超大厚度Q2黃土場地長短組合樁基礎(chǔ)模擬研究

朱彥鵬,王振濤,包澤學(xué),董蕓秀(1．西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅蘭州　70050; 2．蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州　70050; ．甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院,甘肅蘭州　70000;．隴東學(xué)院,甘肅慶陽　75000)

超大厚度Q2黃土場地長短組合樁基礎(chǔ)模擬研究

朱彥鵬1,2,王振濤1,2,包澤學(xué)3,董蕓秀4
(1．西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅蘭州730050; 2．蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州730050; 3．甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院,甘肅蘭州730000;4．隴東學(xué)院,甘肅慶陽745000)

針對超大厚度Q2離石黃土場地,選用大直徑長摩擦型樁基樁筏聯(lián)合基礎(chǔ)是此類地區(qū)建設(shè)超高建筑的不二選擇.因此根據(jù)在超大厚度黃土場地所進行的單樁靜載荷試驗的試驗結(jié)果,基于減沉樁原理,根據(jù)長樁控制變形、短樁提供承載力的基本思路提出長短樁組合樁基礎(chǔ)設(shè)計思想.結(jié)合試驗結(jié)果,分別確定了兩種直徑相同(d＝800 mm),長度不同(L1＝40 m,L2＝20 m),承載力不同的兩種樁型,通過上部結(jié)構(gòu)荷載估算確定了長短樁數(shù)量,根據(jù)相關(guān)規(guī)范,采用簡化模型,利用Ansys有限元軟件對全短樁、全長樁及長短樁組合樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的變形特性進行三維有限元分析.結(jié)果表明,長短樁組合樁基礎(chǔ)不僅可以大量減少長樁用量,而且可有效地控制基礎(chǔ)整體沉降和差異沉降,顯示其良好的應(yīng)用前景.

長短樁;樁身沉降;樁身軸力;試驗?zāi)M

引用格式:Zhu Yanpeng,Wang Zhentao,Bao Zexue,et al．Stimulation Study of LongGshort Pile Foundation in Q2 Loess Sites of SuperGlarge Thickness[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):72G77．[朱彥鵬,王振濤,包澤學(xué),等．超大厚度Q2黃土場地長短組合樁基礎(chǔ)模擬研究[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(2):72G77．]

隨著人類社會經(jīng)濟的增強,人口數(shù)量的增加,高層建筑越來越多的被應(yīng)用于現(xiàn)實生活當(dāng)中,其地基的基礎(chǔ)形式也在發(fā)生變化,群樁基礎(chǔ)得到了更多的采用,但就我國目前的樁基工程現(xiàn)狀來看,還面臨著許多挑戰(zhàn).現(xiàn)有群樁基礎(chǔ)的計算理論大多是基于同一承臺下樁長相等或者相差不是太大的情況之下,對群樁基礎(chǔ)樁長不等的情況,理論研究還遠不能滿足實際工程的需求.為滿足承載力和沉降要求,通常會考慮承載力較深的持力層,而采用全長樁基礎(chǔ)設(shè)計,這樣不僅浪費了淺部持力層的承載力,而且加大了工程資金的投入.采用不等長樁基礎(chǔ)則能很好地解決這些問題,從而能更充分地利用不同土層的承載力,這樣不僅能滿足地基的承載能力,同時也降低了工程造價,而長短樁基礎(chǔ)是一種比較新的樁基礎(chǔ)類型.研究將通過對長短樁與等長樁的對比,比較并分析幾種類型不同的長短樁基礎(chǔ)的沉降、樁側(cè)摩阻力、樁頂反力.

張建輝等[1]對不規(guī)則形狀筏板以及分布不均勻的樁的樁筏基礎(chǔ)采用無單元的方法模擬筏板的工作性狀,建立樁筏基礎(chǔ)與地基共同作用的新型的分析方法.張建輝等[2]對樁與土體之間的工作性狀進行了分析研究,并對層狀地基土上的不同樁徑、樁體長度以及樁體本身的材料的群樁進行了分析與研究,建立了不同的樁徑、樁長的群樁基礎(chǔ)中樁土相互作用分析模型.曹煒等[3]分析研究了長短樁組合樁基礎(chǔ)的設(shè)計觀點、使用條件以及類型,并將這種基礎(chǔ)與長短樁復(fù)合地基做了比較.張建輝[4]對樁筏基礎(chǔ)在層狀地基土上作用性狀進行了研究和分析,并且就樁的分布進行了優(yōu)化.楊樺[5]對長短樁組合樁基礎(chǔ)這一新型基礎(chǔ)的工作性狀采用了數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗和理論分析等方法進行研究.王劍峰[6]對長短樁組合樁基礎(chǔ)受豎向荷載的工作性狀采用有限元方法和常用的長短樁基礎(chǔ)分析方法兩種不同的分析方法進行了比較,通過圖形和數(shù)據(jù)驗證了兩種方法的分析結(jié)果很相近.王濤等[7],劉金礪[8]對一些單樁、帶臺單樁、平板、帶臺雙樁試驗和主樓變剛度調(diào)平樁筏及主裙連體基礎(chǔ)進行模型試驗,對現(xiàn)場試驗特定土條件用回歸分析提出了對彈性理論解的修正模型.長短樁基礎(chǔ)所用的建筑材料要比全長樁基礎(chǔ)的少,而且很好地利用了淺部持力層的資源,施工方便,所需施工時間更短.但是對于這樣比較新型的樁基礎(chǔ)設(shè)計,現(xiàn)在工程界還處于一個開始的階段,人們對這種基礎(chǔ)的計算方法和設(shè)計理論還不夠完善.結(jié)合常規(guī)樁基礎(chǔ)分析方法和沉降控制設(shè)計理論,按照長樁主要控制變形、短樁主要提供承載力的基本思路,我們提出高層建筑長短樁組合樁基礎(chǔ)設(shè)計思想.

馬驥等[9]提出了長短樁復(fù)合地基的設(shè)計概念,通過加設(shè)短樁提高地基的承載能力,而長樁主要控制整體的沉降.應(yīng)用復(fù)合模量法將樁按照強度等效成地基土,然后求出等效樁土的模量,采用分層總和法算出沉降量.鄧超[10]用二維有限元法分析研究了長短樁復(fù)合地基的承載力和沉降特性,考察了長短樁復(fù)合地基主要參數(shù)的變化對樁土荷載分擔(dān)和復(fù)合地基沉降的影響,并提出了長短樁復(fù)合地基的承載力和沉降計算模式及實用的計算方法.陳波[11]考慮樁周土摩阻力的細長樁壓曲荷載.

1　現(xiàn)場單樁靜載荷試驗

1．1試驗方法

試驗場地的土層特性指標(biāo)見表1.

表1　試驗場地的土層特征Table 1　The soil characteristics of test sites

試驗結(jié)合慶陽市西峰區(qū)南盤旋片區(qū)舊城改造項目中東北角擬建的28層(高約100 m)的高層建筑,對其進行了基礎(chǔ)形式的設(shè)計,試樁現(xiàn)場制作三根試樁,且三根試樁均采用旋挖鉆成孔灌注樁,直徑為800 mm,樁長均為40 m.樁身混凝土為C35級.試驗時對三根試樁進行了單樁靜載試驗.

1．2單樁的荷載G沉降特性

試驗對三根試樁進行單樁豎向抗壓承載力試驗,繪制得到三組試樁的豎向荷載G沉降QGs柱形圖見圖1.

從圖1可知,三根試樁呈現(xiàn)出典型的摩擦樁特性.由荷載G沉降(QGs)總體來看,三根試樁的QGs相似度較高,均有繼續(xù)發(fā)展的趨勢,故判斷單樁豎向極限抗壓承載力應(yīng)大于8 000 k N.將單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)2,即為單樁豎向承載力特征值,因此判斷單樁豎向抗壓承載力特征值大于4 000 k N.通過試驗結(jié)果與設(shè)計要求值的對比,單樁承載力滿足要求,這說明樁基礎(chǔ)能夠為上部結(jié)構(gòu)提供足夠承載力,能夠作為超高層建筑的基礎(chǔ),且該試樁承載力并未得到充分發(fā)揮,仍有很大的富余.

圖1　單樁豎向靜載試驗的QGs柱形圖Fig．1　The QGs column diagram of vertical dead load experiment of single pile

1．3樁身軸力及長短樁參數(shù)選取

SZHG1、SZHG2、SZHG3的樁身軸力沿深度的分布分別如圖2~圖4所示.

從圖2~圖4可以看出,在逐級荷載下,SZHG1、SZHG2樁身軸力分別在深度2．5~4．5 m、4．5~ 6．5 m局部范圍內(nèi)出現(xiàn)隨深度增加而增加的現(xiàn)象,但從總體來看三根試樁的樁身軸力均表現(xiàn)為隨深度增加而減小并在不同的土層以不同速度遞減的規(guī)律.

根據(jù)試驗結(jié)果及樁身軸力的變化規(guī)律可初步選取長短樁相關(guān)參數(shù)為:長樁直徑為800 mm,樁身長度為40 m,單樁豎向承載力特征值為4 000 k N;短樁直徑為800 mm,樁身長度為20 m,單樁豎向承載力特征值為2 000 k N.

圖2　SZHG1的樁身軸力沿深度的分布Fig．2　The distribution of axial force of pile of SZHG1 along the depth

圖3　SZHG2的樁身軸力沿深度的分布Fig．3　The distribution of axial force of pile of SZHG2 along the depth

圖4　SZHG3的樁身軸力沿深度的分布Fig．4　The distribution of axial force of pile of SZHG3 along the depth

2　長短樁有限元軟件模擬

2．1長短樁樁數(shù)確定

該擬建建筑物高約100 m,上部結(jié)構(gòu)約28層,地下三層.因此,若取地上標(biāo)準(zhǔn)層的面荷載為16 k N/m2,地下三層的面荷載均為22 k N/m2,筏板厚度為1．4 m,筏板混凝土容重為26 k N/m3;對其荷載可估算如下:

G＝(16 k N/m2×28＋22 k N/m2×3＋26 k N/m3×

1．4 m)×20×20＝220 160 k N,

若全為長樁,則樁數(shù)n＝220 160/4 000≈55(根);若全為短樁,則樁數(shù)n＝220 160/2 000≈110(根);若為長短樁,則長樁數(shù)n＝20(根),短樁數(shù)n＝70 (根).

根據(jù)以上計算的長短樁數(shù)量和相關(guān)布樁原則及規(guī)范,布樁如圖5所示.

圖5　樁位平面示意圖Fig．5　Schematic plan of pile position

2．2有限元計算參數(shù)及模擬

簡化的土層資料及相應(yīng)有限元計算參數(shù)見表2.

表2　有限元計算參數(shù)Table 2　Parameters in calculation of finite element

由于樁的長細特征,采用兩個節(jié)點的彈性梁單元beam4來模擬,可以將樁體劃分為若干個彈性梁單元;用彈塑性solid45單元模型來模擬地基土,認(rèn)為每層土都是理想的彈塑性地基土,并且符合druckerGprager屈服準(zhǔn)則;筏板采用shell63殼單元進行模擬.有限元模型計算域在豎向和水平向均取2倍長樁長.模型的周圍四邊采用法向位移約束,底面采用全部約束.樁與土之間的作用有很多方面,如摩擦作用、擠壓作用等,上部荷載傳到樁頂,再通過樁傳到土體,采用接觸面單元的作用效果更好,但由于接觸問題是一種高度非線性問題,在大型群樁基礎(chǔ)分析中采用接觸面單元計算需要耗費大量的計算資源,甚至面臨收斂困難.另外,由于地基復(fù)雜多變,各樁與土體的接觸面單元參數(shù)的獲得也是很困難的,得到的結(jié)果也不一定滿意,所以分析過程沒有選用接觸面單元參數(shù)來模擬這些問題,取而代之的是分析樁體與土體之間相互作用力,通過樁的端阻力、側(cè)摩阻力及位移來分析樁與土之間的作用力,這種傳遞方法與傳統(tǒng)荷載傳遞法相似,把它命名為廣義荷載傳遞法.按照傳統(tǒng)荷載傳遞的方法將樁體分成一個一個的梁單元,梁單元與土的實體單元有在同一個位置的節(jié)點,并將這個位置的樁與土的節(jié)點連接.

2．3全短樁基礎(chǔ)模擬計算分析

短樁長20 m,根據(jù)試驗得到的短樁極限承載力為2 000 k N,計算得所需短樁數(shù)為110根.布樁方式如圖5(a)所示,全短樁基礎(chǔ)整體沉降非常大,沉降如表3所列.

表3　全短樁基礎(chǔ)沉降量Table 3　Foundation settlement of short piles mm

2．4全長樁基礎(chǔ)模擬計算分析

由于全短樁模型總沉降與差異沉降過大,考慮全長樁模型分析.長樁極限承載力為4 000 k N,為滿足承載力安全度要求,所需長樁為55根.全長樁模型沉降量大大減小,沉降如表4所列.

表4　全長樁基礎(chǔ)沉降量Table 4　Foundation settlement of long piles mm

圖6為沉降與長樁數(shù)關(guān)系曲線,從圖6可以看出只需少量長樁即可有效地控制基礎(chǔ)沉降,在此基礎(chǔ)上再增加長樁數(shù)量對沉降控制而言效果不大.這也證實了對群樁基礎(chǔ)來說,建立豎向剛度較大的樁土混合地基需要的樁數(shù)并不多.

圖6　沉降隨長樁數(shù)變化曲線Fig．6　Variation of settlementwith number of long piles

2．5長短組合樁基礎(chǔ)模擬分析

從圖6看出只需20根長樁即可有效地將沉降量控制在允許沉降值附近,因此在長短樁組合樁基礎(chǔ)計算中取長樁數(shù)為20,由于跟全長樁基礎(chǔ)相比減少了35根長樁,為了使長短樁基礎(chǔ)總安全度不變,所需短樁數(shù)應(yīng)能提供相當(dāng)于35根長樁所能提供的承載力,這樣,共需短樁70根(見圖5(c)),短樁均勻布置在長樁周圍,同時為避免長樁邊樁樁頂荷載過于集中,在其周圍稍密集布置短樁.長短樁模型沉降如表5所列.由表5可以看出其差異沉降小于全短樁基礎(chǔ),顯示了良好的調(diào)節(jié)沉降的能力,使筏板受力更加均勻.

表5　長短組合樁基礎(chǔ)沉降量Table 5　Foundation settlement of composite longGshort piles mm

2．6等長樁、長短樁基礎(chǔ)沉降比較分析

經(jīng)過ANSYS有限元模擬計算,全短樁基礎(chǔ)、全長樁基礎(chǔ)和長短樁基礎(chǔ)的平均沉降量如表6所列.

表6　平均沉降量對比Table 6　The comparison of average settlement mm

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示采用的全短樁基礎(chǔ)沉降量太大,以致發(fā)生了嚴(yán)重的變形,而全長樁基礎(chǔ)和長短樁基礎(chǔ)的沉降量較小并且相近.因此短樁基礎(chǔ)模式的設(shè)計不滿足沉降量的要求,而長短樁基礎(chǔ)和全長樁基礎(chǔ)則滿足此要求.但是由于全長樁基礎(chǔ)的施工難度大于長短樁基礎(chǔ),綜上所述,在考慮沉降量的方面上,相比等長樁來說,長短樁基礎(chǔ)不失為一種優(yōu)化的設(shè)計模式.

3　結(jié)論

通過在慶陽超大厚度黃土地區(qū)進行的單樁與單樁承臺的現(xiàn)場靜載荷試驗,探討了長短樁組合樁基礎(chǔ)的承載特性.初步結(jié)論如下:

(1)大厚度黃土地區(qū)高層建筑的基礎(chǔ)形式,采用大直徑長摩擦復(fù)合樁基,且其沉降滿足規(guī)范要求;由試驗結(jié)果得知,此類樁基在Q2離石黃土層上單樁及單樁承臺的承載能力還具有較大潛力,并不局限于本次試驗結(jié)果.

(2)上部荷載較大時,設(shè)計常采用坐落于深層持力層的全長樁設(shè)計方案,導(dǎo)致出現(xiàn)大量長樁或超長樁,使施工難度和工程投資大大增加,同時上部淺層持力層良好的承載力得不到充分利用,實為可惜.為此,提出長短樁組合樁基礎(chǔ)設(shè)計思想,長樁主要控制沉降,短樁主要提供承載力,于常規(guī)設(shè)計方法相比,減少了長樁數(shù)量,節(jié)省工程造價.

(3)與全短樁基礎(chǔ)相比,長短樁組合樁基礎(chǔ)減小了基礎(chǔ)沉降,與全長樁基礎(chǔ)相比,減少了長樁數(shù)量,減少工程量.

(4)長短樁組合樁基礎(chǔ)的沉降由長樁控制,長樁達到一定的數(shù)量后,繼續(xù)增加長樁數(shù)量對沉降影響不大.

[1]張建輝,鄧安福．樁筏基礎(chǔ)的新型分析方法[J]．土木工程學(xué)報, 2002,35(4):103G108．

[2]張建輝,張素芬,鄧安福．變樁徑、樁長群樁樁一土體系相互作用分析模型[J]．重慶建筑大學(xué)學(xué)報,2007,29(6):67G71．

[3]曹煒,陳春燕．長短樁組合樁基礎(chǔ)的研究與應(yīng)用[J]．西部探礦工程,2007,19(4):170G171．

[4]張建輝．層狀地基上樁筏基礎(chǔ)的分析方法及其布樁優(yōu)化研究[D]．重慶:重慶建筑大學(xué),1999．

[5]楊樺．長短樁組合樁基礎(chǔ)工作性狀及工程設(shè)計問題研究[D]．上海:同濟大學(xué),2006．

[6]王劍峰．兩種長短樁基礎(chǔ)分析方法的比較[J]．西部探礦工程, 2006,18(3):8G10．

[7]王濤,劉金礪．帶裙房高層建筑樁基優(yōu)化設(shè)計與樁土相互作用影響系數(shù)的試驗研究[D]．北京:中國建筑科學(xué)研究院,2007．

[8]劉金礪．樁土變形計算模型和變剛度調(diào)平設(shè)計[J]．巖土工程學(xué)報,2000,22(2):151G157．

[9]馬驥,張東剛,張震,等．長短樁復(fù)合地基設(shè)計計算[J]．巖土工程技術(shù),2001,15(2):86G91．

[10]鄧超．長短樁復(fù)合地基承載力與沉降計算[D]．杭州:浙江大學(xué),2002．

[11]陳波．考慮樁周土摩阻力的細長樁壓屈荷載[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報,2005,17(2):121G124．

Stimulation Study of LongGshort Pile Foundation in Q2 Loess Sites of SuperGlarge Thickness

Zhu Yanpeng1,2,Wang Zhentao1,2,Bao Zexue3,Dong Yunxiu4
(1．Northwest Center for Disaster Mitigation in Civil Engineering,Ministry of Education,Lanzhou 730050,China; 2．School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 3．Gansu Institute of Urban Planning and Design,Lanzhou 730000,China; 4．Longdong University,Qingyang 745000,China)

It is the best choice to choose pile raft composite foundation of major diameter and long friction in the construction of high buildings of this kind of region aiming at the Q2 Lishi loess sites of superGlargethickness．The design idea of composite longGshort pile foundations is proposed according to the test results of static load tests of single piles in the loess sites of superGlarge thickness,based on the principle of settleG ment reducing piles,and basic thinking of long piles controlling deformation and short piles providing bearG ing capacity．Two types of piles with same diameter(d＝800 mm),different length(L1＝40 m and L2＝20 m)and different bearing capacity are confirmed combining with the test results．The quantity of long piles and short piles is determined by estimation of upper structural load．According to the relevant specifiG cations,the deformation characteristics of the foundation of short piles,long piles and composite longGshort piles under the effect of vertical load are conducted with threeGdimensional finite element analysis by adopG ting simplified model and Analysis．The analysis results indicate that composite pile foundation with long and short piles can not only reduce plenty of long piles use,but also can control effectively the total settleG ment and differential settlement of the foundation,which shows a good application prospect．

LongGshort piles;Settlement of pile body;Axial force of pile;Experiment stimulation

TU473

A

1004G0366(2016)02G0072G06

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．016．

2014G12G15;

2015G02G12．

朱彥鵬(1960－),男,甘肅慶陽人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為支擋結(jié)構(gòu)、地基處理和工程事故分析與處理等．EGmail:zhuyp＠lut．cn．