長(zhǎng)短樁復(fù)合地基在軟土中的固結(jié)沉降解析

李　峰　尚　凱　孫云飚　李　旺　馮守哲

摘要：長(zhǎng)短樁作為地基處理的一種手段，它是通過(guò)調(diào)節(jié)和控制地基的沉降差，使得上部結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生由于較大不均勻沉降而造成的使用功能與安全性能上的障礙，根據(jù)圍墻與柱狀相結(jié)合的復(fù)合地基基礎(chǔ)的沉降特性，本文針對(duì)該長(zhǎng)短樁進(jìn)行固結(jié)沉降分析。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)短樁；沉降差；固結(jié)；地基處理

1引言

復(fù)合地基在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速，從地基處理形式到施工手段都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，同時(shí)也帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效

益[1]。例如：日本的竹內(nèi)治謹(jǐn)和山本春行提出一種下凹式淺層地基改良與筏板基礎(chǔ)并用的復(fù)合地基形式，并從理論及實(shí)際工程上對(duì)其有效性進(jìn)行了分析與論證[2][3]。作者等人根據(jù)在均布荷載作用下，基礎(chǔ)中心點(diǎn)的沉降較大，邊緣點(diǎn)的沉降較小的特性，為了能使在軟土地基上可以支撐多層結(jié)構(gòu)，本文提出一種長(zhǎng)短樁復(fù)合地基處理形式。該長(zhǎng)短樁采用調(diào)節(jié)樁的不同長(zhǎng)短作用在土層的不同深度的方式，來(lái)達(dá)到均勻沉降的目的，減少由于不均勻沉降而造成的對(duì)上部結(jié)構(gòu)的不良影響。同時(shí)也大大的增大了地基的水平抵抗力，提高了地基的承載力。

2 數(shù)值模型分析方法與參數(shù)的選取

本文主要針對(duì)此長(zhǎng)短樁的固結(jié)沉降特性進(jìn)行分析。土的固結(jié)是由于土顆粒壓縮性很小，一般都認(rèn)為土體的變形是孔隙流體的流失及氣體體積減小、顆粒重新排列、粒間距離縮短、骨架體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果。由于孔隙體積變化和顆粒重新排列需要有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，土體固結(jié)變形與時(shí)間有關(guān)。故本文將采用比奧二維固結(jié)理論，研究分析長(zhǎng)短樁的固結(jié)沉降和孔隙水壓力變化。

2.1模型建立

在本文中，軟土土體的模型相對(duì)較弱，因此并沒(méi)有考慮剪切膨脹，我們認(rèn)為膨脹角ψ=0，所以采用非相關(guān)的流動(dòng)法則。為了研究這個(gè)長(zhǎng)短樁在軟土和均質(zhì)地基土中的沉降的整體效果，本文采用有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)其在軟土和均質(zhì)地基土中的沉降分布做定性分析[4]。

在對(duì)此長(zhǎng)短樁的有限元計(jì)算中，土質(zhì)材料遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，樁體則視為完全線彈性體，具體參數(shù)見(jiàn)表2-1所示。另外，考慮到計(jì)算時(shí)間，本文采用了平面應(yīng)變條件下的數(shù)值解析。由于具有對(duì)稱(chēng)性，故取計(jì)算模型對(duì)稱(chēng)的半結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行數(shù)值分析。

本文在加荷時(shí)沒(méi)有考慮施工過(guò)程，采用瞬時(shí)加荷地下水位在地下2米處，各個(gè)參數(shù)如表2-1所示；表2-2給出了A、B二種不同的數(shù)值模擬模型，由于是利用長(zhǎng)短樁做地基處理，所以樁體的模量并沒(méi)有按混凝土的模量取值，其排水參數(shù)也采用與土體基本相同的排水參數(shù)。固結(jié)時(shí)間分別為T(mén)=0、T=150d、T=300d、T=1000d。樁體模量為Eim=50MPa。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 均質(zhì)地基土中復(fù)合地基固結(jié)沉降分析

本文在均質(zhì)軟土中研究復(fù)合地基的固結(jié)沉降的變化，通過(guò)改變長(zhǎng)短樁的改良形式來(lái)分析這種復(fù)合地基的固結(jié)沉降性狀。

圖3-1為A模型的復(fù)合地基頂部固結(jié)沉降分布隨時(shí)間變化關(guān)系圖,在沉降分析圖中水平坐標(biāo)的大小為均布荷載作用下的計(jì)算模型的寬度，即9.5米。這幅圖中的當(dāng)固結(jié)時(shí)間增加時(shí)沉降量也隨之增加，通過(guò)比較T=0d和T=150d的兩條曲線可以看到固結(jié)沉降量比較大，而當(dāng)T=300d時(shí)固結(jié)沉降變化明顯小于前面的T=150d曲線。也就是說(shuō)在相同時(shí)間差(150d)的條件下開(kāi)始時(shí)的150天內(nèi)的固結(jié)沉降量比后150天的固結(jié)沉降量大。

圖3-2為B模型的復(fù)合地基頂部固結(jié)沉降分布隨時(shí)間變化關(guān)系圖。分析同A模型。

通過(guò)對(duì)這種長(zhǎng)短樁在軟土中固結(jié)沉降分布情況的二種模型的對(duì)比分析，可以得到在A模型中，由于中間樁體的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，故中心點(diǎn)沉降最小。B模型由于采用傳統(tǒng)樁長(zhǎng)的處理方式，故邊緣處的沉降量最小，但沉降差較大。通過(guò)這樣的分析我們可以看出當(dāng)采用長(zhǎng)短不同的樁體來(lái)處理地基時(shí)，其沉降差表現(xiàn)優(yōu)于一樣長(zhǎng)短的處理方式。

3.2 均質(zhì)地基土中復(fù)合地基超靜水壓力沿深度分布分析

本文在均質(zhì)軟土中研究復(fù)合地基的超靜水壓力沿深度分布變化，通過(guò)改變樁體的長(zhǎng)短形式來(lái)分析這種地基處理方法的超靜水壓力沿深度分布性狀。

圖3-3為A模型復(fù)合地基中部超靜水壓力沿深度分布變化與固結(jié)時(shí)間關(guān)系圖。在圖中可以看出當(dāng)固結(jié)時(shí)間從T=0d變化到T=1000d時(shí)，

超靜水壓力逐漸消散而變小。在初始的150d天內(nèi)超靜水壓力消散明顯，尤其在淺層超靜水壓力變化較快，而在深層著逐漸增加。而后隨著固結(jié)時(shí)間的增加曲線趨于平緩，當(dāng)T=1000T時(shí)，沿深度方向呈成線性變化，超靜水壓力消散基本完成。

圖3-4為B模型復(fù)合地基中部超靜水壓力沿深度分布變化與固結(jié)時(shí)間關(guān)系圖。與A模型具有相同的變化趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)這種長(zhǎng)短樁在軟土中固結(jié)超靜水壓力沿深度分布情況的二種模型的對(duì)比分析，可以得到A模型由于中間樁體的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，邊緣樁體處理深度較淺，固結(jié)過(guò)程中超靜水壓力主要是在淺層向上部消散，影響深度較淺，隨著固結(jié)時(shí)間的增加A模型、B模型在淺部分布基本相同，通過(guò)水平分布的對(duì)比我們可以看出B模型由于采用相同長(zhǎng)短樁體，超靜水壓力橫向消散受到約束，只能向下部消散，因此超靜水壓力消散比A模型慢。

4結(jié)語(yǔ)

本文中對(duì)長(zhǎng)短樁在均質(zhì)軟土中的的沉降和超靜水壓力分布進(jìn)行了定性分析，從中得出在通過(guò)改變樁體的作用長(zhǎng)短，可以對(duì)基礎(chǔ)的固結(jié)沉降差和超靜水壓力分布進(jìn)行了有效的控制。通過(guò)本文的論述，我們發(fā)現(xiàn)如何選擇一種合理的地基改良模型，是我們以后要通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)解決的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]龔曉南編著，復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007

[2]W. Li, K. Takeuchi, and H. Yamamoto (2005): Numerical study on effect of shallow soil improvement to control differential settlement of raft foundation, Proceedings of AIJ Tyugoku Chapter Architectural Research Meeting, 28: 133-136(in Japanese).

[3]W. Li, K. Takeuchi, and H. Yamamoto (2005). Effect of raft foundation with shallow soil improvement on controlling differential settlement, Proceeding of the Second China-Japan Geotechinical Symposium, pp.350-357.

[4]Wei Li，F(xiàn)eng Li，Kinji Takeuchi，et al. Numerical Analysis on a New Foundation System with Columniform Soil Improvement[C]. New Frontiers in Chinese and Japanese Geotechniques. 2007.11:344-352.