對各參數對中樁、角樁、邊樁的影響。圖6為厚度300、模量60的計算模型結果，中樁、角樁、邊樁的樁頂反力如圖6所示。以此為例匯總褥墊層的彈性模量及厚度不同時，中樁與邊樁樁頂反力結果比值，中樁與角樁樁頂反力結果比值，經整理詳圖7、8所示。

由有限元計算結果，中樁角樁受荷比、中樁邊樁受荷比均隨著褥墊層厚度的增大而降低。中樁角樁受荷比、中樁邊樁受荷比均隨著褥墊層模量的降低而降低。因此提高褥墊層厚度或者降低褥墊層模量均可以使筏板基礎下的樁更均勻地受荷。但其對中樁角樁受荷比、中樁邊樁受荷比的影響程度有所區別，中樁邊樁受荷比隨著褥墊層厚度的增加而降低得較明顯，中樁角樁受荷比隨著褥墊層厚度的增加降低得較緩慢，但是角樁比邊樁的樁頂荷載要小很多。所以褥墊層的設置可以削弱群樁的“邊角效應”，增大褥墊層的厚度可以使剛性樁承擔荷載更加均勻，提高邊角處剛性樁的受荷效率。

3 結論

本文通過數值實驗，分析比對了不同厚度、不同剛度的褥墊層對于剛性樁復合地基承載力特性的影響。借助于有限元軟件Midas GTS，引入其特有的樁單元功能，運用摩擦界面單元及樁端單元功能來模擬樁側摩擦及樁端刺入特性。對不同特性的褥墊層進行比較，可以得到以下有利于工程設計的結論。

在剛性樁復合地基中，褥墊可以起到顯著地降低樁土應力比的作用，提高樁間土土體承載能力的發揮，并且可以削弱群樁的“邊角效應”，使剛性樁承擔荷載更加均勻。但是褥墊層厚度過大會造成樁承載力使用的不足，褥墊層過薄又沒有充分利用樁間土的承載力，這兩種情況都會造成工程設計的安全問題和經濟上的浪費。

對比分析樁尖刺入量及褥墊壓縮量的數值結果可以得出樁身受力的特征，褥墊厚度的增加及褥墊模量的降低都會造成樁側負摩阻力的顯著提高，從而降低了樁頂所受的荷載分擔比例。復合地基的整體承載能力也因此降低。并且會導致結構總沉降過大。

綜合褥墊層分配樁土應力及樁身受荷模式的角度，褥墊厚度在0.2～0.3m，彈性模量在60～90MPa的范圍內比較合適。本文研究了褥墊層厚度及彈性模量對復合地基承載特性的影響，有必要進一步開展不同樁長、不同樁剛度、不同面積置換率情況下，復合地基承載特性的研究。

4 結束語

本文研究了褥墊層厚度及彈性模量對復合地基承載特性的影響，有必要進一步開展不同樁長、不同樁剛度、不同面積置換率情況下，復合地基承載特性的研究。