参数变化对多元复合地基承载力发挥系数的影响*

2010-12-01王仙芝郑俊杰王龙飞

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2010年2期

王仙芝郑俊杰王龙飞

(广东水利电力职业技术学院水利系1) 广州 510635) (华中科技大学土木工程与力学学院2) 武汉 430074)

(武汉理工大学土木工程与建筑学院3) 武汉 430070)

承载力发挥系数又称为承载力折减系数或强度发挥系数,是反映桩、桩间土承载力发挥程度及桩土共同工作的一个重要参数.它不仅与桩间土、桩端土及桩周土的强度和变形性质有关,还受桩身强度与变形、桩长、桩的密度、褥垫层厚度等多种因素的影响,所以其值的选取很困难[1].

对于柔性桩或刚性桩单一桩型复合地基,规范或手册建议桩的承载力折减系数取1,桩间土的承载力折减系数小于或等于1[2-3].对多元复合地基,桩可分为主桩和次桩(辅桩),一般认为主桩承载力充分发挥,次桩承载力部分发挥,要确定多元复合地基承载力,就要同时选取次桩承载力发挥系数和桩间土承载力发挥系数[4].而对多元复合地基承载力发挥系数如何取值,则更为不易.近年来有学者开始着手这方面的研究工作,文献[5]从单一桩型复合地基关于桩间土承载力发挥系数与桩土应力比的关系式出发,提出了多元复合地基次桩和桩间土承载力发挥系数的一般解法.杨明等人[6]根据水泥土长短桩复合地基试验结果,对单桩复合地基和长短桩复合地基的桩间土承载力发挥系数取值范围进行了对比研究,得到了长短桩复合地基桩间土承载力发挥系数的计算方法.这些计算方法为多元复合地基的设计计算提供了一定的参考,但它们都是在很多近似和假设条件下推出的,目前还不能应用于实际工程当中.

为了阐明多元复合地基的工作性状,葛忻声[7]、梁发云[8]、杨桦[9]等人曾对多元复合地基作了一些研究工作,揭示了多元复合地基的某些工作性状,但所建的模型比较简单,对实际情况作了太多近似.为了使计算分析能够真实反映多元复合地基的工作机理,桩、土、垫层、承台的设计参数采用了模型试验中[10]的实测数据,有些不易通过试验实测的数据,则通过试验结果进行反演试算来确定.本文结果是利用有限元软件ANSYS来模拟计算的,由于划分单元较多(共有168 712个单元),为了提高计算速度,利用对称性,取下述模型的1/4进行计算.多次试算结果表明,本文建立的数值模型比较合理.

1 模型的建立

为了便于对比分析,将多元复合地基分为均质地基和多层地基两组,本文以双层地基(上软下硬)为例.每组再分别研究设计参数变化对多元复合地基承载力发挥系数的影响.

1.1 均质地基情况下的基本模型

1.1.1 模型图均质地基情况下的基本模型如图1和图2所示.

图1 均质地基模型剖面示意图

图2 基本模型平面示意图(单位:m)

1.1.2 模型及参数确定

1)土体选用Drucker-Prager弹塑性材料(D-P材料)来模拟土体的弹塑性行为.土体参数取室内模型试验土体的实测参数:E=8 MPa,μ=0.3,c=0.002 M Pa,φ=28°,ρ=1.850 ×103kg/m3.土体尺寸长42m 、宽42 m、厚48 m.

2)桩体桩体选用线弹性模型,主桩E=25 GPa,μ=0.2;次桩 E=0.2GPa,μ=0.25.模型桩均取方桩,主桩桩长16 m,截面边长400 mm;次桩桩长10 m,截面边长300 mm.

3)褥垫层及承台褥垫层及承台均选用线弹性模型,褥垫层E=0.1GPa,μ=0.3;承台E=210GPa,μ=0.26.褥垫层长 2.0 m 、宽 2.0 m 、厚300 mm;承台长2.0m、宽2.0m、厚 50 mm.

4)单元选择土体、桩体、垫层及承台均选用空间8节点等参块体单元;桩与土体、桩与垫层之间的接触通过接触对实现,采用库仑摩擦模型来描述接触面间摩擦行为.通过模型试验结果模拟反演得到接触面的摩擦系数为0.2.

1.2 多层地基情况下的基本模型

1.2.1 模型图多层地基情况下的基本模型如图3所示,本文以双层地基为例.

1.2.2 模型及参数确定土体选用D-P材料来模拟土体的弹塑性行为.上层土体参数为:E=8 MPa,μ=0.35,c=0.01 M Pa,φ=28°,ρ=1.850 ×103kg/m3.土体尺寸长42m、宽 42m、厚 16 m;下层土体参数取:E=80 MPa,μ=0.3,c=0.04 MPa,φ=25°,ρ=1.970×103kg/m3.土体尺寸长42m 、宽 42m 、厚 32 m.

桩体、褥垫层及承台模型参数的确定同均质地基情况.土体、桩体、褥垫层及承台的单元选择同均质地基情况;桩与土体、桩与垫层之间的接触面单元设置也同均质地基情况.

2 模拟结果与分析

承载力发挥系数为多元复合地基处于承载力特征值时桩及桩间土的承载力与孤立状态下桩及桩间土的承载力特征值的比值.显然,承载力发挥系数反映了主桩、次桩和土直接参与承载的能力和程度,它受诸多因素影响,如成桩工艺、桩端土、桩周土性质、褥垫层设置、桩身强度、桩长、桩土刚度比等.本文主要考虑在均质地基和多层地基情况下的设计参数变化对多元复合地基次桩及桩间土的承载力发挥系数的影响.

1)主桩桩径(边长) 在均质地基和多层地基情况下的多元复合地基承载力发挥系数随主桩边长变化如图4所示.由图可见,在均质地基和双层地基情况下,随着主桩边长的增加,次桩及桩间土承载力发挥系数均减小;且双层地基情况下,次桩及桩间土承载力发挥系数减小的幅度较大.

图4 多元复合地基承载力发挥系数与主桩边长关系

2)次桩桩径(边长) 在均质地基和多层地基情况下的多元复合地基承载力发挥系数随次桩边长变化如图5所示.由图可见,在均质地基和双层地基情况下,随着次桩边长的增加,次桩承载力发挥系数均变化很小,而桩间土承载力发挥系数均迅速增大.

图5 多元复合地基承载力发挥系数与次桩边长关系

3)次桩桩长在均质地基和多层地基情况下的多元复合地基承载力发挥系数随次桩桩长变化如图6所示.由图可见,在均质地基和双层地基情况下,随着次桩桩长的增加,次桩承载力发挥系数在缓慢增加;在均质地基情况下,随着次桩桩长的增加,桩间土承载力发挥系数也在缓慢增加,而在双层地基情况下,随着次桩桩长的增加,桩间土承载力发挥系数在迅速增加.

图6 多元复合地基承载力发挥系数与次桩桩长关系

4)主桩模量在均质地基和多层地基情况下的多元复合地基承载力发挥系数随主桩模量变化如图7所示.由图可见,在均质地基和双层地基情况下,随着主桩模量的增加,次桩承载力发挥系数和桩间土承载力发挥系数变化很小.

图7 多元复合地基承载力发挥系数与主桩模量关系

5)次桩模量在均质地基和多层地基情况下的多元复合地基承载力发挥系数随次桩模量变化如图8所示.由图可见,在均质地基和双层地基情况下,随着次桩模量的增加,次桩及桩间土承载力发挥系数均变化较小.

图8 多元复合地基承载力发挥系数与次桩模量关系

6)褥垫层厚度在均质地基和多层地基情况下的多元复合地基承载力发挥系数随褥垫层厚度变化如图9所示.由图9可看出:在均质地基和双层地基情况下,随着褥垫层厚度的增加,次桩承载力发挥系数均均缓慢增加,而桩间土承载力发挥系数均先缓慢增加后变化很小.

图9 多元复合地基承载力发挥系数与褥垫层厚度关系

7)褥垫层模量在均质地基和多层地基情况下的多元复合地基承载力发挥系数随褥垫层模量变化如图10所示.由图可见,在均质地基和双层地基情况下,随着褥垫层模量的增加,次桩承载力发挥系数均缓慢减小;在均质地基情况下,随着褥垫层模量的增加桩间土承载力发挥系数缓慢减小,而在双层地基情况下,随着褥垫层模量的增加桩间土承载力发挥系数缓慢增加.