超大厚度Q2黄土场地长短组合桩基础模拟研究

朱彦鹏,王振涛,包泽学,董芸秀(1．西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州　70050; 2．兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州　70050; ．甘肃省城乡规划设计研究院,甘肃兰州　70000;．陇东学院,甘肃庆阳　75000)

超大厚度Q2黄土场地长短组合桩基础模拟研究

朱彦鹏1,2,王振涛1,2,包泽学3,董芸秀4
(1．西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州730050; 2．兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050; 3．甘肃省城乡规划设计研究院,甘肃兰州730000;4．陇东学院,甘肃庆阳745000)

针对超大厚度Q2离石黄土场地,选用大直径长摩擦型桩基桩筏联合基础是此类地区建设超高建筑的不二选择.因此根据在超大厚度黄土场地所进行的单桩静载荷试验的试验结果,基于减沉桩原理,根据长桩控制变形、短桩提供承载力的基本思路提出长短桩组合桩基础设计思想.结合试验结果,分别确定了两种直径相同(d＝800 mm),长度不同(L1＝40 m,L2＝20 m),承载力不同的两种桩型,通过上部结构荷载估算确定了长短桩数量,根据相关规范,采用简化模型,利用Ansys有限元软件对全短桩、全长桩及长短桩组合桩基础在竖向荷载作用下的变形特性进行三维有限元分析.结果表明,长短桩组合桩基础不仅可以大量减少长桩用量,而且可有效地控制基础整体沉降和差异沉降,显示其良好的应用前景.

长短桩;桩身沉降;桩身轴力;试验模拟

引用格式:Zhu Yanpeng,Wang Zhentao,Bao Zexue,et al．Stimulation Study of LongGshort Pile Foundation in Q2 Loess Sites of SuperGlarge Thickness[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):72G77．[朱彦鹏,王振涛,包泽学,等．超大厚度Q2黄土场地长短组合桩基础模拟研究[J]．甘肃科学学报,2016,28(2):72G77．]

随着人类社会经济的增强,人口数量的增加,高层建筑越来越多的被应用于现实生活当中,其地基的基础形式也在发生变化,群桩基础得到了更多的采用,但就我国目前的桩基工程现状来看,还面临着许多挑战.现有群桩基础的计算理论大多是基于同一承台下桩长相等或者相差不是太大的情况之下,对群桩基础桩长不等的情况,理论研究还远不能满足实际工程的需求.为满足承载力和沉降要求,通常会考虑承载力较深的持力层,而采用全长桩基础设计,这样不仅浪费了浅部持力层的承载力,而且加大了工程资金的投入.采用不等长桩基础则能很好地解决这些问题,从而能更充分地利用不同土层的承载力,这样不仅能满足地基的承载能力,同时也降低了工程造价,而长短桩基础是一种比较新的桩基础类型.研究将通过对长短桩与等长桩的对比,比较并分析几种类型不同的长短桩基础的沉降、桩侧摩阻力、桩顶反力.

张建辉等[1]对不规则形状筏板以及分布不均匀的桩的桩筏基础采用无单元的方法模拟筏板的工作性状,建立桩筏基础与地基共同作用的新型的分析方法.张建辉等[2]对桩与土体之间的工作性状进行了分析研究,并对层状地基土上的不同桩径、桩体长度以及桩体本身的材料的群桩进行了分析与研究,建立了不同的桩径、桩长的群桩基础中桩土相互作用分析模型.曹炜等[3]分析研究了长短桩组合桩基础的设计观点、使用条件以及类型,并将这种基础与长短桩复合地基做了比较.张建辉[4]对桩筏基础在层状地基土上作用性状进行了研究和分析,并且就桩的分布进行了优化.杨桦[5]对长短桩组合桩基础这一新型基础的工作性状采用了数值模拟、室内试验和理论分析等方法进行研究.王剑峰[6]对长短桩组合桩基础受竖向荷载的工作性状采用有限元方法和常用的长短桩基础分析方法两种不同的分析方法进行了比较,通过图形和数据验证了两种方法的分析结果很相近.王涛等[7],刘金砺[8]对一些单桩、带台单桩、平板、带台双桩试验和主楼变刚度调平桩筏及主裙连体基础进行模型试验,对现场试验特定土条件用回归分析提出了对弹性理论解的修正模型.长短桩基础所用的建筑材料要比全长桩基础的少,而且很好地利用了浅部持力层的资源,施工方便,所需施工时间更短.但是对于这样比较新型的桩基础设计,现在工程界还处于一个开始的阶段,人们对这种基础的计算方法和设计理论还不够完善.结合常规桩基础分析方法和沉降控制设计理论,按照长桩主要控制变形、短桩主要提供承载力的基本思路,我们提出高层建筑长短桩组合桩基础设计思想.

马骥等[9]提出了长短桩复合地基的设计概念,通过加设短桩提高地基的承载能力,而长桩主要控制整体的沉降.应用复合模量法将桩按照强度等效成地基土,然后求出等效桩土的模量,采用分层总和法算出沉降量.邓超[10]用二维有限元法分析研究了长短桩复合地基的承载力和沉降特性,考察了长短桩复合地基主要参数的变化对桩土荷载分担和复合地基沉降的影响,并提出了长短桩复合地基的承载力和沉降计算模式及实用的计算方法.陈波[11]考虑桩周土摩阻力的细长桩压曲荷载.

1　现场单桩静载荷试验

1．1试验方法

试验场地的土层特性指标见表1.

表1　试验场地的土层特征Table 1　The soil characteristics of test sites

试验结合庆阳市西峰区南盘旋片区旧城改造项目中东北角拟建的28层(高约100 m)的高层建筑,对其进行了基础形式的设计,试桩现场制作三根试桩,且三根试桩均采用旋挖钻成孔灌注桩,直径为800 mm,桩长均为40 m.桩身混凝土为C35级.试验时对三根试桩进行了单桩静载试验.

1．2单桩的荷载G沉降特性

试验对三根试桩进行单桩竖向抗压承载力试验,绘制得到三组试桩的竖向荷载G沉降QGs柱形图见图1.

从图1可知,三根试桩呈现出典型的摩擦桩特性.由荷载G沉降(QGs)总体来看,三根试桩的QGs相似度较高,均有继续发展的趋势,故判断单桩竖向极限抗压承载力应大于8 000 k N.将单桩竖向极限承载力除以安全系数2,即为单桩竖向承载力特征值,因此判断单桩竖向抗压承载力特征值大于4 000 k N.通过试验结果与设计要求值的对比,单桩承载力满足要求,这说明桩基础能够为上部结构提供足够承载力,能够作为超高层建筑的基础,且该试桩承载力并未得到充分发挥,仍有很大的富余.

图1　单桩竖向静载试验的QGs柱形图Fig．1　The QGs column diagram of vertical dead load experiment of single pile

1．3桩身轴力及长短桩参数选取

SZHG1、SZHG2、SZHG3的桩身轴力沿深度的分布分别如图2~图4所示.

从图2~图4可以看出,在逐级荷载下,SZHG1、SZHG2桩身轴力分别在深度2．5~4．5 m、4．5~ 6．5 m局部范围内出现随深度增加而增加的现象,但从总体来看三根试桩的桩身轴力均表现为随深度增加而减小并在不同的土层以不同速度递减的规律.

根据试验结果及桩身轴力的变化规律可初步选取长短桩相关参数为:长桩直径为800 mm,桩身长度为40 m,单桩竖向承载力特征值为4 000 k N;短桩直径为800 mm,桩身长度为20 m,单桩竖向承载力特征值为2 000 k N.

图2　SZHG1的桩身轴力沿深度的分布Fig．2　The distribution of axial force of pile of SZHG1 along the depth

图3　SZHG2的桩身轴力沿深度的分布Fig．3　The distribution of axial force of pile of SZHG2 along the depth

图4　SZHG3的桩身轴力沿深度的分布Fig．4　The distribution of axial force of pile of SZHG3 along the depth

2　长短桩有限元软件模拟

2．1长短桩桩数确定

该拟建建筑物高约100 m,上部结构约28层,地下三层.因此,若取地上标准层的面荷载为16 k N/m2,地下三层的面荷载均为22 k N/m2,筏板厚度为1．4 m,筏板混凝土容重为26 k N/m3;对其荷载可估算如下:

G＝(16 k N/m2×28＋22 k N/m2×3＋26 k N/m3×

1．4 m)×20×20＝220 160 k N,

若全为长桩,则桩数n＝220 160/4 000≈55(根);若全为短桩,则桩数n＝220 160/2 000≈110(根);若为长短桩,则长桩数n＝20(根),短桩数n＝70 (根).

根据以上计算的长短桩数量和相关布桩原则及规范,布桩如图5所示.

图5　桩位平面示意图Fig．5　Schematic plan of pile position

2．2有限元计算参数及模拟

简化的土层资料及相应有限元计算参数见表2.

表2　有限元计算参数Table 2　Parameters in calculation of finite element

由于桩的长细特征,采用两个节点的弹性梁单元beam4来模拟,可以将桩体划分为若干个弹性梁单元;用弹塑性solid45单元模型来模拟地基土,认为每层土都是理想的弹塑性地基土,并且符合druckerGprager屈服准则;筏板采用shell63壳单元进行模拟.有限元模型计算域在竖向和水平向均取2倍长桩长.模型的周围四边采用法向位移约束,底面采用全部约束.桩与土之间的作用有很多方面,如摩擦作用、挤压作用等,上部荷载传到桩顶,再通过桩传到土体,采用接触面单元的作用效果更好,但由于接触问题是一种高度非线性问题,在大型群桩基础分析中采用接触面单元计算需要耗费大量的计算资源,甚至面临收敛困难.另外,由于地基复杂多变,各桩与土体的接触面单元参数的获得也是很困难的,得到的结果也不一定满意,所以分析过程没有选用接触面单元参数来模拟这些问题,取而代之的是分析桩体与土体之间相互作用力,通过桩的端阻力、侧摩阻力及位移来分析桩与土之间的作用力,这种传递方法与传统荷载传递法相似,把它命名为广义荷载传递法.按照传统荷载传递的方法将桩体分成一个一个的梁单元,梁单元与土的实体单元有在同一个位置的节点,并将这个位置的桩与土的节点连接.

2．3全短桩基础模拟计算分析

短桩长20 m,根据试验得到的短桩极限承载力为2 000 k N,计算得所需短桩数为110根.布桩方式如图5(a)所示,全短桩基础整体沉降非常大,沉降如表3所列.

表3　全短桩基础沉降量Table 3　Foundation settlement of short piles mm

2．4全长桩基础模拟计算分析

由于全短桩模型总沉降与差异沉降过大,考虑全长桩模型分析.长桩极限承载力为4 000 k N,为满足承载力安全度要求,所需长桩为55根.全长桩模型沉降量大大减小,沉降如表4所列.

表4　全长桩基础沉降量Table 4　Foundation settlement of long piles mm

图6为沉降与长桩数关系曲线,从图6可以看出只需少量长桩即可有效地控制基础沉降,在此基础上再增加长桩数量对沉降控制而言效果不大.这也证实了对群桩基础来说,建立竖向刚度较大的桩土混合地基需要的桩数并不多.

图6　沉降随长桩数变化曲线Fig．6　Variation of settlementwith number of long piles

2．5长短组合桩基础模拟分析

从图6看出只需20根长桩即可有效地将沉降量控制在允许沉降值附近,因此在长短桩组合桩基础计算中取长桩数为20,由于跟全长桩基础相比减少了35根长桩,为了使长短桩基础总安全度不变,所需短桩数应能提供相当于35根长桩所能提供的承载力,这样,共需短桩70根(见图5(c)),短桩均匀布置在长桩周围,同时为避免长桩边桩桩顶荷载过于集中,在其周围稍密集布置短桩.长短桩模型沉降如表5所列.由表5可以看出其差异沉降小于全短桩基础,显示了良好的调节沉降的能力,使筏板受力更加均匀.

表5　长短组合桩基础沉降量Table 5　Foundation settlement of composite longGshort piles mm

2．6等长桩、长短桩基础沉降比较分析

经过ANSYS有限元模拟计算,全短桩基础、全长桩基础和长短桩基础的平均沉降量如表6所列.

表6　平均沉降量对比Table 6　The comparison of average settlement mm

根据数据显示采用的全短桩基础沉降量太大,以致发生了严重的变形,而全长桩基础和长短桩基础的沉降量较小并且相近.因此短桩基础模式的设计不满足沉降量的要求,而长短桩基础和全长桩基础则满足此要求.但是由于全长桩基础的施工难度大于长短桩基础,综上所述,在考虑沉降量的方面上,相比等长桩来说,长短桩基础不失为一种优化的设计模式.

3　结论

通过在庆阳超大厚度黄土地区进行的单桩与单桩承台的现场静载荷试验,探讨了长短桩组合桩基础的承载特性.初步结论如下:

(1)大厚度黄土地区高层建筑的基础形式,采用大直径长摩擦复合桩基,且其沉降满足规范要求;由试验结果得知,此类桩基在Q2离石黄土层上单桩及单桩承台的承载能力还具有较大潜力,并不局限于本次试验结果.

(2)上部荷载较大时,设计常采用坐落于深层持力层的全长桩设计方案,导致出现大量长桩或超长桩,使施工难度和工程投资大大增加,同时上部浅层持力层良好的承载力得不到充分利用,实为可惜.为此,提出长短桩组合桩基础设计思想,长桩主要控制沉降,短桩主要提供承载力,于常规设计方法相比,减少了长桩数量,节省工程造价.

(3)与全短桩基础相比,长短桩组合桩基础减小了基础沉降,与全长桩基础相比,减少了长桩数量,减少工程量.

(4)长短桩组合桩基础的沉降由长桩控制,长桩达到一定的数量后,继续增加长桩数量对沉降影响不大.

[1]张建辉,邓安福．桩筏基础的新型分析方法[J]．土木工程学报, 2002,35(4):103G108．

[2]张建辉,张素芬,邓安福．变桩径、桩长群桩桩一土体系相互作用分析模型[J]．重庆建筑大学学报,2007,29(6):67G71．

[3]曹炜,陈春燕．长短桩组合桩基础的研究与应用[J]．西部探矿工程,2007,19(4):170G171．

[4]张建辉．层状地基上桩筏基础的分析方法及其布桩优化研究[D]．重庆:重庆建筑大学,1999．

[5]杨桦．长短桩组合桩基础工作性状及工程设计问题研究[D]．上海:同济大学,2006．

[6]王剑峰．两种长短桩基础分析方法的比较[J]．西部探矿工程, 2006,18(3):8G10．

[7]王涛,刘金砺．带裙房高层建筑桩基优化设计与桩土相互作用影响系数的试验研究[D]．北京:中国建筑科学研究院,2007．

[8]刘金砺．桩土变形计算模型和变刚度调平设计[J]．岩土工程学报,2000,22(2):151G157．

[9]马骥,张东刚,张震,等．长短桩复合地基设计计算[J]．岩土工程技术,2001,15(2):86G91．

[10]邓超．长短桩复合地基承载力与沉降计算[D]．杭州:浙江大学,2002．

[11]陈波．考虑桩周土摩阻力的细长桩压屈荷载[J]．甘肃科学学报,2005,17(2):121G124．

Stimulation Study of LongGshort Pile Foundation in Q2 Loess Sites of SuperGlarge Thickness

Zhu Yanpeng1,2,Wang Zhentao1,2,Bao Zexue3,Dong Yunxiu4
(1．Northwest Center for Disaster Mitigation in Civil Engineering,Ministry of Education,Lanzhou 730050,China; 2．School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 3．Gansu Institute of Urban Planning and Design,Lanzhou 730000,China; 4．Longdong University,Qingyang 745000,China)

It is the best choice to choose pile raft composite foundation of major diameter and long friction in the construction of high buildings of this kind of region aiming at the Q2 Lishi loess sites of superGlargethickness．The design idea of composite longGshort pile foundations is proposed according to the test results of static load tests of single piles in the loess sites of superGlarge thickness,based on the principle of settleG ment reducing piles,and basic thinking of long piles controlling deformation and short piles providing bearG ing capacity．Two types of piles with same diameter(d＝800 mm),different length(L1＝40 m and L2＝20 m)and different bearing capacity are confirmed combining with the test results．The quantity of long piles and short piles is determined by estimation of upper structural load．According to the relevant specifiG cations,the deformation characteristics of the foundation of short piles,long piles and composite longGshort piles under the effect of vertical load are conducted with threeGdimensional finite element analysis by adopG ting simplified model and Analysis．The analysis results indicate that composite pile foundation with long and short piles can not only reduce plenty of long piles use,but also can control effectively the total settleG ment and differential settlement of the foundation,which shows a good application prospect．

LongGshort piles;Settlement of pile body;Axial force of pile;Experiment stimulation

TU473

A

1004G0366(2016)02G0072G06

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．016．

2014G12G15;

2015G02G12．

朱彦鹏(1960－),男,甘肃庆阳人,教授,博士生导师,研究方向为支挡结构、地基处理和工程事故分析与处理等．EGmail:zhuyp＠lut．cn．