1、第27卷增刊I Vol.27 Sup. I 2010年 6 月 June 2010文章編號：1000-4750(2010)Sup.I-0150-04工 程 力 學(xué) ENGINEERING MECHANICS150剛性樁復(fù)合地基沉降機(jī)理與影響因素研究*楊德健1,2，王鐵成1(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津城市建設(shè)學(xué)院天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)摘 要：探討了天津軟土地區(qū)剛性樁復(fù)合地基樁、土、墊層共同作用的特點(diǎn)，分析不同荷載作用下剛性樁復(fù)合地基樁土位移場及樁土應(yīng)力比的變化規(guī)律；采用ANSYS有限元軟件分析了墊層模量、樁間土模量，以及樁間距等因

2、素對復(fù)合地基沉降變形的影響。研究表明：樁間土模量的變化對剛性樁復(fù)合地基的整體沉降量影響比較顯著，復(fù)合地基的整體沉降量隨樁間土體模量的增加而減小；樁間距是控制剛性樁復(fù)合地基整體沉降量的主要因素之一，地基沉降量隨樁間距的減小而減小，但樁間距過小時，對減少剛性樁復(fù)合地基整體沉降量的作用并不明顯。 關(guān)鍵詞：剛性樁復(fù)合地基；沉降；影響因素；墊層；樁-土應(yīng)力比 中圖分類號：TU433 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ARESEARCH ON SETTLEMENT MECHANISM AND INFLUENCEFACTORS OF RIGID PILE COMPOSITE-FOUNDATION*YANG De-jian1,2

3、, WANG Tie-cheng1(1. School of Constructional Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristic and Engineering Environment, Tianjin Institute of Urban Construction, Tianjin 300384, China)Abstract: Considering the pile-soil-cushion combined

4、action and the settlement varying regularities, this paper discussed some engineering characteristics of rigid pile composite-foundation in Tianjin soft-soil area. The varying regularities of pile and soils displacement field under all sorts of loads were firstly analyzed, then, the settlement prope

5、rties and their dependences on some influence factors were investigated by FEM. The influence factors considered are cushion modulus, modulus of soil between piles, and pile spacing. The settlement of rigid pile composite-foundation is found to be affected substantially by the modulus of soil betwee

6、n piles. The pile spacing affects the site settlement.Some measures for reducing settlement were putted forward.Key words: rigid pile composite-foundation; settlement; influence factors; cushion; stress ratio of pile-soil隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，土木工程及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入了飛速發(fā)展時期。特別是最近20年來各種高層、大型建筑物發(fā)展迅速，對建設(shè)場地地基提出了更高的要求12建

7、筑物的地基承載力，可采用載荷試驗(yàn)、理論公式計算以及原位試驗(yàn)進(jìn)行綜合確定56。但復(fù)合地基的變形問題則一直是困擾工程界的難點(diǎn)問題，由于試驗(yàn)難度、精度等原因，對于復(fù)合地基深部的應(yīng)力場、變形場、應(yīng)力水平等特性的研究尚需深入。所謂復(fù)合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強(qiáng)或被置換，是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強(qiáng)體兩部分組成的人工地基34。對剛性樁復(fù)合地基的研究，主要集中在確定其承載力和變形兩個問題上，實(shí)際工程中常采用現(xiàn)場載荷實(shí)驗(yàn)方法來確定其復(fù)合地基的承載力。對重要收稿日期：2009-04-06；修改日期：2009-10-10 基金項(xiàng)目：天津市重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(06YFSZ

8、SF04000)1 剛性樁復(fù)合地基樁、土、墊層協(xié)調(diào)工作特性樁體和樁間土體共同在上部荷載作用下產(chǎn)生沉降，在沉降過程中，樁、土、墊層、承臺之間相工 程 力 學(xué) 151互產(chǎn)生作用力與反作用力，隨著上部荷載的增加沉降也增加，當(dāng)土體中某處產(chǎn)生的塑性變形過大，不能承擔(dān)更多的荷載時，其相互作用會出現(xiàn)力的重新分布78。1.1 剛性樁復(fù)合地基沉降變形分析在上部荷載作用下，樁間土體的總壓縮量為 S上/m；下臥層土體的總壓縮量為S 下/m；褥墊層經(jīng)壓縮后厚度變?yōu)镠c2/m；樁身壓縮量為S3/m；樁端產(chǎn)生的沉降為下/m；樁頂產(chǎn)生的沉降為(下+S3)/m。如圖1所示。Hc1 Ec 下 + S3S上 Hc2L EE +

9、S下spzS下下臥層下圖1 剛性樁復(fù)合地基沉降模型示意圖 Fig.1 The settlement model of rigid pilecomposite-foundation樁間土體上部的褥墊層在Ps荷載的作用下產(chǎn)生的壓縮量Scs為：Scs=Hc1Hc2 (1)樁頂上部的褥墊層在荷載的作用下產(chǎn)生的壓縮量Scp為：Scp=Hc1Hc2+S上+S下下S3 (2)樁頂向褥墊層的刺入量上，即樁身與土體的相對位移為：上=S上+S下下S3 (3)以上式(1)式(3)是考慮剛性樁復(fù)合地基中樁-土-墊層相互作用時的變形關(guān)系。 1.2 剛性樁復(fù)合地基承載力特征根據(jù)其變形關(guān)系推導(dǎo)出其受力關(guān)系如下： 樁頂上部褥

10、墊層所受荷載Pp為：PEp=cHScp (4)c1樁間土上部褥墊層所受荷載Ps為：PEs=cHScs (5)c1考慮褥墊層整體的靜力平衡，得出：P=mPp+(1m)Ps (6) 另外，在剛性樁復(fù)合地基中還存在一個特殊的沉降面，稱為等沉面，即該位置處樁體沉降量與樁間土體沉降量相等。在等沉面以上樁間土體相對樁體向下位移，提供負(fù)摩阻力；等沉面以下樁間土體相對樁體向上位移，提供正摩阻力。鑒于此種復(fù)合地基變形及受力的特殊性，本文將在上述的理論基礎(chǔ)上建立剛性樁復(fù)合地基的有限元模型，做進(jìn)一步分析。2 剛性樁復(fù)合地基沉降變形有限元分析復(fù)合地基的計算理論尚處于探索和發(fā)展階段9，本文采用有限單元法，重點(diǎn)研究剛性樁

11、復(fù)合地基的沉降特征及影響因素，利用ANSYS有限元分析程序，考慮樁、土、褥墊層相互作用，建立整體分析模型，選擇合理的單元劃分，土層、褥墊層采用Drucker-Prager理想彈塑性模型，剛性樁采用符合廣義虎克定律的線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，樁、土接觸面采用的接觸單元符合Mohr-coulomb剪切滑動破壞準(zhǔn)則。 2.1 計算模型參數(shù)本文建立了如下分析模型，取樁長L=12m，剛性樁取斷面為0.6m×0.6m的正方形，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C20，其彈性模量E=2.55×104MPa，泊松比µ=0.200，密度為=2500kg/m3。褥墊層一般采用級配良好的砂石，碎石粒

12、徑一般為5mm15mm3，最大粒徑不超過30mm，碎石中摻入30%左右的中粗砂。褥墊層的參數(shù)是根據(jù)褥墊層組成材料的粒徑，成份及壓實(shí)度選用的經(jīng)驗(yàn)值，密度取=2500kg/m3。各土層及褥墊層D-P模型參數(shù)詳見表1。表1 各土層及褥墊層模型參數(shù)Table 1 The parameters of soil and cushion位置 C/kPa /(o)f /(o)Es /MPa µ 厚度/m褥墊層0 35 0 100 0.3 0.3 樁間土15 30 25 11 0.4 12 樁端土11 35 25 23 0.4 24表1中：C為土的粘聚力；為土的內(nèi)摩擦角；Es為土的壓縮模量；µ

13、;為土的泊松比；f為土的膨脹角(本模型假設(shè)樁周土體受剪時發(fā)生體積膨脹，取f=25，墊層受剪時不發(fā)生體積膨脹，取f=0)。 承臺板(筏板)混凝土強(qiáng)度等級為C25，其彈性模量E=2.80×104MPa，泊松比µ=0.200，密度=2500kg/m3。厚度取1.0m，截面尺寸為2.4m×2.4m，承臺邊緣至樁中心的距離為樁邊長的2.0倍。152 工 程 力 學(xué)三維有限元分析是一個很復(fù)雜的過程，對計算機(jī)的內(nèi)存要求很高，并且需要大量的時間，利用對稱性，取1/4樁模型進(jìn)行分析，土體的模型計算范圍在水平面即x、z取為樁徑的10倍，在豎直方向( y 方向)取為樁長的3倍。計算范圍

14、內(nèi)單元網(wǎng)格尺寸為0.3m×0.3m×0.3m。樁土之間的接觸面采用接觸單元。邊界約束條件，假定在垂直荷載作用下，褥墊層與承臺板之間在沉降時不發(fā)生相對滑動。在x=0.0m和z=0.0m的所有邊界面上，施加正對稱約束；在x=3.0m、z= 3.0m、y= 24.0m的所有邊界面上，施加固定端約束，即在這些邊界面上x、y、z三個方向的位移為零4。在承臺板上施加均勻分布荷載，荷載的作用方向與y軸的負(fù)方向相同，即所施加的面力指向受力面。鑒于土體自身的固結(jié)沉降在樁打入之前已基本完成，故本文只考慮樁自身的自重以及墊層和承臺的自重。2.2 樁土協(xié)同工作與樁土應(yīng)力比變化規(guī)律在荷載作用初期，由

15、于褥墊層的調(diào)節(jié)作用，樁頂開始時先向墊層刺入，樁土共同承受上部荷載，此時樁土應(yīng)力比n值較小。如圖2所示，隨著荷載的逐步增加，由于樁與樁間土壓縮模量的差異、樁間土壓縮固結(jié)變形的增大以及樁頂向墊層剌入量的基本穩(wěn)定，樁的作用逐漸顯示出來，荷載向樁身集中，樁頂應(yīng)力急劇增大，而樁間土體所受壓力增長幅度較小，此時n值逐漸增大。隨著荷載的進(jìn)一步增加，樁頂?shù)呢萑肓恳言黾雍苌伲瑯丁⑼磷冃我掩呁剑瑯抖烁浇a(chǎn)生塑性區(qū)并使樁對下臥層產(chǎn)生塑性刺入變形，從而使樁頂上的應(yīng)力趨于穩(wěn)定，此時樁土應(yīng)力比n值增幅減小，趨于平緩。若再進(jìn)一步增加荷載，由于復(fù)合地基中樁的荷載-沉降(P-S)曲線呈加工硬化型3，樁仍然可以承受較大的荷載增

16、量，但其樁頂荷載增加量很小，荷載增量絕大部分均由樁間土分擔(dān)，直至達(dá)到樁間土的極限承載力n80比力60應(yīng)土40樁200100 200 300400 500 600700 800復(fù)合地基荷載P/kPa圖2 樁土應(yīng)力比與荷載關(guān)系曲線Fig.2 Stress ratio of pile-soil vs. loading(但也有例外，有時樁體先產(chǎn)生破壞)，這時復(fù)合地基方告破壞1011。2.3 復(fù)合地基沉降及變形分析計算結(jié)果可知，地基各部分的沉降隨距樁心距離的不同而變化，即樁體的沉降最大、承臺次之、土體沉降最小，并且在承臺下部范圍內(nèi)的土體因受到承臺給它的壓力和樁體給它的摩阻力的作用，下沉量也是相當(dāng)大的，而

17、承臺以外的土體受影響的程度就比較小。圖3為在承臺上施加P=300kPa均布面力時，樁體與不同部位土體的沉降曲線，圖3中縱軸表示沿樁長的深度比例H/L，H表示各點(diǎn)的深度(以樁頂為基準(zhǔn)點(diǎn))，L表示樁長。在數(shù)據(jù)采集時，樁體的沉降以樁中心點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)；土體分別取4個不同位置的點(diǎn)(4個點(diǎn)都在軸對稱的平面內(nèi))，即在本模型中取z=0平面內(nèi)的四個點(diǎn)，土體的第1點(diǎn)(簡稱“土1”)取樁、土交界面上土體的一點(diǎn)，在本模型中即取x=0.3m位置的點(diǎn)；土體的第2點(diǎn)(簡稱“土2”)取距樁中心0.6m位置的點(diǎn)，即x=0.6m；土體的第3點(diǎn)(簡稱“土3”)取距樁中心1.2m位置的點(diǎn)，即x=1.2m；土體的第四點(diǎn)(簡稱“土4”)取距樁中心2.1m位置的點(diǎn)，即x=2.1m。如前所述，承臺的斷面尺寸取為2.4m×2.4m，取1/4建模時，承臺斷面取為1.2m×1.2m，故可見“土1”、“