淺析樁與土體間的相互作用

摘 要：建筑工程的建設(shè)過程中，樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)尤為重要，樁基礎(chǔ)承載著整個建筑的上部的主要荷載，土與樁基礎(chǔ)之間的作用是提升承載力的。本文通過用PLAXIS 3D軟件進(jìn)行有限元模擬在樁基處于一定的荷載作用下，分析樁基礎(chǔ)與土體間的相互影響，通過軟件計(jì)算出樁的最大應(yīng)力及土的最大位移；以便在實(shí)際工程中更好的利用天然地基的承載力，從而在保證其安全的條件下，減少樁基礎(chǔ)的用量，節(jié)約資源。

關(guān)鍵詞：樁基；土體；PLAXIS 3D；相互作用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.091

1 前言

建筑工程的建設(shè)過程中，樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)尤為重要，樁基礎(chǔ)承載著整個建筑的上部的主要荷載，土與樁基礎(chǔ)之間的作用是提升承載力的。通過考慮樁基礎(chǔ)與土體間的相互作用，更加充分發(fā)揮天然地基承載力，從而減少樁的使用量，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。樁基礎(chǔ)與土體間的相互作用是現(xiàn)在工程中出現(xiàn)的一個重要的問題，國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者對樁土間的相互作用進(jìn)行了研究[3-4]。陳順偉等[5]通過使用ANSYS有限元軟件，建立模型，施加動靜荷載，使用有限元分析法，從而分析樁與土體間的相互作用，分析兩者間的力學(xué)特征。王春等[6]通過對工程實(shí)例的具體分析，發(fā)現(xiàn)了目前樁土模型在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中存在著一定的局限性，并提出一個使用程序計(jì)算樁土之間相互作用的模型。戴民等[7]通過研究樁與土之間相互作用的理論意義，對國內(nèi)外樁土之間相互作用做出了詳細(xì)的總結(jié)。

2 模型建立

本文采用一款已經(jīng)在巖土工程項(xiàng)目廣泛使用的有限元計(jì)算軟件PLAXIS 3D進(jìn)行樁基礎(chǔ)的模型建立。采用10節(jié)點(diǎn)三角單元進(jìn)行模擬土體，首先對該模擬樁基礎(chǔ)所在場地（幾何尺寸為：80mx60mx30m）的土層進(jìn)行劃分。如圖1所示，將該場地土層分為三層，最上面一層為沙土層頂部為±0m，底部為-5 m；中間層為碎石層，頂部-5 m，底部-10 m；第三層為粘土層，頂部-10 m，底部-30 m。地下水位位于-8米處，并設(shè)有地下水頭。為模擬樁基礎(chǔ)與土體間的相互作用，數(shù)值模擬過程中分為樁孔的開挖與樁體的建造、承臺板的建造、上部荷載施加。為更清楚反應(yīng)出樁對土體的影響分布情況。設(shè)置六根獨(dú)立樁，樁體尺寸：D=0.8m、H=19m，樁間距為4m，采用1m厚承臺板將其進(jìn)行整體連接。模擬過程網(wǎng)格劃分如圖2所示，并對局部網(wǎng)格進(jìn)行加密。荷載施加在承臺板上，荷載采用逐漸增大的方式進(jìn)行施加最終增加至500kN/m2。通過有限元軟件計(jì)算得到樁體與土體間的應(yīng)力與位移。

3 模型計(jì)算

土體采用的模型是Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，并滿足不相關(guān)聯(lián)流動法則和材料張力限值。Mohr-Coulomb為：

相應(yīng)的勢函數(shù)為：

式中：

為土的內(nèi)摩擦角；c為黏聚力；φ是剪脹角；為t時(shí)刻應(yīng)力第1不變量；為t時(shí)刻偏應(yīng)力第2不變量；為t時(shí)刻偏應(yīng)力第3不變量。

通過一系列的計(jì)算，荷載由-10.24KN/m2開始增大到7993 KN/m2土體開始出現(xiàn)應(yīng)力集中分布現(xiàn)象如圖3，此時(shí)樁基礎(chǔ)的最大位移為0.6577m如圖4，相應(yīng)的最小孔隙水壓力為-7776，最大為8036.如圖5所示。如圖中所示，樁基礎(chǔ)周圍的土出現(xiàn)應(yīng)力集中，停止施加荷載，在該結(jié)構(gòu)模擬的過程中，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力及孔隙水壓力主要出現(xiàn)在樁頂及樁底部。若要使樁基礎(chǔ)承受更大的荷載，可主要處理樁基的頂部和底部，加強(qiáng)兩端的承受應(yīng)力集中的能力。從而使天然土基的承載力得到更加充分的利用。

4 工程實(shí)例

某項(xiàng)目為住宅建筑工程，采用的是樁基礎(chǔ)的施工技術(shù)，充分利用

樁與土之間的相互作用，樁基礎(chǔ)的安全等級為二級，工程地質(zhì)情況從上向下依次為沙土、雜填土、粘土、淤泥等，地質(zhì)情況比較特殊，所以采用兩種樁型：灌注樁和預(yù)制樁，灌注樁長23-27m，樁徑為700mm、800mm.樁體用C30 混凝土，每根樁的極限承載力大約為1200KN.預(yù)制樁則采用混凝土強(qiáng)度等級為C80的預(yù)應(yīng)力混凝土樁，樁徑為500mm，壁厚為125mm，每根樁的設(shè)計(jì)承載力為大約1800KN，采用錘擊法，樁長為20-25m.并確保地基中的粘土在物理化學(xué)反應(yīng)的條件下形成堅(jiān)固的土拱，在土拱的上部挖一條地溝以便地下水的排出。該項(xiàng)目充分利用樁與土之間的相互作用，最大限度的提升了天然地基的承載力，有效的結(jié)合樁型，減少了混凝土的用量，降低了資源的浪費(fèi)。

5 結(jié)論

作為建筑施工的重要部分，樁基礎(chǔ)在滿足承載力設(shè)計(jì)的要求下，要嚴(yán)格控制沉降，剛?cè)釓?fù)合樁基與天然地基的相互作用，可以更有效的減少樁的沉降，與樁基礎(chǔ)相互作用更有效的提高承載力。

（1）樁與土之間相互作用的前提是樁基礎(chǔ)之間的地基土的壓縮量是樁自身的壓縮量和樁斷刺入量的總和。在確定樁頂荷載的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)承載力一般大于單樁承載力特征值。結(jié)合結(jié)構(gòu)的允許沉降值，由不同作用力水平下基礎(chǔ)沉降的設(shè)計(jì)值來確定樁頂荷載的設(shè)計(jì)。

（2）本文研究的樁與土間的相互作用，充分發(fā)揮樁間土的承載力，達(dá)到節(jié)約樁的目的。在本文工程實(shí)例中，用樁量節(jié)約1/3，樁間土可分擔(dān)8%的荷載，且能正常使用。既滿足了安全需要，也達(dá)到了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[5]陳順偉，梁棟，徐東強(qiáng)，陳向紅.靜、動載荷下樁-土作用體系的非線性有限元分析[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（03）：78-81.

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[7]戴民，周云東，張霆.樁土相互作用研究綜述[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（05）：568-571.

作者簡介：劉振江（1981-），男，天津人，碩士研究生，工程師，主要從事水利水電工程勘察工作。