褥墊層參數(shù)對(duì)剛性樁復(fù)合地基受力特性的影響分析

姚亞卿

中鐵時(shí)代建筑設(shè)計(jì)院有限公司 安徽 蕪湖 241000

引言

褥墊技術(shù)是剛性樁復(fù)合地基的關(guān)鍵性技術(shù)之一，它保證了樁、土共同承擔(dān)荷載，還能調(diào)整樁、土荷載分擔(dān)比，減小基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中，充分發(fā)揮地基土的承載能力[1]。閆明禮將墊層的作用歸納為[2]：①確保樁土共同承擔(dān)荷載；②調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比；③緩解基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中；④調(diào)整樁土水平荷載的分配。

目前，眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)剛性樁復(fù)合地基進(jìn)行了較多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，其理論已趨于完善。對(duì)褥墊層的研究仍然較少，這是由于褥墊層的破壞機(jī)理很復(fù)雜，且影響因素眾多，較難模擬其工作狀態(tài)[3-4]。已有的對(duì)褥墊層厚度的研究成果表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：①褥墊層厚度過大，會(huì)導(dǎo)致樁土應(yīng)力比等于或接近1，樁所承擔(dān)荷載較少，樁身剛度富裕度大，此時(shí)復(fù)合地基中樁設(shè)置已失去意義，造成浪費(fèi)，這樣設(shè)計(jì)出的復(fù)合地基承載力不會(huì)比天然地基有較大提高，并且使得建筑物沉降過大。②褥墊層厚度過小，樁對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，致使基礎(chǔ)厚度及配筋增大。同時(shí)，樁分擔(dān)荷載增大，要達(dá)到設(shè)計(jì)要求的承載力，必然需增加樁的數(shù)量和長(zhǎng)度，造成浪費(fèi)。此外，如果基礎(chǔ)承受較大的水平荷載作用，可能造成復(fù)合地基中樁頂受荷過大，發(fā)生樁身斷裂。

本文利用Midas GTS巖土有限元計(jì)算程序，研究并分析了6種不同厚度、4種不同彈性模量的褥墊層，在施加均布荷載后，樁及樁間土分擔(dān)荷載的受力特征。探討了不同墊層下樁土應(yīng)力比的變化規(guī)律。分析了不同特性的褥墊層對(duì)復(fù)合地基加固機(jī)理、作用效果的區(qū)別。并提出通過調(diào)整褥墊層厚度對(duì)復(fù)合地基承載力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法與思路。

1 相關(guān)規(guī)范規(guī)定及Midas GTS程序的實(shí)現(xiàn)方式

1.1 規(guī)范規(guī)定

中國(guó)規(guī)范對(duì)剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)也作了相應(yīng)規(guī)定?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范》（JGJ79—2012）[5]第7.1.5條：

剛性樁（有黏結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)體）復(fù)合地基設(shè)計(jì)中，常用下式來計(jì)算復(fù)合地基的承載力：

式中：

fspk ——復(fù)合地基承載力特征值；

m ——面積置換率；

λ——單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值；

β——樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值；

fsk ——處理后樁間土承載力特征值；

在應(yīng)用上式時(shí)要先設(shè)定單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ及樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β的經(jīng)驗(yàn)值，而λ及β的大小又受到很多因素的影響，其中包括墊層性是質(zhì)的影響，如墊層材料、厚度，且兩者的影響是顯著的。設(shè)計(jì)者必須知道λ及β與墊層參數(shù)之間的關(guān)系，才能在所選用的墊層參數(shù)下使λ及β達(dá)到事先的設(shè)定值，從而避免墊層設(shè)計(jì)的盲目性。但是在目前的設(shè)計(jì)中，還沒有一種實(shí)用的理論算式作為設(shè)計(jì)依據(jù)[6]，只能憑經(jīng)驗(yàn)確定,這無疑是非常粗略的。實(shí)際上λ及β之間的關(guān)系就是樁土的荷載分配關(guān)系，因此，樁土荷載分配的規(guī)律與墊層參數(shù)之間相互關(guān)系的確定對(duì)設(shè)計(jì)來說是至關(guān)重要的。

1.2 程序?qū)崿F(xiàn)

Midas GTS是目前主流的巖土有限元分析軟件。在做樁土接觸分析時(shí)，運(yùn)用Midas/GTS特有的樁單元功能，在樁土之間引入摩擦界面單元（Goodman接觸面單元）及樁端單元功能。

為了便于分析在褥墊層模量、褥墊層厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)變化下復(fù)合地基的承載力特性，本文建立了用于對(duì)比的基準(zhǔn)有限元分析模型，并通過改變基準(zhǔn)模型中的對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，比較得出結(jié)論?；鶞?zhǔn)模型中，旋噴樁樁長(zhǎng)為25m，樁徑為500mm，樁距為1.3m。土層共4層，其中上層的土層1厚度為12m，土層2厚度5m，土層3厚度10m，土層4厚度14m，樁端入3層土8m，基準(zhǔn)模型褥墊層厚度150mm，筏板基礎(chǔ)上部荷載采用均布荷載，數(shù)值取350kPa。土層采用摩爾庫(kù)倫彈塑性（M-C）材料本構(gòu)模型。模型四周及底部均為對(duì)應(yīng)法線方向的平移約束。樁采用梁?jiǎn)卧Ｐ?，表面附樁界面單元，上、下端均定義樁端單元，以模擬樁刺入相應(yīng)土層，土層、褥墊及筏板基礎(chǔ)均為六節(jié)點(diǎn)五面體實(shí)體單元。整體及剛性樁模型如圖1所示，剛性樁及土層的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 基準(zhǔn)模型土層信息

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

為分析各參量對(duì)復(fù)合地基特性的影響，取不同的褥墊厚度、褥墊模量進(jìn)行計(jì)算，褥墊厚度取150，200，250，300，350，400mm共6種情況。褥墊彈性模量取30、60、90、120MPa共四種情況。樁在筏板基礎(chǔ)外圍多布置一排，以符合實(shí)際工程要求。

2.1 褥墊厚度、模量對(duì)樁土應(yīng)力比及樁頂荷載占總荷載分擔(dān)比的影響

2.1.1 根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，經(jīng)整理得到圖2。隨著褥墊厚度增加，樁土應(yīng)力比均有減小的趨勢(shì)；當(dāng)褥墊厚度超過250mm后，不同彈性模量褥墊層的樁土應(yīng)力比結(jié)果隨著褥墊厚度的影響均出現(xiàn)明顯的減??；褥墊厚度超過300mm后，褥墊厚度的影響繼續(xù)減小，特別是當(dāng)褥墊模量大于60MPa時(shí)，隨著褥墊層厚度的增大，樁土應(yīng)力比變化很小。在實(shí)際工程中，超過一定厚度后，只增加褥墊層厚度對(duì)于合理分配樁土應(yīng)力比起到的作用較小，因此應(yīng)控制褥墊層厚度在合理范圍之內(nèi)。另一方面，減小褥墊層彈性模量可以有效提高樁土應(yīng)力比，但是對(duì)于充分利用剛性樁承載力幫助很小。

2.1.2 由有限元計(jì)算結(jié)果，經(jīng)整理得到圖3。樁頂荷載占總荷載分擔(dān)比的變化規(guī)律與樁土應(yīng)力比類似。隨著褥墊層厚度的增加，荷載分擔(dān)比逐漸減小。褥墊層厚度在150～250mm之間時(shí)，荷載分擔(dān)比均下降迅速，褥墊層的作用比較明顯。褥墊層厚度大于250mm時(shí)，褥墊層厚度的變化對(duì)樁土荷載的分配效果均有較明顯減弱。褥墊層的模量較大時(shí)，其受力特性更類似于剛性筏板，褥墊厚度的變化對(duì)于樁、土應(yīng)力的分擔(dān)變化影響很小。因此實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，壓密過實(shí)會(huì)明顯減小褥墊層對(duì)荷載分配的作用效果，并造成樁頂受荷過大。

2.2 褥墊厚度、模量對(duì)樁頂刺入量及總沉降量的影響

由有限元計(jì)算結(jié)果得到樁頂位移與褥墊層總位移量?jī)山M數(shù)據(jù)，兩者差值即為樁頂刺入褥墊層的量值，經(jīng)整理得到圖4?？傮w上，樁頂刺入量隨著褥墊層厚度的增大均表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，褥墊層彈性模量為90及以上時(shí)，樁頂刺入量隨著褥墊層厚度的增加增長(zhǎng)緩慢。而彈性模量較小時(shí)，褥墊層越厚，樁頂刺入量隨著褥墊層厚度的增加增長(zhǎng)迅速。由圖5可見，隨著褥墊層的厚度增加，筏板所處的褥墊層局部壓縮量增長(zhǎng)迅速。當(dāng)褥墊層厚度為300時(shí)，不同彈性模量的褥墊總壓縮量分別為：7.96mm（30）、6.78mm（60）、5.88mm（90）、5.3mm（120）。所以在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，褥墊層彈性模量如若過小，雖然可以有效減小樁土應(yīng)力比，使樁間土充分發(fā)揮其承載力，但是這樣造成的后果是建筑物總沉降量的迅速增大，對(duì)于沉降敏感的建筑結(jié)構(gòu)會(huì)造成不利影響。

剛性樁復(fù)合地基下部樁端一般為較好土層，樁體較長(zhǎng)，較難向端層土繼續(xù)刺入以滿足變形協(xié)調(diào)，因此褥墊層就成為剛性樁復(fù)合地基中滿足樁體與土體變形協(xié)調(diào)的重要環(huán)節(jié)。

綜合圖2及圖5可以看出，隨著褥墊層厚度的增加，樁土應(yīng)力比減小與樁頂刺入量的提高相對(duì)應(yīng)。分析得出，刺入量的增大會(huì)對(duì)樁側(cè)負(fù)摩阻有明顯的提高，隨著褥墊層厚度的增加樁側(cè)受到的負(fù)摩阻增大，這樣便使樁的承載力有一定程度降低，另一方面根據(jù)圖3可以看出，樁間土的荷載分擔(dān)比例卻沒有迅速的下降。這樣便會(huì)導(dǎo)致復(fù)合地基的整體承載力反而有一定程度的下降。

2.3 褥墊層厚度、彈性模量對(duì)群樁荷載分擔(dān)效應(yīng)的影響

本次數(shù)值分析模型關(guān)于X、Y軸對(duì)稱，所以取四分之一模型的結(jié)果，比對(duì)各參數(shù)對(duì)中樁、角樁、邊樁的影響。圖6為厚度300、模量60的計(jì)算模型結(jié)果，中樁、角樁、邊樁的樁頂反力如圖6所示。以此為例匯總?cè)靿|層的彈性模量及厚度不同時(shí)，中樁與邊樁樁頂反力結(jié)果比值，中樁與角樁樁頂反力結(jié)果比值，經(jīng)整理詳圖7、8所示。

由有限元計(jì)算結(jié)果，中樁角樁受荷比、中樁邊樁受荷比均隨著褥墊層厚度的增大而降低。中樁角樁受荷比、中樁邊樁受荷比均隨著褥墊層模量的降低而降低。因此提高褥墊層厚度或者降低褥墊層模量均可以使筏板基礎(chǔ)下的樁更均勻地受荷。但其對(duì)中樁角樁受荷比、中樁邊樁受荷比的影響程度有所區(qū)別，中樁邊樁受荷比隨著褥墊層厚度的增加而降低得較明顯，中樁角樁受荷比隨著褥墊層厚度的增加降低得較緩慢，但是角樁比邊樁的樁頂荷載要小很多。所以褥墊層的設(shè)置可以削弱群樁的“邊角效應(yīng)”，增大褥墊層的厚度可以使剛性樁承擔(dān)荷載更加均勻，提高邊角處剛性樁的受荷效率。

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分析比對(duì)了不同厚度、不同剛度的褥墊層對(duì)于剛性樁復(fù)合地基承載力特性的影響。借助于有限元軟件Midas GTS，引入其特有的樁單元功能，運(yùn)用摩擦界面單元及樁端單元功能來模擬樁側(cè)摩擦及樁端刺入特性。對(duì)不同特性的褥墊層進(jìn)行比較，可以得到以下有利于工程設(shè)計(jì)的結(jié)論。

在剛性樁復(fù)合地基中，褥墊可以起到顯著地降低樁土應(yīng)力比的作用，提高樁間土土體承載能力的發(fā)揮，并且可以削弱群樁的“邊角效應(yīng)”，使剛性樁承擔(dān)荷載更加均勻。但是褥墊層厚度過大會(huì)造成樁承載力使用的不足，褥墊層過薄又沒有充分利用樁間土的承載力，這兩種情況都會(huì)造成工程設(shè)計(jì)的安全問題和經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

對(duì)比分析樁尖刺入量及褥墊壓縮量的數(shù)值結(jié)果可以得出樁身受力的特征，褥墊厚度的增加及褥墊模量的降低都會(huì)造成樁側(cè)負(fù)摩阻力的顯著提高，從而降低了樁頂所受的荷載分擔(dān)比例。復(fù)合地基的整體承載能力也因此降低。并且會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)總沉降過大。

綜合褥墊層分配樁土應(yīng)力及樁身受荷模式的角度，褥墊厚度在0.2～0.3m，彈性模量在60～90MPa的范圍內(nèi)比較合適。本文研究了褥墊層厚度及彈性模量對(duì)復(fù)合地基承載特性的影響，有必要進(jìn)一步開展不同樁長(zhǎng)、不同樁剛度、不同面積置換率情況下，復(fù)合地基承載特性的研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了褥墊層厚度及彈性模量對(duì)復(fù)合地基承載特性的影響，有必要進(jìn)一步開展不同樁長(zhǎng)、不同樁剛度、不同面積置換率情況下，復(fù)合地基承載特性的研究。