大直徑素混凝土樁復(fù)合地基承載及變形特性研究

聶 源

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著城市超高層建筑的大量涌現(xiàn)，對地基承載力有了更高的要求，成都地區(qū)多個(gè)高層建筑的地基采用大直徑素混凝土樁復(fù)合地基進(jìn)行處理。大直徑素混凝土樁復(fù)合地基多以中(強(qiáng))風(fēng)化泥巖作為持力層，其樁徑比普通素混凝土樁(通常為400～600 mm)更大，一般在800～1 200 mm之間。由于其樁徑大，使得樁與樁間土的接觸面積更大，更能夠發(fā)揮樁間土的作用，同時(shí)還可以提高復(fù)合地基的整體剛度，從而使得地基承載力更高以及地基沉降量更小[1-3]。此外，采用大直徑素混凝土樁能保證在置換率較高的情況下，有足夠大的凈間距而便于施工，使得樁身混凝土質(zhì)量有了更好的保障。在目前的超高層建筑中，大直徑素混凝土樁復(fù)合地基承載力的特征值可達(dá)550～900 kPa，有些已超過1 000 kPa。

近年來，部分學(xué)者先后對大直徑素混凝土樁復(fù)合地基開展了一系列研究。黃榮[4]結(jié)合工程實(shí)例，闡述了采用大直徑人工挖孔素混凝土樁的地基處理方式，并通過驗(yàn)算證明了大直徑素混凝土樁對于軟土地基加固處理的有效性。王榮[5]詳細(xì)介紹了大直徑素混凝土樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)、施工和檢測過程，驗(yàn)證了采用大直徑素混凝土樁進(jìn)行地基處理的可行性。王麗娟[6]通過現(xiàn)場監(jiān)測、有限元分析等方法，研究了大直徑素混凝土樁復(fù)合地基的力學(xué)特性。符征營[7]以成都某巖溶場地項(xiàng)目為例，得出大直徑素混凝土樁復(fù)合地基在巖溶場地中的適用性。劉洪波[8]將現(xiàn)場監(jiān)測與理論推導(dǎo)相結(jié)合，提出一種能真實(shí)反映大直徑素混凝土樁復(fù)合地基受力變形的計(jì)算理論及設(shè)計(jì)方法。李海生[9]結(jié)合大直徑素混凝土樁復(fù)合地基工程項(xiàng)目建立了Plaxis3D模型，得出加載過程中的樁土荷載、樁頂位移及樁身軸力變化規(guī)律。王俊峰[10]根據(jù)復(fù)合地基、樁基礎(chǔ)以及復(fù)合樁基的差異性對比，分析了大直徑素混凝土樁復(fù)合地基的工程特性及其影響因素。

雖然上述學(xué)者對大直徑素混凝土樁復(fù)合地基的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但其中對大直徑素混凝土樁復(fù)合地基承載及變形特性的研究較少，并且缺乏對上部結(jié)構(gòu)-筏基-復(fù)合地基協(xié)同作用的整體分析。目前，對大直徑素混凝土樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)是按承載力進(jìn)行控制，但由于高層建筑往往以沉降控制為主，所以當(dāng)下的設(shè)計(jì)方法存在較大的缺陷，并不能真實(shí)反映此類復(fù)合地基受力及變形特性。因此，本文將結(jié)合前人的研究成果，以“綠地中心·蜀峰 468 工程”T2 塔樓的大直徑素混凝土樁復(fù)合地基為研究對象，采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行三維數(shù)值仿真，并與相同條件下的復(fù)合樁基進(jìn)行對比分析，研究大直徑素混凝土樁復(fù)合地基的承載及變形特性，為考慮上部結(jié)構(gòu)-筏基-復(fù)合地基協(xié)同作用的復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

“綠地中心·蜀峰468超高層項(xiàng)目”位于成都市東部新城文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)綜合功能區(qū)核心區(qū)，成都市驛都大道地鐵2號線洪和河站A1和A2出口南側(cè)，椿樹街東側(cè)。地質(zhì)勘察表明，該場地巖土主要由第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、第四系中、下更新統(tǒng)冰水沉積層(Q2-1fgl)以及下覆白堊系灌口組(K2g)砂、泥巖組成，而復(fù)合地基中的大直徑素混凝土樁主要處于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化的泥巖中，其下為微風(fēng)化的泥巖。該項(xiàng)目由編號分別為T1、T2、T3的3棟超高層塔樓和局部地上3層的裙房及4～5層地下室組成。其中，T1塔樓主體建筑高度將達(dá)到468 m的超高層地標(biāo)型建筑，采用人工挖孔樁基礎(chǔ)；T2、T3塔樓采用筏型基礎(chǔ)，裙房采用獨(dú)立基礎(chǔ)，為滿足承載力要求，筏基及獨(dú)立基礎(chǔ)的地基均采用大直徑素混凝土置換樁進(jìn)行處理，要求經(jīng)加固后的復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)1 400 kPa，部分區(qū)域達(dá)到1 200 kPa，裙房獨(dú)立基礎(chǔ)區(qū)域達(dá)到1 000 kPa。

T2塔樓筏板的面積為1 792.2 m2，周長170.8 m，共布置232根樁，樁徑1.3 m，樁長15.3 m，以中風(fēng)化泥巖為持力層，采用C25混凝土澆筑。其中處理后要求復(fù)合地基承載力特征值達(dá)到1 400 kPa的區(qū)域，樁間距不大于2.6 m×2.6 m；要求達(dá)到1 200 kPa的區(qū)域，樁間距不大于2.9 m×2.9 m。

2 數(shù)值模型建立

本文在建模時(shí)對模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚?，將?fù)合地基中的圓形樁簡化為等截面面積的方形樁。忽略筏基局部尺寸差異，其A(承載力處理要求達(dá)1 400 kPa)、B(承載力處理要求達(dá)1 200 kPa)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的樁長、樁徑均相同。同時(shí)為了使網(wǎng)格劃分較為規(guī)則，提高計(jì)算精度和效率，將土體簡化為上下兩層，樁間土為微強(qiáng)風(fēng)化泥巖，并假定上層土體厚度與樁長相等；持力層厚度取為上層土厚度的3倍。通過試算并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)確定模型的計(jì)算范圍：底部剛性邊界設(shè)在大直徑素混凝土柱底下超過3倍樁長處，計(jì)算區(qū)域深度共計(jì)60 m；水平向的計(jì)算邊界，其中橫向?yàn)?40 m，縱向?yàn)?86 m，計(jì)算模型見圖1。素混凝土樁、筏板采用線彈性本構(gòu)模型，褥墊層和土體均采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。根據(jù)實(shí)際情況確定邊界條件，土層底面采用固定約束，控制x、y、z方向上的變形；土體兩組側(cè)面采用水平向約束，控制x、y方向上的變形；筏板基礎(chǔ)頂面為自由面；上部結(jié)構(gòu)側(cè)面為水平向約束，頂面為自由面。本模型單元類型為C3D8R單元，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)283 946個(gè)，生成網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 上部結(jié)構(gòu)-筏板-復(fù)合地基的數(shù)值模型

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)復(fù)合地基設(shè)計(jì)資料、勘察報(bào)告和經(jīng)驗(yàn)，選取材料計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型材料參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

為了準(zhǔn)確地模擬真實(shí)工況并有效反映出復(fù)合樁基工程特性變化規(guī)律，采用分級加載，共分為12級，每級荷載100 kPa，A區(qū)域從300 kPa加載到1 400 kPa，B區(qū)域從100 kPa加載到1 200 kPa。加載完成后，對復(fù)合地基的沉降分布規(guī)律、樁身軸力分布規(guī)律進(jìn)行了分析，并對褥墊層厚度的影響進(jìn)行了研究。

3.1 整體沉降

加載到最后一級荷載后，復(fù)合地基整體、筏板、樁體豎向位移云圖如圖3所示。從圖3可以看出，上部荷載達(dá)最大時(shí)，上部結(jié)構(gòu)-筏板-復(fù)合地基整體及周邊土體沉降均勻，就整個(gè)計(jì)算區(qū)域而言，豎向位移呈現(xiàn)“中間大，外側(cè)小”的分布規(guī)律，沉降量從內(nèi)向外逐步擴(kuò)散并減小，呈橢圓形輻射式衰減。這是由于中心區(qū)域承受最大荷載作用，故該區(qū)域內(nèi)沉降變形相對較大。

3.2 樁身軸力分布規(guī)律

選取模型中具有代表性的幾根特征樁進(jìn)行分析，如圖4所示，以A區(qū)域1#中心樁、3#邊樁，以及B區(qū)域2#中心樁、4#邊樁為例。

樁身軸力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，1#樁最大軸力為6 890 kN，2#樁最大軸力為7 350 kN，3#樁最大軸力為12 500 kN，4#樁最大軸力為14 300 kN。由圖可知，4根特征樁均存在負(fù)摩擦阻力，1#和3#樁(A區(qū)域樁)的負(fù)摩擦阻力主要存在于0～4 m之間(樁頂算起)，2#和4#樁(B區(qū)域樁)的負(fù)摩擦阻力主要存在于0～5 m之間(樁頂算起)。經(jīng)分析認(rèn)為：由于設(shè)置了褥墊層，樁體受到荷載作用時(shí)將“刺入”褥墊層，在滿足樁—土變形協(xié)調(diào)的前提下，樁間土產(chǎn)生較大的壓縮量從而產(chǎn)生較大的豎向抗力，與樁體共同承擔(dān)荷載。因此，樁體軸力分布規(guī)律為：在褥墊層下一定范圍內(nèi)，樁體沉降小于樁間土沉降，樁側(cè)出現(xiàn)負(fù)摩擦阻力，在此范圍內(nèi)軸力隨深度的增加逐漸增大；超出此范圍后，樁體沉降大于樁間土沉降，樁側(cè)出現(xiàn)正摩擦阻力，此時(shí)軸力隨深度的增加逐漸減小。

圖3 整體沉降云圖

圖4 特征樁示意

圖5 樁身軸力計(jì)算結(jié)果

3.3 褥墊層厚度影響分析

本文通過樁-土應(yīng)力比分析褥墊層厚度變化對復(fù)合地基的影響，為較全面反映褥墊層厚度對大直徑素混凝土樁復(fù)合地基工程特性的影響，在本模型其他條件和參數(shù)不變的情況下，褥墊層厚度分別取0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。樁-土應(yīng)力比隨褥墊層厚度的變化趨勢如圖6所示，可以看出，在不鋪設(shè)褥墊層的情況下，樁-土應(yīng)力比明顯較大；隨著褥墊層的厚度從10～40 cm，樁-土應(yīng)力比逐漸降低，最終趨于平穩(wěn)。由此可知，復(fù)合地基中褥墊層的設(shè)置，能夠保證樁-土共同承擔(dān)上部荷載，但當(dāng)褥墊層厚度達(dá)到一定程度時(shí)，繼續(xù)增加厚度不能有效減小樁-土應(yīng)力比。得出此工程褥墊層的合理厚度為20～40 cm，設(shè)計(jì)厚度為30 cm，在合理范圍內(nèi)。

圖6 樁-土應(yīng)力比隨褥墊層厚度變化

4 復(fù)合樁基和復(fù)合地基對比分析

為分析比較復(fù)合地基與復(fù)合樁基作用機(jī)理的差別，仍以“蜀峰468”工程的T2塔樓的地基為背景，將其中的復(fù)合地基變換為復(fù)合樁基(去掉褥墊層)，進(jìn)行模擬加載，研究復(fù)合地基和復(fù)合樁基在工作荷載下的沉降量及樁身軸力分布規(guī)律，對比分析兩者工作性狀的差異。

4.1 整體沉降

復(fù)合樁基豎向位移計(jì)算結(jié)果如圖7所示。對比圖3(a)與圖7(a)可知，上部荷載達(dá)到最大時(shí)，在荷載集中的中心區(qū)域內(nèi)，復(fù)合地基和復(fù)合樁基的沉降變形均較大，沉降的分布規(guī)律均為“中間大，外側(cè)小”，從內(nèi)向外逐步擴(kuò)散并減?。粚Ρ葓D3(b)與7(b)知，復(fù)合地基中樁的沉降略大于復(fù)合樁基中的樁。由圖7(c)可知，復(fù)合地基筏板的沉降量大于復(fù)合樁基。綜合計(jì)算結(jié)果，可以得出復(fù)合地基整體沉降量大于復(fù)合樁基。

圖7 復(fù)合地基與復(fù)合樁基沉降對比

4.2 樁身軸力分布

圖8 復(fù)合地基與復(fù)合樁基樁身軸力對比

為便于對比分析，選擇與復(fù)合地基相同位置處的特征樁(圖4)。復(fù)合樁基與復(fù)合地基樁身軸力曲線分布對比如圖8(a)～圖8(d)所示，由樁身軸力分布圖可知，在數(shù)值上，復(fù)合樁基樁體的軸力大于復(fù)合地基，說明在相同上部荷載作用下，復(fù)合樁基的樁體壓縮量大于復(fù)合地基，而圖7中得出復(fù)合地基整體沉降量大于復(fù)合樁基，由此可以推斷出復(fù)合地基中樁間土的壓縮量要大于復(fù)合樁基。在分布上，復(fù)合樁基中2#與4#樁的樁頂處軸力最大，沿深度逐漸減小，說明樁側(cè)摩阻力為正；1#與3#樁的最大軸力位于樁頂之下，說明存在負(fù)摩阻力。復(fù)合樁基工程中，負(fù)摩擦阻力的產(chǎn)生可能導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降、樁基損壞等工程事故。但在復(fù)合地基中負(fù)摩阻力卻有積極的作用，因?yàn)閺?fù)合地基中鋪設(shè)了一定厚度的褥墊層，所以從荷載一開始作用就存在一個(gè)負(fù)摩阻區(qū)，即初始加載時(shí)就有負(fù)摩擦阻力產(chǎn)生，使樁間土參與承擔(dān)上部荷載，從而提高了地基的承載力。因而，復(fù)合地基優(yōu)于復(fù)合樁基。

5 結(jié)論

本文使用ABAQUS有限元軟件建立大直徑素混凝土樁復(fù)合地基-筏板基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)共同作用下的數(shù)值模型，分析了地基沉降、樁身軸力分布規(guī)律以及褥墊層厚度的影響，并與復(fù)合樁基的沉降量、軸力分布進(jìn)行了對比。主要結(jié)論如下：

(1)在褥墊層下一定范圍內(nèi)，樁體沉降小于樁間土沉降，樁側(cè)摩擦阻力為負(fù)，在此范圍內(nèi)軸力隨深度逐漸增大；超出此范圍后，樁體沉降大于樁間土沉降，樁側(cè)摩擦阻力為正，此時(shí)軸力隨深度逐漸減小。

(2)褥墊層能夠保證樁體與樁間土共同承擔(dān)上部荷載，當(dāng)褥墊層厚度達(dá)到一定程度時(shí)，繼續(xù)增加厚度不能有效減小樁-土應(yīng)力比。針對本工程，褥墊層的合理厚度為20～40 cm。在本設(shè)計(jì)中褥墊層厚度取值為30 cm，滿足合理范圍要求。

(3)復(fù)合地基整體沉降量略大于復(fù)合樁基，但受力性能優(yōu)于復(fù)合樁基。復(fù)合樁基中部分樁體存在負(fù)摩擦阻力，其存在可能產(chǎn)生不良影響，引發(fā)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降、樁基損壞等工程事故；復(fù)合地基中所有樁體均存在負(fù)摩擦阻力，其存在是有益的，使樁-土共同承擔(dān)荷載，從而提高地基承載力。