探析用于高层建筑的新型桩基的机械性能

袁作波

【摘要】建筑工程中，桩基是一種基础形式，应用非常广泛，主要起到的作用是分担荷载，防止建筑物沉降，这方面有着其他建筑浅基础无法替代的巨大优势。当前建筑行业竞争非常激烈，为更好地适应市场，必须通过技术革新来控制成本，因此，降低桩基成本成为目前的一个热点研究课题。为了达到目的，首先需要正确估计柱基的最大承载能力，确保设计与实际的承载能力保持一致。本文研究了单、群桩机械性能，优化了单、群桩的计算方法，提高了承载力设计精度，使用有限元分析工具，并结合实际的工程项目与模型试验方法进行了验证。

【关键词】桩基;有限元;承载能力

1、引言

高层建筑只采用浅基础无法满足实际承载力与变形要求，所以高层建筑必须采用地基进行加固，将荷载传导分散大深部土层，桩基是最常用的形式。20实际50年代就开始了桩基础的系统研究，60年代后，随着计算机技术的发展，桩基的研究取得较大的进展，也取得了一定的突破。国内外众多岩土工程科学家开展了模型试验、工程检测和理论分析，但目前还难以确保理论研究和实际完全相符，因此有必要开展深入的分析研究。

当前的工程实际中，试桩设计与静载试验相差较大，设计师必须调整设计参数来满足实际需求，保证安全性，设计师需要静线试验结果的数据来完善桩基施工图的设计，如果实际参数超过设计参数，就必须进行二次试桩，这样的设计会影响工程的进度，降低了经济效益。

为了适应高层建筑领域的激烈竞争，必须优化设计。解决单桩静载试验结果与试桩设计偏差过大难点，使两者尽量相近，这样就能精确进行设计。本文的单桩研究中，重点研究了模型划分效应、梁单元与实体元在约束条件下的精度研究，论证梁单元代替实体元的可操作性，使用ANSYS软件进行模拟仿真，并进行了工程实测验证。

2、模拟研究

单桩分析使用有限元模拟是有效的分析手段。有限元的方法形态十分丰富，在求解固体力学和结构工程问题中应用广泛，收到各行各业的重视。传统的设计假设回避了桩土之间的相有限元法显然很有优势。

有限元法是在广义胡克定律的基础上进行离散，根据最小势能原理将结构总势能离散为各个单元总势能纸盒，形成有限元求解方程。胡克定律为公式1，有限元求解方程为公式2：

有限元模型精度影响计算结果，本文的计算数据如下：土的弹性模量取1.8×108Pa，密度1800kg/m3，泊松比为0.35，截面积为20m×20m，深50米，模型中心桩的弹性模量为3.25×1010Pa，密度2700kg/m2，泊松比为0.20，截面积为1m×1m，深40米。

设定精度后，可以分析梁单元和实体单元的关系。实体元单元有向三个方向平移的自由度。梁单元可承受拉、压、弯、扭的单轴受力。有六个自由度，包括三个方向的线位移和三个轴的角位移。为简化分析单桩，本文采用梁单元分析了土体弹性状态和弹塑性状态下的结果。

由分析结果可知，单元尺寸的不同对对轴力分析影响小，对沉降分析影响大。弹性、弹塑性分析中模型桩的轴力、桩顶沉降都比较吻合，因此离散是可行的。

3、工程分析

本文选取了高喷搅拌水泥土插芯组合桩作为实验对象。这种桩基在软土地基上应用广泛，直径大，承载能力高，无污染。由预制芯和水泥桩符合组成，两者之间紧密贴合，水泥桩和周边的土基形了成凹凸锯齿状结合面，为桩基提供了侧阻 力。这种新型桩基诞生时间段，对其机械性能和力学性能的研究还存在空白指出，但是由于其性价比很高的优势，已经在工厂中大量应用，影响众多高层建筑的稳定性。经查阅大量文献可知，组合桩在长期强荷载作用下的安全性已经经过工程检验得到了炎症，但是作为重要组成的水泥土的研究还有欠缺，没有专题研究水泥土在长期强荷载作用下的力学性能。

水泥土的机械性能对桩基有很大，其重要性不言而喻，本文选取的水泥实验对象型号为P·O42，掺入比为15%，水灰比为0.6。粉质黏土的物理性能如表1所示，为提高实验效果，将水泥制成长宽高均为70mm的块状，以堆叠配重块的方式添加外加载荷，水泥块已等边三角形的方式排开，上下均水平放置钢板，上方钢板厚度为6cm，然后施加外载荷，持续一定时间。进行测试。

测试中，以28天为一个周期，在水泥土试块上施加载荷，同时与未施加载荷的水泥块的强度进行对比，两者的比值为试样载荷水平;抗压实验时，一定时间内在水泥试样上施加应力，外加应力和水泥试样的强度之间的比值定义为实际载荷水平。本文在这两个概念的基础上，研究不同在载荷下水泥的机械性能。

表2是本文实验采取的方案，水泥试样制成块状之后，分成了4组，每一组包含4块试样，按照实验标准，进行为期28天的养护。在每一组的试样上面施加长期载荷，施加的时间为50d和100d，载荷水平选择为0.2和0.4。

4、结果分析

4.1外载荷施加持续时间不同情况下的水泥块破坏模式

在施加载荷时间不同的情况下，对水泥块进行单轴加压，测试抗压强度，经试验表明，虽然载荷施加时间不同，但是水泥试块额破坏模式相同，裂纹均与载荷平行，水泥表面也均出现了剥离现象，由此可知，外加载荷持绩的时间的长短，不影响水泥试块的破坏模式。

4.2外载荷施加持续时间不同情况下的水泥块机械性能

经试验表明，载荷持续时间不同的情况下，水泥试块机械性能会根据载荷水平和实际载荷水平的强度变化而变化。当载荷水平小于0.5，实际载荷水平在0到0.3之间时，水泥试块的机械性能会跟着两个水平的增大而增大，载荷持续时间越长，强度越大，机械性能越好。如果当载荷水平大于0.5，实际载荷水平大于0.3，水泥试块强度会出现明显下降。

结论：

经过理论分析和试验验证，可知，当水泥试样收到外载荷作用时，其持续时间长短对于水泥的破坏模式不会有明显影响，但是会影响水泥的机械性能，强度会随着载荷水平和实际载荷水平的增加而增大。

本文通过理论研究和实际工程试验两个密不可分、相互推动、相互促进的过程，验证了理论研究的可行性，为今后新型桩基的机械性能研究提供了一条可行之路。

参考文献：

[1]程海涛.水泥土复合材料工程应用研究[J].施工技术，2011，41（5）：89-9.

[2]陈四利.水泥土细观破裂过程的损伤本构模型[J].岩土力学，2007，28（1）：93-0.