长短桩复合地基变形性状的有限元分析

1、长短桩复合地基变形性状的有限元分析陆文哲, 谢康和(浙江大学岩土工程研究所, 杭州 310027【摘 要】 采用有限元对长短桩复合地基的变形性状进行分析。计算结果表明,长短桩复合地基的变形性状受很多因素影响,如长短桩的长度、刚度、垫层厚度等。因此,应具体分析工程中遇到的实际地基处理问题,进行优化设计,以达到经济合理的目的。【关键词】 长短桩复合地基;变形;有限元【中图分类号】 TU 47013 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001-6864(200502-0083-02 近几十年来,各种地基处理新技术、新方法不断应用于实践,地基处理技术得到了极大的发展。其中,长短桩复合地基处理技术是一种

2、较新的地基处理形式,它一般是利用刚性长桩和刚性、半刚性或柔性短桩相结合对地基进行的综合处理,并铺设柔性垫层,使长短桩-土-承台共同作用。由于长短桩复合地基选用不同的桩型和桩长,给这类复合地基设计计算带来了新的困难。本文采用ABAQU S 有限元程序,建立长短桩复合地基模型,分析和探索长短桩复合地基的变形特性。1 计算模型及参数111 计算模型建立本文选用5根桩的单承台的情况进行讨论。土层厚H ,下卧层厚H S ,长桩长h 1,短桩长h 2,桩宽l(l =0189D,D 为半径,承台宽B,桩间距S,承台厚h,垫层厚d 。本文假定土层仅顶面透水,在承台外10倍承台宽的土体受加载后影响极微,可以忽略

3、不计。为了更好的模拟加载,本文模型采用单级加载,加载时间t 0=25d ,q 0=300kPa 。112 计算参数各对比方案的基本模型设为模型1,模型1参数见表1。 表1模型1参数承台H垫层D 地基土H 长桩短桩几何参数/m 01601640h 1=25,D =015h 2=15,D =015模量E /M Pa280030628000280002 有限元计算结果分析本文将短桩与土相对刚度比设为k,定义为k =E 2(短桩模量/E S (地基土模量,(由于长桩一般为刚性桩,所以不考虑长桩模量的影响,总沉降为S,加固区(长桩范围变形为S 1,下卧层变形为S 2,加固区1(短桩范围变形为S A ,加

4、固区2(短桩桩端到长桩桩端范围变形为S B 。211 短桩与土相对刚度比k 对变形形状的影响本文地基土模量为6M Pa ,采用以下几种方案来探讨长短桩复合地基变形性状。(1 如图1,总沉降随短桩模量增加,总沉降减少。这表2几种长短桩复合地基方案比较方案1(无短桩方案2(柔性短桩方案3(柔性短桩方案4(半刚性短桩方案5(半刚性短桩方案6(刚性短桩刚度比k152046725004670是由于加固区复合模量增加,沉降减少。在k 比较小的时候,曲线斜率较大,随k 增加总沉降减少较快,在k >500时,再增加k 值,总沉降减少已经不明显。这说明短桩在实际工程中存在一个临界k 值,大于这个k 值,再

5、增加k 对减少总沉 降作用很小。图1 短桩与土相对刚度k 变化对中点以下各点变形影响(2 加固区1及加固区2在k 值较小时变化较大,在k >500时,变化很小。k 值的变化对加固区1的变形影响较大,对加固区2的变形影响没加固区1的大。所以k 值的变化对总沉降及加固区的变形影响,主要是由于加固区1的变化引起的。在k >500时,加固区2的变形随k 值的增加有所增加,可能短桩分到的应力有所增加。但是在k >500时,影响不大。这说明在短桩桩端以下的土受到的附加应力在k <500时,随k 值的增加而变大,k >500时变化不大。(3 下卧层的变形随k 值的变化较小,这可

6、能是由于传递给下卧层的外荷载主要由长桩传来,而短桩模量的增加,加在下卧层的附加应力并没有多大变化。212 短桩长径比h 2/D 对变形性状的影响模型采用短桩直径D =015m ,改变短桩的长度h 2来研83陆文哲等:长短桩复合地基变形性状的有限元分析究长细比对变形性状的影响。 表3短桩长细比对变形性状的影响短桩长细比h 2/D方案1方案2方案3方案4方案5方案601020304050(1 如图2,随短桩的长细比h 2/D 增加,尽管短桩模量不同,总沉降还是不断的减少,在h 2/D 增加初期,曲线的斜率较大,沉降减少较快,到一定h 2/D 以后,再增加h 2/D 对沉降减少的作用已经不明显了。结

7、合前部分的结论,短桩的模量和长细比增加都会减少总沉降,但都存在一个最佳点。(2 下卧层随短桩长细比h 2/D 的增加基本没什么变化,说明短桩桩长增加对下卧层的影响很小。只有当短桩和长桩的长度一样时下卧层的变形才有所增加。(3 加固区的变形随短桩长细比h 2/D 的增加而减少,占总沉降变化的大部分。h 2/D 对加固区的变形影响较大,这主要是由于加固区2的变形引起的。(4 加固区2的厚度变少,进一步减少了加固区2的变形。加固区1厚度虽然增加,但是由于短桩长度增加,外荷载向深层传递,加固区1 的变形相应减少。图2 短桩长细比对中点以下各点变形影响213 长桩长径比h 1/D 对变形性状的影响长桩直

8、径采用015m ,其它参数如基本模型,改变长桩的长度来研究长桩长细比对变形性状的影响。本文分别选用长细比为30、40、50、60和70五种模型来比较。(1 如图3,总沉降随长桩长细比h 1/D 增加而减少,h 1/D 增长初期沉降减少较快,表现为图中曲线斜率较大,随h 1/D 的继续增加,图中斜率有所趋缓,即沉降减少幅度越来越少。总体来说,长桩的长细比对复合地基的总沉降有较大的影响。增加h 1/D 可以有效减少沉降,而且变化曲线接近线性,规律比较好找,设计中容易把握。但长桩存在一个临界桩长,再增加桩长对减少沉降和增加长桩承载力的效果不明显,应合理增加长桩长度。(2 长桩长细比对加固区1变形影响

9、较小,因为增加h 1/D,加固区1的复合模量无变化。(3 长细比刚开始增加时加固区2变形增加很快,这是由于h 1/D 从30变化到40,加固区2厚度从0变到5m,这 肯定会使加固区2的变形增加。h 1/D 超过40以后,增加h 1/D,加固区2变形变化很小。(4 随h 1/D 的增加,下卧层的变形减少的量对总沉降起主要作用。图3 长桩长细比对中点以下各点变形影响214 垫层厚度d 对变形性状的影响本文选取垫层厚度分别为018、016、015、014、013及012m 六种模型,还有垫层厚度为0,即无垫层。(1 总沉降随垫层厚度d 增加而增加,但是达到一定d 以后再增加垫层厚度,沉降增加变缓。在

10、垫层较薄的时候,随d 的增加,沉降增加较快,由于此时垫层能调节桩土应力分担比,使地基土承受的外荷载增加,地基土变形加大,所以总沉降增加。但是垫层厚度增加到一定程度以后,垫层不能再有效调节桩土应力比,地基土分担到的荷载不再增加,地基土变形增加不大。(2 垫层厚度增加对加固区1的变形影响较大,对下卧层及加固区2的变形影响不明显。这是由于垫层能调节浅层桩土的相对位移及桩土应力比,但对深层地基调节不明显。其次是由于在深层加固区桩承受的荷载会传递给地基土,在深层的地基土附加应力由于垫层变化而引起的变化占原先地基附加应力比重较小。(3 加固区2及下卧层变形随垫层增加,变化不大,短桩和长桩的桩端平面上的附加应力受垫层变化影响较小。3 结语通过改变短桩模量和长度、长桩长度和垫层厚度来分析各个参数对沉降和固结影响。得出长短桩复合地基存在一个优化设计问题,在设计时,不仅是根据承载力和变形来确定参数,还应综合考虑建筑物对变形的适应能力、地基特点和选用不同桩长、桩型、垫层厚度的影响。长短桩复合地基优化设计影响的因数很多,还有很多工作可做。参考文献1 谢康和,周健1岩土工程有限元分析理论和应用M 1北京:科学出版社,200212 龚晓南1复合地基M 1浙江:浙江大学出版社,199213 葛忻声,龚晓