剛性基礎(chǔ)下組合樁復(fù)合地基下臥層沉降分析

程一杰，馬利東，劉 洋

(1. 華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 北京誠通嘉業(yè)集團(tuán),北京 100062)

剛性基礎(chǔ)下組合樁復(fù)合地基下臥層沉降分析

程一杰1，馬利東2，劉 洋1

(1. 華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 北京誠通嘉業(yè)集團(tuán),北京 100062)

針對剛性基礎(chǔ)下長短組合樁復(fù)合地基，采用Flac3D模擬軟件結(jié)合現(xiàn)場資料構(gòu)建有限元分析模型，分析了長短組合樁復(fù)合地基下臥層的沉降規(guī)律。通過控制改變荷載等級與短樁長度，對復(fù)合地基下特征點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測記錄分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，進(jìn)一步揭示長短樁復(fù)合地基下樁土各個(gè)交界面的沉降情況，為沉降計(jì)算的改良提供理論支撐。

組合樁復(fù)合地基；下臥層；Flac3D模擬；交界面沉降

0 引言

組合樁復(fù)合地基在近年來有了很大的發(fā)展，但與工程實(shí)踐相比，復(fù)合地基沉降理論還是相對比較滯后[1]，尤其是關(guān)于組合樁復(fù)合地基下臥層沉降理論的研究就更為缺乏。目前，等長樁復(fù)合地基特性研究較多，在上覆荷載的條件下，導(dǎo)致樁土共同加固區(qū)產(chǎn)生壓縮量以及下臥層持力產(chǎn)生壓縮量，其中下臥層壓縮量是占主要部分，下臥層壓縮量主要是由樁體對下臥層的刺入量以及下臥層受壓沉降量構(gòu)成。由于復(fù)合地基下臥層應(yīng)力分布規(guī)律難以掌握，很多計(jì)算方法都是將下臥層附加應(yīng)力看作是均布應(yīng)力，等效作用面位于樁端平面[2]，計(jì)算下臥層使用分層總和法、等效實(shí)體法、改進(jìn)Geddes法等[3]。對于長短組合樁復(fù)合地基來說，短樁改變了長樁之間的應(yīng)力狀態(tài)，與等長樁復(fù)合地基下臥層性狀相比必然會有變化，對下臥層沉降的計(jì)算條件也必定會有影響，采用等效天然地基計(jì)算誤差較大，加權(quán)模量法沒有考慮樁體的刺入作用，對長短組合樁復(fù)合地基下臥層沉降分析還較為缺乏，所以本文通過研究，找出復(fù)合地基各個(gè)交界面沉降規(guī)律，從而對長短樁復(fù)合地基下臥層沉降與總沉降進(jìn)行分析，為計(jì)算改進(jìn)提供依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)概述

以北京市亞運(yùn)村的錦繡馨園為工程背景，進(jìn)行Flac3D建模，通過建模對比分析沉降結(jié)果和現(xiàn)場觀測沉降數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證數(shù)值模型建立的可靠性。經(jīng)長短樁處理后復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于480 kPa，地基處理方案設(shè)計(jì)為CFG樁復(fù)合地基處理形式。采用正方形布樁方式，樁間距為1.2 m，長樁樁長為16 m，樁徑為0.4 m，短樁樁長為4 m，樁徑為0.45 m。采用中砂褥墊層，厚度為0.2 m。地質(zhì)勘查顯示，地層主要是以粉質(zhì)黏土為主，下臥層為礫石土層。表1是封頂后5個(gè)月的沉降觀測值。

表1 錦繡馨園地基沉降量

2 計(jì)算模型與計(jì)算方案

2.1 計(jì)算模型

Flac3D有限元程序在模擬的后處理中具有較大的優(yōu)勢，并且成圖效果好，本文采用Flac3D模擬軟件對長短組合樁復(fù)合地基樁端與下臥層之間交界面進(jìn)行研究。

選取等效單元進(jìn)行建模實(shí)驗(yàn)，假設(shè)土體為摩爾庫倫模型，樁、加壓板為理想彈性模型，根據(jù)工程布樁建立下圖局部模型。由于是選取群樁中的一個(gè)單元，單元四周側(cè)限較大，近似看做單元在側(cè)面邊界為水平滑動(dòng)支座；側(cè)面邊界，選取在單元周邊相鄰樁體邊緣；上邊界無限制，定為自由邊界；底面邊界一般確定為地基沉降計(jì)算深度取附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值為20%處，軟土10%處，巖層表面處。根據(jù)已有資料對此軟土模型的試算，通過分析近似將下臥層沉降起始位置定為在長樁下3.5 m左右，設(shè)定為豎向滑動(dòng)支座[4-5]。

本計(jì)算模型根據(jù)現(xiàn)場資料選取其中九樁單元進(jìn)行1∶1建模，單元尺寸為3.6 m×3.6 m×20 m，如圖1左所示。長短樁截面直徑分別為0.4 m、0.45 m，樁間距為1.2 m，長角樁為1、3、7、9號樁，中心長樁為5號，長16 m；短樁為2、4、6、8號樁，長4 m；中砂褥墊層厚度0.2 m。圖1右是沿2、5、8號樁截面圖，并標(biāo)記模型監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)，點(diǎn)號1～6分別是中心樁上方加載板頂、中心樁樁頂、中心樁樁身4 m處、中心樁樁端、中心樁正下方下臥層0.5 m處、中心樁正下方下臥層3.5 m處沉降；截面Ⅰ～Ⅳ分別是在加載板頂、樁頂、短樁底、長樁底、長樁樁端下0.5 m、長樁樁端下3.5 m各平面位置。根據(jù)地勘資料及分析計(jì)算和在規(guī)范內(nèi)合理選取模型運(yùn)算參數(shù)[6]，如表2。

圖1 計(jì)算模型布樁圖與截面圖

材料類型層厚/m彈性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°密度kg/m3土體21270.442221950褥墊層0.02700.2515292050長樁16.0130000.302500短樁4.0130000.302500加載板0.02280000.253000

2.2 模型驗(yàn)證

圖2是通過Flac3D數(shù)值模擬得出在480 kPa下長短樁復(fù)合地基位移場圖，可以看出在上覆荷載作用下，復(fù)合地基的最終沉降為22.63 mm，現(xiàn)場實(shí)測平均沉降為24.78 mm，其偏差在8.6%，模型合理可行。

圖2 復(fù)合地基與組合樁位移場圖

由圖2右分析可知，短樁的沉降最大，其次是中心樁沉降，最后是角樁沉降；短樁的沉降接近于總體沉降。根據(jù)Flac3D運(yùn)算結(jié)果，提出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，2、4、6、8號短樁平均沉降量為22.40 mm，5號中心樁樁頂處沉降量為22.20 mm，1、3、7、9號角長樁平均沉降量為21.86 mm。中心樁樁端沉降量為21.50 mm，樁頂與樁端沉降差即是樁的壓縮量，因此中心長樁壓縮量為0.70 mm，角樁樁端平均沉降量為21.13 mm，壓縮量為0.73 mm，短樁樁端平均沉降量為22.26 mm，壓縮量為0.14 mm，根據(jù)圧縮量也可以看出角樁的受力比中心樁大，短樁受力相比于長樁小很多。

2.3 下臥層沉降分析

復(fù)合地基總沉降S由三部分組成[7]：

S=S1+S2+S3

(1)

式中S1——長短樁共同加固區(qū)1(截面Ⅱ～Ⅲ位置)的壓縮量；

S2——長樁加固區(qū)2(截面Ⅲ～Ⅳ位置)的壓縮量；

S3——下臥層(截面Ⅳ以下位置)的壓縮量。

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可知長樁、短樁的壓縮量相比于總沉降來說，占總沉降比例的3%以下，褥墊層的壓縮量也很小，因此在長短組合樁復(fù)合地基中與等長樁復(fù)合地基相似[8]，下臥層的沉降在長短組合樁復(fù)合地基總沉降中占主要地位。下圖3是中心長樁處各監(jiān)測點(diǎn)隨荷載變化時(shí)的位移圖，可看出在一定荷載內(nèi)，復(fù)合地基總沉降隨著荷載的增大呈現(xiàn)拋物線型，樁端沉降與總沉降相差值比較小，表明樁頂上刺入不明顯；中心樁樁端=與下臥層0.5 m處在480 MPa下沉降量之差為16.62 mm，占總沉降的73.4%，下臥層0.5 m處與下臥層3.5 m處沉降量之差為3.87 mm，占總沉降的17.1%，所以主要沉降在下臥層接近樁端的部分。在對角樁進(jìn)行數(shù)據(jù)提取時(shí)，也有相同的特征，樁端下0.5 m厚的下臥層壓縮量都占總沉降的70%以上。因此對下臥層控制是對沉降控制的關(guān)鍵，尤其是接近樁端的土體部分。

圖3 復(fù)合地基中心樁各個(gè)位置沉降

下圖4是在標(biāo)準(zhǔn)荷載下，以中心樁為原點(diǎn)，2、8短樁為x方向、深度為z方向選取平面，記錄著經(jīng)過2、5、8樁的平面上，不同深度Ⅰ～Ⅴ各處特征點(diǎn)提取數(shù)據(jù)組成的位移曲線?？梢钥闯黾虞d板頂Ⅰ處總沉降較為平穩(wěn)，總沉降比樁頂Ⅱ截面處的中心樁位置沉降略微大0.22 mm，比樁頂Ⅱ截面處短樁位置沉降大0.08 mm，說明長短樁的上刺入作用不明顯，長樁上刺入稍大于短樁；短樁樁端Ⅲ截面處沉降接近于總沉降，說明短樁下的沉降主要發(fā)生在短樁樁端以下部分，樁頂平面Ⅱ處樁間土到截面Ⅲ處樁間土之間的沉降差為3.1 mm，比Ⅱ處的樁端沉降要小，說明共同加固區(qū)S1處樁和樁間土并不是完全的共同沉降；Ⅳ截面處，長樁端處樁土交接面沉降較大，樁間土、短樁下臥層沉降較小，從短樁樁端到Ⅳ截面處，短樁下的加固區(qū)S2沉降較大，有18.2 mm，樁間土沉降為15.2 mm，長樁之外的土體沉降接近，所以可以認(rèn)為復(fù)合地基短樁沉降主要發(fā)生在長樁加固區(qū)2，長樁沉降主要發(fā)生在下臥層；在長樁樁端下0.5 m處，各處沉降接近一致，中心樁略大0.16 mm。

圖4 中心截面各個(gè)位置沉降

圖5、圖6是以長樁16 m，短樁4 m為研究對象，監(jiān)測下臥層Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三層的沉降和應(yīng)力。由圖5可以看出在樁土接觸面Ⅳ處，中心樁樁端交接面處土的沉降很大，而截面其它監(jiān)測點(diǎn)沉降都比較平穩(wěn)，下臥層下0.5 mⅤ處與下臥層下3.5 mⅥ處沉降曲線較為平直，說明在這一區(qū)域長短樁復(fù)合地基對這一平面影響較小。圖6可以看出在中心樁位置下，中心樁樁土交接面處土的應(yīng)力大，導(dǎo)致了此處的沉降較大及一定的刺入作用，下臥層下0.5 mⅤ處比樁土交界面Ⅳ處應(yīng)力小很多，說明在這一區(qū)域，應(yīng)力下降明顯；到下臥層下3.5 mⅥ處，應(yīng)力基本保持穩(wěn)定，平面最大應(yīng)力和最小應(yīng)力偏差為2.17%，可以認(rèn)為在Ⅵ截面處附加應(yīng)力為均布應(yīng)力。

圖5 長樁樁端及以下三個(gè)截面沉降

圖6 長樁樁端及以下三個(gè)截面應(yīng)力

圖7是關(guān)于復(fù)合地基在改變短樁長度的條件下，基礎(chǔ)總沉降隨荷載變化的情況。長樁固定為16米，短樁由4 m逐步增長到16 m，總沉降逐漸減小，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，短樁4 m與短樁7 m沉降差為1.43 mm、短樁7 m與短樁10 m沉降差為1.61 mm、短樁10 m與短樁13 m沉降差為2.14 mm、短樁13 m與短樁16 m沉降差為2.32 mm，可見短樁樁長增長，其總沉降減小速率是逐漸增大的。

圖7 隨短樁長度變化基礎(chǔ)總沉降

圖8 隨樁長變化樁土交界面Ⅳ沉降

圖9 隨樁長變化下臥層Ⅴ交界面沉降

圖8、圖9是以中心樁為原點(diǎn)，2、8短樁為x方向，深度為y方向，研究在改變短樁長度的條件下，長短樁復(fù)合地基樁土接觸面Ⅳ、下臥層下0.5 mⅤ處沉降變化圖。圖8可以看出在長短樁情況下，短樁逐漸增長，中心樁樁端下臥層Ⅳ處沉降逐漸減少，而短樁下的沉降大致相同，樁間土的沉降也保持穩(wěn)定，長短樁的變化趨勢比較相近；在長樁16 m短樁15 m和等長樁16 m條件下，Ⅳ交界面處兩種樁型沉降差異很大，說明短樁造成的壓縮量在較小的范圍內(nèi)就已保持穩(wěn)定；除長樁樁端之外，沉降量都較小，說明短樁下的沉降在短樁端處就已經(jīng)發(fā)生，在Ⅳ接觸面處已到穩(wěn)定狀態(tài)。而圖9是下臥層0.5 m處沉降圖，其沉降量相比于下臥層Ⅳ到Ⅴ之間的沉降小很多，最大沉降不超過總沉降的18%，可以看出長短樁呈現(xiàn)“V”型，等長樁呈現(xiàn)“W”型，應(yīng)是受下刺入的影響，隨著短樁長度的增加，中心樁下0.5 m處總體沉降是逐漸增大，說明增長短樁有利于荷載傳遞到更深的土層中，同時(shí)也能保證總體沉降的減小。

3 結(jié)論

通過分析對比得出復(fù)合地基長短組合樁沉降有如下特征：

(1)在長短組合樁下，復(fù)合地基沉降下臥層的沉降占主要部分，褥墊層壓縮量和樁身壓縮量占較小一部分，短樁造成的沉降主要發(fā)生在長樁加固區(qū)2，長樁造成的沉降主要發(fā)生在下臥層。樁端造成的下臥層不均勻沉降的影響在一定的范圍之內(nèi)，超過此范圍，下臥層的應(yīng)力和沉降就已趨于平穩(wěn)，所以在計(jì)算時(shí)定義下臥層均布荷載面因在樁土交界面以下的合適位置。

(2)隨著短樁的長度增加，復(fù)合地基總沉降逐漸減少，減小的速率逐漸增大，中心樁下臥層樁土接觸面Ⅳ處沉降量總體呈現(xiàn)減少趨勢，短樁下臥層Ⅳ交界面沉降沒有太大影響，下臥層Ⅴ處沉降量有略微增大趨勢，增加短樁長度，短樁傳遞的不僅承受的荷載更大，并且傳遞的荷載也向更深處發(fā)展，所以使下臥層沉降增大。所以在長樁保持不變的情況下，增大短樁長度不僅減小整體沉降，更利于將荷載傳遞到更深的土層中。

(3)長短組合樁復(fù)合地基在加載板到短樁樁端平面，樁的沉降特征是長短樁沉降略小于總沉降，短樁位移略大于長樁位移，樁間土沉降的較小，在共同加固區(qū)內(nèi)，樁、土并不是共同沉降。短樁樁端沉降的影響范圍很小，不同短樁長度在短樁正下方下臥層0.5 mⅣ處的沉降都趨于一致，說明改變短樁長度，對短樁下下臥層影響不大，主要是改善應(yīng)力分布，減小了長樁下方下臥層沉降；在下臥層0.5 mⅤ處短樁下土體沉降與長樁下土體沉降近似呈現(xiàn)“V”形，等長樁近似呈現(xiàn)“W”形，此處的壓縮量占總沉降的18%，而下臥層Ⅳ到Ⅴ之間的壓縮量在60%以上，所以對復(fù)合地基沉降控制主要是對長樁樁端下的下臥層上部。

(4)組合樁復(fù)合地基長樁處下臥層隨著短樁的減小，其長樁沉降越大，下臥層沉降也大，表明長樁處下臥層受力越大，容易導(dǎo)致其土體發(fā)生破壞，所以可以采取加固樁端土體的方法來控制沉降。

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[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布,中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

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Substratumsettlementanalysisofcompositepilesfoundationunderrigidfoundation

CHENG Yi-jie1, MA Li-dong2, LIU Yang1

(1.SchoolofCivilEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yangjiao,065201,China; 2.BeijingChengtongGroupCompany,Beijing,100062,China)

For the composite foundation with the long and short composite piles under rigid foundation, combined with field data,a finite element analysis model was established by using Flac3D simulation software，the settlement law of the substratum under the long and short composite piles foundation is analyzed. By controlling the change of load grade and short pile length, the characteristic points of composite foundation are monitored and recorded. According to the experimental analysis results, the settlement of the pile-soil interface at the long and short pile composite foundation is revealed further, which provides theoretical support for the improvement of settlement calculation.

Combined pile composite foundation;substratum;Flac3D simulation; Interface settlement

2017-09-28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142017048)

程一杰(1992-)，男，湖北黃岡人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：巖土工程安全技術(shù)。E-mail: 944854644@qq.com

TU433

A

1672-7169(2017)05-0070-06