軟弱土層下樁基承載力的優(yōu)化研究

摘""要：軟弱土層因具備強度低、壓縮性高以及滲透性低等特性，所以該條件下的樁基工程面臨諸多挑戰(zhàn)。分析了樁基在軟弱地基處理中的應(yīng)用，并探討了樁基承載力分析的理論方法和數(shù)值模擬技術(shù)。此外，還提出了樁基設(shè)計優(yōu)化的方法，包括樁型選擇、樁長設(shè)計、樁身材料優(yōu)化和樁側(cè)摩阻力增強措施等，旨在提高樁基在軟弱土層中的承載力和安全性。

關(guān)鍵詞："軟弱土層""樁基承載力""數(shù)值模擬""設(shè)計優(yōu)化

中圖分類號：TU473

Optimization"Study"on"Bearing"Capacity"of"Pile"Foundation"Under"Weak"Soil"Layer

JU"Kang

Jiangsu"Geological"Engineering"Co.，"Ltd.，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"210000"China

Abstract："Soft"soil"layers"face"many"challenges"in"pile"foundation"engineering"under"these"conditions"due"to"their"low"strength，"high"compressibility，"and"low"permeability."This"article"analyzed"the"application"of"pile"foundation"in"soft"foundation"treatment，"and"explored"the"theoretical"methods"and"numerical"simulation"techniques"for"analyzing"the"bearing"capacity"of"pile"foundation."In"addition，"methods"for"optimizing"pile"foundation"design"have"been"proposed，"including"pile"type"selection，"pile"length"design，"pile"body"material"optimization，"and"measures"to"enhance"pile"side"friction"resistance，"aiming"to"improve"the"bearing"capacity"and"safety"of"pile"foundations"in"soft"soil"layers.

Key"Words："Weak"soil"layer;"Bearing"capacity"of"pile"foundation;"Numerical"simulation;"Design"optimization

在軟弱土層，樁基施工作為關(guān)鍵的地基處理手段，能有效提高地基的承載能力，控制不均勻沉降。隨著工程技術(shù)的進步，對樁基設(shè)計的要求越來越高，不僅需要滿足基本的承載力要求，還要兼顧經(jīng)濟性和施工可操作性。因此，對軟弱土層下的樁基承載力進行分析和對樁基做出設(shè)計優(yōu)化，對于確保工程質(zhì)量和安全具有重要意義。

1""樁基在軟弱地基處理中的作用

軟弱土層主要有淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、粉質(zhì)黏土等，它們普遍具有很高的含水率，整體密度相對較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，導(dǎo)致承載能力顯著低于其他類型的土層。

根據(jù)使用功能，樁基可分為摩擦樁、端承樁、端承摩擦樁、抗側(cè)壓樁和抗拔樁等類型；按照施工工藝，又可分為灌注樁、靜壓樁和打入樁。在軟弱土層中施工樁基，可以改變軟弱地基內(nèi)部土體的結(jié)構(gòu)，改善土體的剪切特性和壓縮特性，并優(yōu)化滲透性和動力特性，提升地基的整體承載力。樁基還能增強軟弱地基的強度，減少因荷載引起的不均勻沉降。這樣有效預(yù)防了建筑物在施工和使用過程中可能出現(xiàn)的倒塌、下沉、傾斜等嚴重質(zhì)量問題，確保了建筑物的長期穩(wěn)定性和安全性。

2""樁基承載力理論分析

2.1""樁基承載力計算方法

2.2.1""靜載試驗法

該方法是通過現(xiàn)場加載試驗來測定樁基承載力，它可以模擬樁基在實際工程中的受力狀態(tài)。試驗中使用千斤頂對樁頂施加逐級增加的荷載，同時測量樁頂?shù)某两盗浚缓蟮玫匠两盗颗c施加荷載之間的關(guān)系曲線，該曲線反映了樁基的承載性能和變形特性。

靜載試驗雖然比較直觀，但是試驗周期較長，從試驗準備到數(shù)據(jù)采集需要較多時間。而且，其試驗成本較高，需要專門的加載設(shè)備、測量儀器以及專業(yè)。

2.2.2""動載試驗法

動載試驗法是利用激振器對樁基施加動態(tài)荷載進行測試，通過分析樁基在動態(tài)荷載作用下的動力響應(yīng)來推算樁基承載力。與靜載試驗法相比，動載試驗法的操作更為便捷，可以在較短的時間內(nèi)完成測試，同時，由于所需設(shè)備相對簡單，試驗成本也相對較低。但是這種方法在精度上存在一定的局限性，這是因為動態(tài)荷載與實際工程中的靜態(tài)荷載存在差異，并且樁基的動力特性受土體的非線性特性、樁土相互作用等多種因素影響，這些都可能導(dǎo)致測試結(jié)果的誤差[1]。

2.2""樁基承載力數(shù)值模擬

2.2.1""模型建立

數(shù)值模擬中建立數(shù)值模型是關(guān)鍵。模型應(yīng)包括樁基、土層的幾何特征及土層的物理力學(xué)參數(shù)，特別是需要準確反映軟弱土層的非線性特性和樁-土相互作用。可以應(yīng)用有限元法來構(gòu)建模型，精準模擬實際工程中的相互作用。首先，不僅要分析土層的彈性模量、泊松比和剪切強度等物理力學(xué)參數(shù)，還要準確定義樁的長度、直徑、形狀等幾何參數(shù)。這些都是模型的基礎(chǔ)。然后，應(yīng)用專業(yè)軟件將這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為有限元分析的輸入變量。

模型建立過程中，需要將土層和樁體細分為許多有限個小單元，以便更精細地模擬樁基受力和變形行為。計算過程中對這些單元的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)進行動態(tài)模擬，可以預(yù)測樁在不同荷載條件下的響應(yīng)。通過這一過程，能在虛擬環(huán)境中檢驗不同設(shè)計方案的可行性，從而對樁基進行優(yōu)化設(shè)計[2]。

2.2.2"參數(shù)選取

參數(shù)選擇對模擬結(jié)果的準確性非常重要。土的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)都能反映樁基的承載性能。其中，彈性模量為土體在荷載作用下的變形特性。選擇彈性模量要基于土層的實測數(shù)據(jù)，如地質(zhì)勘察報告中的標準貫入試驗（Standard"Penetration"Test，SPT）或壓力試驗結(jié)果，同時也可以參考類似工程的經(jīng)驗值進行調(diào)整。正確選取彈性模量可以有效模擬土體在加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，從而得到更貼近實際的樁基變形和承載力預(yù)測。

黏聚力和內(nèi)摩擦角是影響樁-土界面剪切強度的參數(shù)。黏聚力反映了土顆粒間的黏結(jié)強度，而內(nèi)摩擦角則代表了土顆粒間的相互摩擦阻力。這兩個參數(shù)的取值要基于實驗室測試結(jié)果，一般通過三軸試驗或直接剪切試驗。不同土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角差異較大，因此，在數(shù)值模擬中要精確地輸入，以確保模擬結(jié)果的有效性。

數(shù)值模擬中的關(guān)鍵點還有邊界條件設(shè)置，邊界條件可以模擬實際工程中的受力和變形環(huán)境。例如：在模擬樁基承載力時，需要設(shè)置地表荷載、樁身與周圍土體的接觸條件以及地基底部的支撐條件等。邊界條件如果設(shè)置不合理，就會導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差，進而影響設(shè)計的可靠性。

2.2.3""模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬能提供樁基在不同荷載條件下的沉降、側(cè)向位移和內(nèi)力分布等詳細數(shù)據(jù)。在分析模擬結(jié)果時，要重點關(guān)注樁基在垂直荷載下的沉降情況。通過比較模擬所得的沉降量與允許的設(shè)計沉降值，可以判斷樁基是否滿足工程要求。沉降過大會影響建筑物的整體穩(wěn)定性[3]。

除了沉降，還要對側(cè)向位移做分析。在軟弱土層中，樁基在水平荷載作用下容易產(chǎn)生顯著的側(cè)向位移，這會對上部結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響。通過數(shù)值模擬，可確定在各種荷載工況下，樁基側(cè)向位移的最大值及其分布情況。如果側(cè)向位移超出設(shè)計允許范圍，則需要在設(shè)計中采取相應(yīng)的增強措施，如增加樁徑或調(diào)整樁基布置。分析內(nèi)力分布是為了了解樁基在荷載作用下樁身內(nèi)的軸力、剪力和彎矩分布。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可分析出樁基結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，如彎矩過大，這會引起樁身破壞或斷裂。對樁基進行優(yōu)化需要結(jié)合實際工程情況和這些內(nèi)力分布數(shù)據(jù)。

最終的模擬結(jié)果要與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式計算結(jié)果相結(jié)合，進行綜合評估。

2.3""影響樁基承載力的主要因素

樁基承載力受樁長、樁徑、樁型及材料性質(zhì)等因素的影響。增加樁長有助于提高端承力和樁側(cè)摩擦力，但樁過長會造成施工困難。增大樁徑可提高樁基的豎向承載力，但同時也會增加材料成本。不同樁型如摩擦樁、端承樁的承載力特性各異，需要結(jié)合軟弱土層的特性進行選擇[4]。另外，土層的剪切強度、壓縮性和滲透性直接影響樁基的承載力，特別是在軟弱土層中，這些因素更為關(guān)鍵。

3""樁基承載力的優(yōu)化方法

3.1""樁型選擇

在軟土區(qū)域，必須充分考慮土層的觸變性、低強度和透水性差等特點來選擇合適的樁基類型。適合軟土的樁基類型有泥漿護壁鉆孔灌注樁、全套管護壁鉆孔灌注樁、預(yù)制樁以及沉管灌注樁等。其中，泥漿護壁鉆孔灌注樁和全套管護壁鉆孔灌注樁由于采用了護壁措施，能夠有效防止塌孔和孔壁失穩(wěn)，特別適用于軟土地區(qū)復(fù)雜的地下環(huán)境。

預(yù)制樁可在工廠內(nèi)預(yù)制完成，質(zhì)量可控且施工快捷，適合于軟土層較淺的區(qū)域。沉管灌注樁雖然在部分工程中有優(yōu)勢，但在軟土地區(qū)使用時需謹慎。由于沉管灌注樁在施工過程中會引發(fā)擠土效應(yīng)和增加孔隙水壓力，會對成樁質(zhì)量和鄰近建筑物的安全造成不利影響。因此，在樁型選擇時應(yīng)因地制宜，盡量避免使用沉管灌注樁，同時采取減小樁徑或采用分段灌注等技術(shù)措施，以減少對軟土層的擾動，保障樁基的成樁質(zhì)量和周圍環(huán)境的安全穩(wěn)定。

3.2""樁長設(shè)計

軟土地區(qū)由于地下水位較高，樁基的樁長設(shè)計必須足夠長，要確保它能穿越軟土層，深入到下部密實且穩(wěn)定的持力層中，這主要是為了減輕土層液化對建筑物造成的危害。樁基的長度可分為長樁、中樁和短樁3種類型。長樁一般是在30"m及以上，以承受更大的垂直荷載，適用于高層建筑物。然而，由于長樁的抗側(cè)向扭曲性能較弱，因此，在設(shè)計時需要根據(jù)具體的工程情況來選擇。中樁的長度在10～30"m之間，可用于高層住宅、水電站等建筑物中。短樁長度在10"m以下的樁，主要用于輕型工程或臨時建筑[5]。

樁基的入土深度應(yīng)基于地質(zhì)勘察資料和建筑物的結(jié)構(gòu)需求。通過地質(zhì)勘察，能獲得土層的物理力學(xué)特性、地下水位、軟土層厚度等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來計算樁基需要穿越的軟土層厚度以及抵達的密實土層深度。此外，樁基入土的深度還要考慮建筑物的高度、荷載條件以及抗震設(shè)計要求，不僅要確保樁基能夠提供足夠的豎向承載力，還要保證它具備良好的抗水平力和抗拔力，以應(yīng)對建筑物在使用過程中的各種不利工況。

3.3""樁身材料優(yōu)化

要提高樁基承載力、延長使用壽命，必須要選擇合適的樁身材料。可優(yōu)先采用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土來制作樁身。鋼筋混凝土樁內(nèi)部的鋼筋具備良好的抗拉和抗彎能力，所以樁基在承受復(fù)雜應(yīng)力時更為可靠。而預(yù)應(yīng)力混凝土樁是在混凝土中預(yù)先施加壓應(yīng)力，進一步提高樁基的抗拉性能，減少因應(yīng)力變化引起的裂縫，從而提升樁基的整體承載力。

另外，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新型材料在樁基工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。纖維增強復(fù)合材料（Fiber"Reinforced"Polymer/Plastic，F(xiàn)RP）作為一種新興材料，具有輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕等優(yōu)點。FRP不僅能夠減少樁身的自重，降低施工難度，還具備優(yōu)異的抗疲勞性能和長久的耐久性，特別適用于環(huán)境惡劣、腐蝕性強的地區(qū)。但是FRP材料的成本較高，所以，在實際應(yīng)用中需要綜合考慮經(jīng)濟性和技術(shù)可行性。

3.4""樁側(cè)摩阻力增強措施

一般情況下，樁基側(cè)面與土體之間的摩擦力是向上的，幫助抵抗豎向荷載，即正摩阻力。但是當土體在自重沉降、固結(jié)沉降以及填土荷載增加時會向下移動，產(chǎn)生對樁基額外的向下摩擦力，這種向下的摩阻力就是負摩阻力。負摩阻力會增加樁基承受的豎向荷載，削弱樁基的有效承載力，從而影響建筑物的安全性。因此，在軟土地基或沉降明顯的區(qū)域，必須充分考慮負摩阻力的影響，采用預(yù)壓處理、減少樁間土體沉降等。預(yù)壓處理是在施工前對土體施加預(yù)壓荷載，讓土體發(fā)生預(yù)沉降，從而減少在建筑物施工后可能發(fā)生的沉降，降低負摩阻力的產(chǎn)生。此外，還可以采取合理分配樁間距、采用輕質(zhì)材料填土或進行地基加固等措施，減少樁間土體的沉降。

另外，可通過增強樁側(cè)與土體之間的摩擦力來提高樁基的承載力。具體來說，采取在樁側(cè)注漿的處理措施，增加樁與周圍土體的接觸面積和密實度，從而提高摩擦力。注漿材料選用水泥漿、化學(xué)漿等，這些材料能滲入土體空隙，增強土體的黏結(jié)性和摩擦系數(shù)，讓樁側(cè)摩阻力大幅增加。

4""結(jié)語

樁基施工是一個復(fù)雜的工程，需要綜合考慮多種因素。本文提出的優(yōu)化方法，旨在提高樁基在軟弱土層中的承載力和安全性，為類似工程提供參考。在樁基施工過程中，還需特別注意可能引發(fā)的擠土沉樁事故。由于軟土的特性，預(yù)制樁在沉樁過程中容易出現(xiàn)樁接頭拉斷、樁體側(cè)移以及土體上涌等問題。為減少這些風險，可以通過施打塑料排水板來降低孔隙水壓力，從而減輕樁體周圍土體的擠壓效應(yīng)。此外，還可以引導(dǎo)土體中的應(yīng)力釋放，避免因過度擠壓導(dǎo)致的樁體變形或損壞。同時，還要控制沉樁速率，通過逐步施加荷載，能避免土體應(yīng)力過度集中，從而減少事故發(fā)生的概率。通過這些措施，能夠在施工中有效應(yīng)對軟土劣勢，保障樁基施工的安全與質(zhì)量。

參考文獻

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