地基土沉降对复合地基工作性状的影响

夏力农，苗云东，苗伟波，周 靖＊，补国斌，李训根

（1.湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105；2.长沙学院 土木工程系，长沙 410003；3.云南省建工集团第十建筑有限公司，昆明 650041）

随着我国土木工程建设的不断发展，复合地基技术在房屋建筑、高等级公路、铁路、堤坝等工程建设中得到了广泛应用，并取得良好的社会效益和经济效益.［1］目前，国内外学者主要集中在对正常使用情况下复合地基工作性状的研究.［2－4］LIANG［5］等研究了有无褥垫层对复合地基的影响.ZHENG［6］，ABUSHARAR［7］等通过数值分析方法对多元复合地基工作机理进行了探讨.LIU［8］，SHARMA［9］等通过试验研究了加筋褥垫层对复合地基荷载沉降特性的影响.陈明等［10］根据刚性桩复合地基桩身受力特性，利用BJERRUM公式推导了常规条件下刚性桩复合地基负摩阻力区深度的计算方法.刘俊飞等［11］通过对正常情况下的复合地基桩顶负摩阻力段桩－土相互作用的分析，推导出桩－土应力比计算公式.然而，由于复合地基主要在软土地区使用，在诸如地下水位下降造成土体沉降和欠固结土体固结沉降的情况下，加固桩周土体沉降大于桩体沉降而产生负摩阻力，这时负摩阻力对复合地基工作性状有较大影响，但目前针对地基土沉降对复合地基承载机理的影响研究较少.安春秀［12］报道了回填土场地上水泥土搅拌桩复合地基在负摩阻力引起的下拉力作用下加固桩体强度不够，而使桩体破坏造成建筑物无法使用的例子，并对此进行了分析.JGJ 79—2002《建筑地基处理技术规范》［13］对如何处理复合地基中负摩阻力问题没有明确的规定，因此开展地基土沉降对复合地基承载机理的影响研究具有重要意义.在本文中，笔者拟采用数值方法分析地基土沉降对复合地基性状的影响，并探讨褥垫层厚度对地基土沉降前后桩体特性的影响.

1 有限元模型的建立

为了研究地基土沉降对复合地基工作性状的影响，利用PLAXIS软件建立了单桩复合地基轴对称有限元模型.计算中土体的本构关系采用弹塑性Mohr－Coulomb模型，桩身材料的本构关系采用弹性模型，其中黏性土的剪胀角为零.桩－土界面采用接触单元模拟，界面参数按相应土层参数根据桩身的粗糙程度进行折减.采用三角形15节点单元离散土体和桩身材料.土体固结根据Biot固结理论进行分析.土体及加固桩体的网格划分如图1所示.

图1 单元网格划分Fig.1 Divisions of element meshes

加固桩体直径为600mm，桩长12m，桩身材料采用素混凝土，其弹性模量为28GPa，重度为25 000N·m－3.设置200，400，600，800mm 4种不同的褥垫层厚度，采用圆形刚性基础，厚度为1 000mm，半径为800mm.先在基础顶面分别施加75，125，175，225，275kPa 5种荷载，然后将地下水位从地表下1m下降到地表下2.2m位置稳定下来.本研究通过地下水位下降使得地基土沉降，以此来分析地基土沉降前后复合地基工作性状的变化.桩身穿过的土层物理力学指标见表1.为方便计算，在以下的图表中，地下水位下降前的曲线记为Q，地下水位下降后的曲线记为H.

表1 土层分布及其物理力学指标Tab.1 Soil layer distributions and its indexes

2 有限元模拟结果与分析

有限元模拟结果表明，在不同上部荷载及不同厚度褥垫层条件下，地下水位下降前后复合地基工作性状是有差异的.

2.1 沉降特性的变化

从图2可以看出，降水前，在400～800mm厚度褥垫层复合地基中，桩向上刺入变形随着荷载增加而增大；降水后，在4种厚度褥垫层条件下，加固桩体和基础顶面的沉降均明显增大.在200mm褥垫层地基中，桩的沉降大于基础沉降，两者之间的沉降差比降水前大.在400～800mm褥垫层基础中，桩向上刺入变形随着荷载增加而增大，基础顶面与桩顶沉降差还随着褥垫层厚度的增加而加大.

图2 降水前后基础顶面与桩顶沉降对比曲线Fig.2 Comparison curves of foundation and pile settlements before and after precipitation

从图2还可以看出，在同一种厚度褥垫层基础中，基础沉降和桩沉降随着荷载的增加而加大，两者之间的沉降差也随着桩顶荷载的增加而加大，4种厚度褥垫层情况下均表现出这样的趋势.在4种厚度褥垫层复合地基中，400mm褥垫层在降水前后的基础与桩的沉降差是最小的.褥垫层厚度的不同对复合地基的正常使用和降水后的荷载传递特性有很大的影响.分析表明，褥垫层厚度存在一个临界值，此时桩体上刺变形最小.褥垫层为400mm时桩体与基础的沉降差是计算褥垫层厚度中最小的，褥垫层厚度大于此临界值时，厚度越大，复合地基的沉降值越大，桩体与基础沉降的差距也越大，降水前后均呈现这样的趋势.

从图2（b）～（d）还可以看出，随着荷载的增加，基础顶面的沉降增长速率在降水前后均比桩快些.在计算范围内，降水前桩和基础的沉降均随荷载增加而增加并近似呈现为线性.降水后桩沉降的增长趋势也可近似视为线性，而基础沉降的增长趋势较明显地表现为非线性，增长速率明显比桩快.这表明在降水后，随着荷载的增加，桩向上刺入变形增长速率较快.

图3为不同厚度褥垫层在175kPa荷载条件下降水前后的桩－土相对位移，可以看出降水前后的桩－土相对变形变化很明显，这主要是降水后土体沉降增加，还有桩体的新增变形；中性点位置明显下移，中性点以上部分桩－土相对位移加大，中性点以下部分桩－土相对位移略有减小.

图3 降水前后桩－土位移对比曲线Fig.3 Curves of pile－soil displacement before and after precipitation

图4 褥垫层厚度与中性点位置的关系曲线Fig.4 Curves of cushion thickness and position of neutral point

2.2 中性点位置变化

从图4可以看出，降水前由于荷载的增加，加固桩体上刺变形增大，使得中性点位置出现少许加深，这与基桩的中性点位置随荷载增加而上升的趋势是不同的.降水后，各种厚度褥垫层条件下加固桩体的中性点位置明显下降，中性点随荷载变化的波动范围比降水前明显加大，中性点位置随着荷载增加而逐渐上升，这与基桩的中性点变化趋势相同.降水前后中性点位置与褥垫层厚度的关系均未呈现明显的规律.

2.3 桩身负摩阻力分布

图5为400mm厚度褥垫层复合地基在75～275kPa荷载作用下降水前后的桩侧摩阻力分布图，其他常用的褥垫层厚度的影响与此相似.从图5可以看出，复合地基中加固桩体在降水前后的桩身摩阻力分布有很大差异，主要表现在：第一，降水后中性点位置比降水前明显下降，这说明对于复合地基，降水所产生的负摩阻力影响比桩体上刺产生的负摩阻力影响要大得多；第二，降水后桩体上部负摩阻力值比降水前大得多，负摩阻力作用的桩身长度更长，因此负摩阻力引起的下拉力对复合地基的影响较大，在设计中必须考虑这一不利因素；第三，随着荷载的增加，降水后中性点位置的波动幅度明显增大.桩侧中间部分的正摩阻力分布差异不大；桩侧下端部分的正摩阻力比降水前略大.

2.4 桩身应力分布

图6为400mm厚度褥垫层复合地基在75～275kPa荷载作用下降水前后的桩身应力沿桩长分布的对比，其他常用的褥垫层厚度的影响与此相似.从图6中可以看出，在各种荷载下，降水后桩身应力总体上有所增加，桩顶应力略有增大，地基土分担荷载比例下降，桩－土应力比提高.在中性点以上，桩身应力随着深度的增加而增加，中性点位置的桩身应力最大.在275kPa和75kPa荷载作用下，中性点位置的降水前后桩身应力差值分别为89kPa和91kPa，后者增加的幅度远大于前者.这说明在土体沉降产生负摩阻力时，上部荷载的增加可以使中性点位置上升，减小负摩阻力引起的下拉力，同时也使基础沉降增加.

图5 降水前后摩阻力分布图（褥垫层厚度为400mm）Fig.5 Distribution of skin friction before and after precipitation（cushion thickness is 400mm）

3 结语

1）地基土沉降后，在各种厚度褥垫层条件下，加固桩体和基础顶面的沉降均明显增大.基础沉降和加固桩体沉降随着荷载的增加而增加，两者之间的沉降差也随桩顶荷载的增加而增加.

图6 降水前后桩身应力对比曲线（褥垫层厚度为400mm）Fig.6 Curves of pile stress before and after precipitation（cushion thickness is 400mm）

2）地基土沉降后，加固桩体的中性点位置明显下降，中性点随荷载变化的波动范围比常规使用条件下明显加大，中性点位置随着荷载增加而逐渐上升.在相同的荷载作用下，褥垫层厚度与中性点位置的关系没有呈现明显的规律.

3）复合地基中加固桩体在地基土沉降前后的桩身摩阻力分布有很大差异.地基土沉降的增加使桩体上部桩－土相对位移增大，负摩阻力值也明显增大.

4）在各种上部荷载作用下，地基土沉降后桩身应力总体上有所增加.桩顶应力比地基土沉降前略有增加.地基土沉降后的加固桩体桩身应力沿桩长均比地基土沉降前大.

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