长短桩复合地基在软土中的固结沉降解析

李　峰　尚　凯　孙云飚　李　旺　冯守哲

摘要：长短桩作为地基处理的一种手段，它是通过调节和控制地基的沉降差，使得上部结构不会发生由于较大不均匀沉降而造成的使用功能与安全性能上的障碍，根据围墙与柱状相结合的复合地基基础的沉降特性，本文针对该长短桩进行固结沉降分析。

关键词：长短桩；沉降差；固结；地基处理

1引言

复合地基在国内外发展迅速，从地基处理形式到施工手段都有了长足的进步，同时也带来了巨大的经济与社会效

益[1]。例如：日本的竹内治谨和山本春行提出一种下凹式浅层地基改良与筏板基础并用的复合地基形式，并从理论及实际工程上对其有效性进行了分析与论证[2][3]。作者等人根据在均布荷载作用下，基础中心点的沉降较大，边缘点的沉降较小的特性，为了能使在软土地基上可以支撑多层结构，本文提出一种长短桩复合地基处理形式。该长短桩采用调节桩的不同长短作用在土层的不同深度的方式，来达到均匀沉降的目的，减少由于不均匀沉降而造成的对上部结构的不良影响。同时也大大的增大了地基的水平抵抗力，提高了地基的承载力。

2 数值模型分析方法与参数的选取

本文主要针对此长短桩的固结沉降特性进行分析。土的固结是由于土颗粒压缩性很小，一般都认为土体的变形是孔隙流体的流失及气体体积减小、颗粒重新排列、粒间距离缩短、骨架体发生错动的结果。由于孔隙体积变化和颗粒重新排列需要有一个时间过程，土体固结变形与时间有关。故本文将采用比奥二维固结理论，研究分析长短桩的固结沉降和孔隙水压力变化。

2.1模型建立

在本文中，软土土体的模型相对较弱，因此并没有考虑剪切膨胀，我们认为膨胀角ψ=0，所以采用非相关的流动法则。为了研究这个长短桩在软土和均质地基土中的沉降的整体效果，本文采用有限元数值模拟的方法对其在软土和均质地基土中的沉降分布做定性分析[4]。

在对此长短桩的有限元计算中，土质材料遵循Mohr-Coulomb屈服准则，桩体则视为完全线弹性体，具体参数见表2-1所示。另外，考虑到计算时间，本文采用了平面应变条件下的数值解析。由于具有对称性，故取计算模型对称的半结构来进行数值分析。

本文在加荷时没有考虑施工过程，采用瞬时加荷地下水位在地下2米处，各个参数如表2-1所示；表2-2给出了A、B二种不同的数值模拟模型，由于是利用长短桩做地基处理，所以桩体的模量并没有按混凝土的模量取值，其排水参数也采用与土体基本相同的排水参数。固结时间分别为T=0、T=150d、T=300d、T=1000d。桩体模量为Eim=50MPa。

3 数值计算结果分析

3.1 均质地基土中复合地基固结沉降分析

本文在均质软土中研究复合地基的固结沉降的变化，通过改变长短桩的改良形式来分析这种复合地基的固结沉降性状。

图3-1为A模型的复合地基顶部固结沉降分布随时间变化关系图,在沉降分析图中水平坐标的大小为均布荷载作用下的计算模型的宽度，即9.5米。这幅图中的当固结时间增加时沉降量也随之增加，通过比较T=0d和T=150d的两条曲线可以看到固结沉降量比较大，而当T=300d时固结沉降变化明显小于前面的T=150d曲线。也就是说在相同时间差(150d)的条件下开始时的150天内的固结沉降量比后150天的固结沉降量大。

图3-2为B模型的复合地基顶部固结沉降分布随时间变化关系图。分析同A模型。

通过对这种长短桩在软土中固结沉降分布情况的二种模型的对比分析，可以得到在A模型中，由于中间桩体的长度较长，故中心点沉降最小。B模型由于采用传统桩长的处理方式，故边缘处的沉降量最小，但沉降差较大。通过这样的分析我们可以看出当采用长短不同的桩体来处理地基时，其沉降差表现优于一样长短的处理方式。

3.2 均质地基土中复合地基超静水压力沿深度分布分析

本文在均质软土中研究复合地基的超静水压力沿深度分布变化，通过改变桩体的长短形式来分析这种地基处理方法的超静水压力沿深度分布性状。

图3-3为A模型复合地基中部超静水压力沿深度分布变化与固结时间关系图。在图中可以看出当固结时间从T=0d变化到T=1000d时，

超静水压力逐渐消散而变小。在初始的150d天内超静水压力消散明显，尤其在浅层超静水压力变化较快，而在深层着逐渐增加。而后随着固结时间的增加曲线趋于平缓，当T=1000T时，沿深度方向呈成线性变化，超静水压力消散基本完成。

图3-4为B模型复合地基中部超静水压力沿深度分布变化与固结时间关系图。与A模型具有相同的变化趋势。

通过对这种长短桩在软土中固结超静水压力沿深度分布情况的二种模型的对比分析，可以得到A模型由于中间桩体的长度较长，边缘桩体处理深度较浅，固结过程中超静水压力主要是在浅层向上部消散，影响深度较浅，随着固结时间的增加A模型、B模型在浅部分布基本相同，通过水平分布的对比我们可以看出B模型由于采用相同长短桩体，超静水压力横向消散受到约束，只能向下部消散，因此超静水压力消散比A模型慢。

4结语

本文中对长短桩在均质软土中的的沉降和超静水压力分布进行了定性分析，从中得出在通过改变桩体的作用长短，可以对基础的固结沉降差和超静水压力分布进行了有效的控制。通过本文的论述，我们发现如何选择一种合理的地基改良模型，是我们以后要通过大量的现场试验和室内试验来解决的问题。

参考文献

[1]龚晓南编著，复合地基理论及工程应用，北京：中国建筑工业出版社，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，Feng 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.