潮汕車站樁—網(wǎng)復(fù)合地基管樁承載性狀數(shù)值分析

于進(jìn)江，程謙恭，李成輝，吳九江，文 華

(1．西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031;2．中鐵十九局集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111000;3．西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

樁—網(wǎng)復(fù)合地基在外荷載作用下，由于土工格柵的存在，樁、樁間土和土工格柵相互作用較為復(fù)雜，有必要對(duì)樁—網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理進(jìn)行研究。為此，陳凱杰、雷學(xué)文［1］在充分考慮樁—網(wǎng)—土協(xié)同作用的基礎(chǔ)上，分析了影響樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基樁土應(yīng)力比的主要因素及影響規(guī)律。魯長亮等［2］利用Carlsson的土楔理論與加筋單元的受力平衡條件，推導(dǎo)出樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基樁土應(yīng)力比的計(jì)算式。連峰等［3］深入分析了樁—網(wǎng)地基的沉降變形、荷載傳遞、樁土應(yīng)力比和網(wǎng)的受力等性狀。張棟、臧延偉［4］分析研究了樁—網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)樁間土應(yīng)力和樁土應(yīng)力比隨填土高度增加的變化規(guī)律。

目前的研究［5-7］大多針對(duì)一般條件下的路基處理情況，對(duì)于鐵路站場(chǎng)區(qū)超大面積深厚軟土樁—網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究比較缺乏。本文針對(duì)潮汕車站大面積樁—網(wǎng)復(fù)合地基，運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了樁—網(wǎng)復(fù)合地基的荷載傳遞及應(yīng)力分布規(guī)律，為超大面積深厚軟土地區(qū)樁—網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

1 模型的建立

本文以潮汕車站斷面一(DK205+870)為研究對(duì)象，根據(jù)該地區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況，將地層進(jìn)行了相應(yīng)的簡化，如圖1所示。

為了比較不同的樁間距和樁帽對(duì)應(yīng)力傳遞的影響，建立3種對(duì)比工況，工況1為樁間距2.5 m，正方形布置，有樁帽;工況2為樁間距2.5 m，正方形布置，無樁帽;工況3為樁間距3.5 m，正方形布置，有樁帽。其中工況1與現(xiàn)場(chǎng)情況一致。

考慮到路基橫斷面沿路基中心是對(duì)稱的，模型按半斷面建立。地基土的計(jì)算寬度為半路基寬度的3倍，地基土的計(jì)算深度為 56 m，為最大樁長的2倍?？v斷面選取2倍樁間距作為計(jì)算范圍，如圖2所示。

圖1 路基橫斷面示意(單位:m)

2 管樁承載性狀分析

2.1 樁身軸力特性

選取樁間距2.5 m有樁帽為模型，管樁位置如圖1所示。采用樁單元內(nèi)置函數(shù) sp_force(pp，e，d)提取一號(hào)管樁、六號(hào)管樁、八號(hào)管樁軸力數(shù)據(jù)，分析不同填土高度、不同管樁位置下，管樁樁身軸力沿樁埋深的傳遞曲線。

圖2 樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型(單位:m)

由圖3可知，0～11 m段:其荷載由樁和樁間土共同承擔(dān)，樁身軸力較小，隨著深度的增加，荷載逐漸由樁身承擔(dān)，樁身軸力呈線性增大;11～24 m段:樁身軸力較大，軸力曲線近似為直線，隨著深度的增加，基本上保持不變;24～28 m段:樁身軸力沿深度呈線性減小，其荷載逐漸轉(zhuǎn)由摩阻力和端阻力承擔(dān)。

在不同填土荷載作用下，填土高度較小時(shí)，軸力曲線近似為直線，傳遞到樁端的荷載很小。隨著填土高度增大，軸力曲線逐漸變成彎曲的弧線，而且曲率越來越大，尤其是在樁端處，此時(shí)摩阻力得到很大程度的發(fā)揮。

從圖3可以看出:一號(hào)、六號(hào)和八號(hào)的管樁軸力沿樁埋深傳遞曲線規(guī)律基本是一致的。隨著距路基中心位置的增大，樁身軸力逐漸減小。

2.2 摩阻力分布特性

選取樁間距2.5 m有樁帽為模型，采用樁單元內(nèi)置函數(shù)sp_rstr(pp，s，e)提取一號(hào)管樁、六號(hào)管樁、八號(hào)管樁摩阻力數(shù)據(jù)。

由圖4可知，0～11 m段:除樁頂附近外，摩阻力為負(fù)摩阻力，摩阻力沿深度呈線性增加，達(dá)到最大值后，摩阻力沿深度保持不變，樁土相對(duì)位移較小，其負(fù)摩阻力得到了很好的發(fā)揮。繼而負(fù)摩阻力呈線性減小。負(fù)摩阻力曲線整體呈“梯形”變化;11～24 m段:摩阻力相對(duì)來說很小，沿深度沒有太大變化。樁土相對(duì)位移發(fā)揮不明顯，其摩阻力沒有很好的發(fā)揮;24～28 m段:摩阻力為正摩阻力，隨著深度增加，摩阻力呈線性增大，樁端底部達(dá)到最大值。樁土相對(duì)位移較大，其摩阻力得到了充分的發(fā)揮。

圖3 樁身軸力沿樁埋深的傳遞曲線

在不同填土荷載作用下，填土高度較小時(shí)，摩阻力曲線近似為直線，摩阻力發(fā)揮很小。隨著填土高度增大，摩阻力曲線逐漸變成彎曲的弧線，而且曲率越來越大，尤其是在樁端處，摩阻力得到很大程度的發(fā)揮。

從圖4可以看出，一號(hào)、六號(hào)和八號(hào)管樁摩阻力沿樁埋深傳遞曲線規(guī)律是一致的。隨著距路基中心位置的增大，摩阻力逐漸減小。

2.3 荷載分擔(dān)比曲線特性

圖5中的總荷載為樁帽上每個(gè)單元的豎向應(yīng)力乘以對(duì)應(yīng)的單元面積的總和，摩阻力由接觸面上每個(gè)單元的剪應(yīng)力與對(duì)應(yīng)單元面積乘積的總和得到，端阻力由最后一個(gè)單元的軸力減去該單元上的摩阻力所得。

隨著荷載的增加，端阻力呈減小趨勢(shì)，由荷載分擔(dān)比的68%減小到51%;摩阻力呈增大趨勢(shì)，由荷載分擔(dān)比的32%增大到49%。從端阻力和摩阻力的荷載分擔(dān)比發(fā)展趨勢(shì)可知:當(dāng)樁達(dá)到極限承載能力時(shí)，摩阻力的荷載分擔(dān)比將繼續(xù)增大超過50%，可以判斷樁—網(wǎng)復(fù)合地基中管樁為端承摩擦樁。

圖4 摩阻力沿樁埋深的傳遞曲線

圖5 荷載分擔(dān)比分布曲線

3 管樁承載性狀影響因素分析

3.1 管樁軸力影響分析

圖6為三種模型樁身軸力沿樁埋深的傳遞曲線，隨著填土高度的增加，樁身軸力逐漸增大。三種不同模型其軸力沿樁埋深的傳遞曲線形狀基本一致。由此可知，在相同填土高度下，樁間距越大，樁身軸力越大，樁帽對(duì)樁端一定深度的軸力產(chǎn)生影響，超過某一深度，有無樁帽模型曲線基本重合。無樁帽時(shí)，樁端軸力最大。

圖6 三種模型樁身軸力沿樁埋深的傳遞曲線

3.2 管樁摩阻力影響分析

圖7為三種模型摩阻力沿樁埋深的傳遞曲線，由圖7可知，隨著填土高度的增加，摩阻力逐漸增大。三種不同模型其摩阻力沿樁埋深的傳遞曲線形狀基本一致。隨著樁間距的增大，摩阻力增加，負(fù)摩阻力影響深度變大，正摩阻力得到提高，同時(shí)樁端阻力增大。樁帽對(duì)樁端一定深度的摩阻力產(chǎn)生影響，超過某一深度，有無樁帽模型曲線基本重合。無樁帽時(shí)，負(fù)摩阻力值最大。

圖7 三種模型摩阻力沿樁埋深的傳遞曲線

4 結(jié)論

1)在不同填土荷載作用下，填土高度較小時(shí)，軸力曲線近似為直線，傳遞到樁端的荷載很小。隨著填土高度增大，軸力曲線逐漸變成彎曲的弧線，而且曲率越來越大，尤其是在樁端處，摩阻力得到很大程度的發(fā)揮。

2)填土高度較小時(shí)，摩阻力曲線近似為直線，摩阻力發(fā)揮很小。隨著填土高度增大，摩阻力曲線逐漸變成彎曲的弧線，而且曲率越來越大，尤其是在樁端處，摩阻力得到很大程度的發(fā)揮。同時(shí)，隨著距路基中心位置的增大，摩阻力逐漸減小。

3)隨著荷載的增加，端阻力呈減小趨勢(shì)，由荷載分擔(dān)比的68%減小到51%;摩阻力呈增大趨勢(shì)，由荷載分擔(dān)比的32%增大到49%。

4)在相同填土高度下，樁間距越大，樁身軸力越大，樁帽對(duì)樁端一定深度的軸力產(chǎn)生影響，超過某一深度，有無樁帽模型曲線基本重合。無樁帽時(shí)，樁端軸力最大。

5)隨著樁間距的增大，摩阻力增加，正、負(fù)摩阻力影響深度均變大，同時(shí)樁端阻力增大。樁帽對(duì)樁端一定深度的摩阻力產(chǎn)生影響，超過某一深度，有無樁帽模型曲線基本重合。無樁帽時(shí)，負(fù)摩阻力值最大。

［1］陳凱杰，雷學(xué)文．樁—網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響因素分析［J］．土工基礎(chǔ)，2006，20(1):57-59．

［2］魯長亮，黃生文，朱樹彬．樁承土工加筋地基樁土應(yīng)力比計(jì)算及其優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．西部探礦工程，2005(5):43-45．

［3］連峰，龔曉南，崔詩才，等．樁—網(wǎng)復(fù)合地基承載性狀現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］．巖土力學(xué)，2009，30(4):1057-1062．

［4］張棟，臧延偉．樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)樁間土應(yīng)力計(jì)算方法研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(7):25-28．

［5］馮小剛．預(yù)應(yīng)力管樁在復(fù)合地基工程中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2010(9):78-80．

［6］高勝利，魏宏，劉天福．路堤荷載下帶帽樁—網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比研究［J］．鐵道建筑，2010(12):63-65．

［7］雷金波，陳超群．帶帽控沉樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2011(1):66-69．