基于FLAC的长短桩复合地基三种桩型比较研究

王磊钊

长短桩是复合地基的一种。有人单从桩长考虑,认为不同长度的桩组成的桩体复合地基称为长短桩复合地基。有人从复合地基的桩土单元来说,认为有两种不同类型的桩与土组成的三元组合型复合地基称为长短桩复合地基[1]。根据复合地基在荷载作用下的位移场特征和变形特征可知,长短桩复合地基较好的发挥了地基土体的承载力和增强体在提高承载力和减少沉降方面的潜力[2]。长短桩复合地基可做到浅层置换率高,深部置换率低,这样就合理地满足了软弱地基不同深度对地基承载力的要求。长短桩浅部地基置换率高,加固区复合模量大,深部地基置换率低,复合地基模量较低,正好适应浅部附加应力大,深部附加应力小的位移场,这样对减少软弱地基沉降有利[3]。同时,长短桩在复合地基中还具有较好的经济效益优势。本文拟建立长短桩复合地基三种不同空间布置桩型的有限差分模型,根据数值模拟,对三种桩型的工作特点进行对比分析。

1 长短桩复合地基桩体三种不同空间布置桩型的比较研究

1.1 模型的建立

设定土体宽80 m,高50 m,为均质各向同性的摩尔—库仑弹塑性模型单元;土体左右边界,底部边界固支;在承台顶部施加均布压力P=300 kPa;桩基为理想弹性模型。

桩型①:长桩、短桩相间的长短桩复合地基,承台宽 11 m,厚0.5 m;垫层宽11 m,厚0.3 m;长桩桩长20 m,桩径为0.5 m,桩间距2 m,共4根等间距布置;短桩桩长10 m,桩径为0.5 m,桩间距2 m,共3根等间距布置。桩型②:短桩居中的长短桩复合地基,承台宽 11 m,厚 0.5 m;垫层宽 11 m,厚 0.3 m;长桩桩长20 m,桩径0.5 m,共2根布置于承台两边;短桩桩径0.5 m,共5根,3根等间距布置于承台中心位置,桩长10 m,其他2根桩长15 m。7根桩等间距布置,间距为1 m。桩型③:长桩居中的长短桩复合地基,承台宽11 m,厚0.5 m;垫层宽11 m,厚0.3 m;长桩桩长20 m,桩径0.5 m,共3根等间距布置于承台中心;短桩桩径0.5 m,共4根,桩长15 m,10 m,阶梯式由长到短从中心向边缘布置。7根桩等间距布置,间距为1 m。

1.2 应力对比分析

应力分布如图1所示:桩型a),长桩轴力分布较大,特别是边桩轴力最为集中,长桩桩端出现较长条带状的应力集中区,所有长桩桩端应力集中区,有连接在一起的趋势,基础端一定范围内应力比较集中;短桩分担部分基础压力,各桩桩端存在较短的应力带,但均未连成一片。桩型b),基础两侧的长桩,轴力较为集中,长桩桩端出现较长条带状的应力集中区,基础端一定范围内应力比较集中;短桩分担部分基础压力,各桩桩端存在较短的应力带,桩端明显的形成一片应力集中区。桩型c),中间长桩,轴力较为集中,长桩桩端存在明显的应力集中区;短桩应力也较为集中。

通过三种桩型布置方式模型塑性屈服的FLAC模拟研究发现桩型a),长桩桩端出现塑性屈服集中区,短桩桩端均未出现,基础底部一定深度范围内,塑性屈服区宽度相当于承台宽度,下部塑性屈服区以某一放射角梯形开展。桩型b),基础两侧的长桩,次长桩出现塑性屈服集中区,短桩桩端均未出现,塑性屈服区在先缩小到长桩端后以某一放射角梯形开展。

综上所述,桩型a),更容易把应力均匀的向下传递给土体;桩型b),能够把应力集中在基础中心位置,应力影响深度较其他两种桩型小;桩型c),长桩、短桩的应力都比较集中,有利于提高桩的工作效率,同时其桩形分布类似于平板基础的应力分布,有利于调节基础应力的分布。

1.3 应变对比分析

三种桩型沉降监测见表1。

表1 三种桩型沉降监测 mm

通过三种桩型布置方式模型竖向应变的FLAC模拟研究及沉降数据对比分析,发现桩型a)具有较好整体模量,在减少沉降,减小不均匀沉降方面有较好的优点;桩型c)能够有效的减小不均匀沉降,但是整体上的减小沉降不及桩型a)。

2 结语

1)桩型a),更容易把应力均匀的向下传递给土体;桩型b),能够把应力集中在基础中心位置,应力影响深度较其他两种桩型小;桩型c),长桩、短桩的应力都比较集中,有利于提高桩的工作效率,同时其桩形分布类似于平板基础的应力分布,有利于调节基础应力的分布。2)桩型a),具有较好的整体模量,在减少沉降,减小不均匀沉降方面有较好的优点;桩型c),能够有效的减小不均匀沉降,但是整体上的减小沉降不及桩型a)。

[1] 龚晓南.复合地基设计和施工指南[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 施尚伟.深厚软土地区长短桩复合地基工程性状研究[D].杭州:浙江大学硕士学位论文,2006.

[3] 赵明华,张 玲,李立新,等.长短桩复合地基沉降计算方法研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2005,21(4):310-314.

[4] 李振川,王 伟.复合地基沉降控制研究[J].山西建筑,2008,34(1):117-118.