地基土沉降對復(fù)合地基工作性狀的影響

夏力農(nóng)，苗云東，苗偉波，周 靖＊，補國斌，李訓(xùn)根

（1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.長沙學(xué)院 土木工程系，長沙 410003；3.云南省建工集團(tuán)第十建筑有限公司，昆明 650041）

隨著我國土木工程建設(shè)的不斷發(fā)展，復(fù)合地基技術(shù)在房屋建筑、高等級公路、鐵路、堤壩等工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，并取得良好的社會效益和經(jīng)濟效益.［1］目前，國內(nèi)外學(xué)者主要集中在對正常使用情況下復(fù)合地基工作性狀的研究.［2－4］LIANG［5］等研究了有無褥墊層對復(fù)合地基的影響.ZHENG［6］，ABUSHARAR［7］等通過數(shù)值分析方法對多元復(fù)合地基工作機理進(jìn)行了探討.LIU［8］，SHARMA［9］等通過試驗研究了加筋褥墊層對復(fù)合地基荷載沉降特性的影響.陳明等［10］根據(jù)剛性樁復(fù)合地基樁身受力特性，利用BJERRUM公式推導(dǎo)了常規(guī)條件下剛性樁復(fù)合地基負(fù)摩阻力區(qū)深度的計算方法.劉俊飛等［11］通過對正常情況下的復(fù)合地基樁頂負(fù)摩阻力段樁－土相互作用的分析，推導(dǎo)出樁－土應(yīng)力比計算公式.然而，由于復(fù)合地基主要在軟土地區(qū)使用，在諸如地下水位下降造成土體沉降和欠固結(jié)土體固結(jié)沉降的情況下，加固樁周土體沉降大于樁體沉降而產(chǎn)生負(fù)摩阻力，這時負(fù)摩阻力對復(fù)合地基工作性狀有較大影響，但目前針對地基土沉降對復(fù)合地基承載機理的影響研究較少.安春秀［12］報道了回填土場地上水泥土攪拌樁復(fù)合地基在負(fù)摩阻力引起的下拉力作用下加固樁體強度不夠，而使樁體破壞造成建筑物無法使用的例子，并對此進(jìn)行了分析.JGJ 79—2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》［13］對如何處理復(fù)合地基中負(fù)摩阻力問題沒有明確的規(guī)定，因此開展地基土沉降對復(fù)合地基承載機理的影響研究具有重要意義.在本文中，筆者擬采用數(shù)值方法分析地基土沉降對復(fù)合地基性狀的影響，并探討褥墊層厚度對地基土沉降前后樁體特性的影響.

1 有限元模型的建立

為了研究地基土沉降對復(fù)合地基工作性狀的影響，利用PLAXIS軟件建立了單樁復(fù)合地基軸對稱有限元模型.計算中土體的本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性Mohr－Coulomb模型，樁身材料的本構(gòu)關(guān)系采用彈性模型，其中黏性土的剪脹角為零.樁－土界面采用接觸單元模擬，界面參數(shù)按相應(yīng)土層參數(shù)根據(jù)樁身的粗糙程度進(jìn)行折減.采用三角形15節(jié)點單元離散土體和樁身材料.土體固結(jié)根據(jù)Biot固結(jié)理論進(jìn)行分析.土體及加固樁體的網(wǎng)格劃分如圖1所示.

圖1 單元網(wǎng)格劃分Fig.1 Divisions of element meshes

加固樁體直徑為600mm，樁長12m，樁身材料采用素混凝土，其彈性模量為28GPa，重度為25 000N·m－3.設(shè)置200，400，600，800mm 4種不同的褥墊層厚度，采用圓形剛性基礎(chǔ)，厚度為1 000mm，半徑為800mm.先在基礎(chǔ)頂面分別施加75，125，175，225，275kPa 5種荷載，然后將地下水位從地表下1m下降到地表下2.2m位置穩(wěn)定下來.本研究通過地下水位下降使得地基土沉降，以此來分析地基土沉降前后復(fù)合地基工作性狀的變化.樁身穿過的土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1.為方便計算，在以下的圖表中，地下水位下降前的曲線記為Q，地下水位下降后的曲線記為H.

表1 土層分布及其物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Soil layer distributions and its indexes

2 有限元模擬結(jié)果與分析

有限元模擬結(jié)果表明，在不同上部荷載及不同厚度褥墊層條件下，地下水位下降前后復(fù)合地基工作性狀是有差異的.

2.1 沉降特性的變化

從圖2可以看出，降水前，在400～800mm厚度褥墊層復(fù)合地基中，樁向上刺入變形隨著荷載增加而增大；降水后，在4種厚度褥墊層條件下，加固樁體和基礎(chǔ)頂面的沉降均明顯增大.在200mm褥墊層地基中，樁的沉降大于基礎(chǔ)沉降，兩者之間的沉降差比降水前大.在400～800mm褥墊層基礎(chǔ)中，樁向上刺入變形隨著荷載增加而增大，基礎(chǔ)頂面與樁頂沉降差還隨著褥墊層厚度的增加而加大.

圖2 降水前后基礎(chǔ)頂面與樁頂沉降對比曲線Fig.2 Comparison curves of foundation and pile settlements before and after precipitation

從圖2還可以看出，在同一種厚度褥墊層基礎(chǔ)中，基礎(chǔ)沉降和樁沉降隨著荷載的增加而加大，兩者之間的沉降差也隨著樁頂荷載的增加而加大，4種厚度褥墊層情況下均表現(xiàn)出這樣的趨勢.在4種厚度褥墊層復(fù)合地基中，400mm褥墊層在降水前后的基礎(chǔ)與樁的沉降差是最小的.褥墊層厚度的不同對復(fù)合地基的正常使用和降水后的荷載傳遞特性有很大的影響.分析表明，褥墊層厚度存在一個臨界值，此時樁體上刺變形最小.褥墊層為400mm時樁體與基礎(chǔ)的沉降差是計算褥墊層厚度中最小的，褥墊層厚度大于此臨界值時，厚度越大，復(fù)合地基的沉降值越大，樁體與基礎(chǔ)沉降的差距也越大，降水前后均呈現(xiàn)這樣的趨勢.

從圖2（b）～（d）還可以看出，隨著荷載的增加，基礎(chǔ)頂面的沉降增長速率在降水前后均比樁快些.在計算范圍內(nèi)，降水前樁和基礎(chǔ)的沉降均隨荷載增加而增加并近似呈現(xiàn)為線性.降水后樁沉降的增長趨勢也可近似視為線性，而基礎(chǔ)沉降的增長趨勢較明顯地表現(xiàn)為非線性，增長速率明顯比樁快.這表明在降水后，隨著荷載的增加，樁向上刺入變形增長速率較快.

圖3為不同厚度褥墊層在175kPa荷載條件下降水前后的樁－土相對位移，可以看出降水前后的樁－土相對變形變化很明顯，這主要是降水后土體沉降增加，還有樁體的新增變形；中性點位置明顯下移，中性點以上部分樁－土相對位移加大，中性點以下部分樁－土相對位移略有減小.

圖3 降水前后樁－土位移對比曲線Fig.3 Curves of pile－soil displacement before and after precipitation

圖4 褥墊層厚度與中性點位置的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of cushion thickness and position of neutral point

2.2 中性點位置變化

從圖4可以看出，降水前由于荷載的增加，加固樁體上刺變形增大，使得中性點位置出現(xiàn)少許加深，這與基樁的中性點位置隨荷載增加而上升的趨勢是不同的.降水后，各種厚度褥墊層條件下加固樁體的中性點位置明顯下降，中性點隨荷載變化的波動范圍比降水前明顯加大，中性點位置隨著荷載增加而逐漸上升，這與基樁的中性點變化趨勢相同.降水前后中性點位置與褥墊層厚度的關(guān)系均未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律.

2.3 樁身負(fù)摩阻力分布

圖5為400mm厚度褥墊層復(fù)合地基在75～275kPa荷載作用下降水前后的樁側(cè)摩阻力分布圖，其他常用的褥墊層厚度的影響與此相似.從圖5可以看出，復(fù)合地基中加固樁體在降水前后的樁身摩阻力分布有很大差異，主要表現(xiàn)在：第一，降水后中性點位置比降水前明顯下降，這說明對于復(fù)合地基，降水所產(chǎn)生的負(fù)摩阻力影響比樁體上刺產(chǎn)生的負(fù)摩阻力影響要大得多；第二，降水后樁體上部負(fù)摩阻力值比降水前大得多，負(fù)摩阻力作用的樁身長度更長，因此負(fù)摩阻力引起的下拉力對復(fù)合地基的影響較大，在設(shè)計中必須考慮這一不利因素；第三，隨著荷載的增加，降水后中性點位置的波動幅度明顯增大.樁側(cè)中間部分的正摩阻力分布差異不大；樁側(cè)下端部分的正摩阻力比降水前略大.

2.4 樁身應(yīng)力分布

圖6為400mm厚度褥墊層復(fù)合地基在75～275kPa荷載作用下降水前后的樁身應(yīng)力沿樁長分布的對比，其他常用的褥墊層厚度的影響與此相似.從圖6中可以看出，在各種荷載下，降水后樁身應(yīng)力總體上有所增加，樁頂應(yīng)力略有增大，地基土分擔(dān)荷載比例下降，樁－土應(yīng)力比提高.在中性點以上，樁身應(yīng)力隨著深度的增加而增加，中性點位置的樁身應(yīng)力最大.在275kPa和75kPa荷載作用下，中性點位置的降水前后樁身應(yīng)力差值分別為89kPa和91kPa，后者增加的幅度遠(yuǎn)大于前者.這說明在土體沉降產(chǎn)生負(fù)摩阻力時，上部荷載的增加可以使中性點位置上升，減小負(fù)摩阻力引起的下拉力，同時也使基礎(chǔ)沉降增加.

圖5 降水前后摩阻力分布圖（褥墊層厚度為400mm）Fig.5 Distribution of skin friction before and after precipitation（cushion thickness is 400mm）

3 結(jié)語

1）地基土沉降后，在各種厚度褥墊層條件下，加固樁體和基礎(chǔ)頂面的沉降均明顯增大.基礎(chǔ)沉降和加固樁體沉降隨著荷載的增加而增加，兩者之間的沉降差也隨樁頂荷載的增加而增加.

圖6 降水前后樁身應(yīng)力對比曲線（褥墊層厚度為400mm）Fig.6 Curves of pile stress before and after precipitation（cushion thickness is 400mm）

2）地基土沉降后，加固樁體的中性點位置明顯下降，中性點隨荷載變化的波動范圍比常規(guī)使用條件下明顯加大，中性點位置隨著荷載增加而逐漸上升.在相同的荷載作用下，褥墊層厚度與中性點位置的關(guān)系沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律.

3）復(fù)合地基中加固樁體在地基土沉降前后的樁身摩阻力分布有很大差異.地基土沉降的增加使樁體上部樁－土相對位移增大，負(fù)摩阻力值也明顯增大.

4）在各種上部荷載作用下，地基土沉降后樁身應(yīng)力總體上有所增加.樁頂應(yīng)力比地基土沉降前略有增加.地基土沉降后的加固樁體樁身應(yīng)力沿樁長均比地基土沉降前大.

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