大面积荷载下桩网复合地基边界效应研究

易 光 伟

(上海民航新时代机场设计研究院有限公司广州分公司，广东 广州　510405)



大面积荷载下桩网复合地基边界效应研究

易 光 伟

(上海民航新时代机场设计研究院有限公司广州分公司，广东 广州510405)

以数值模拟为手段，分析了某桩网复合地基的工程实例，研究了大面积荷载作用下的应力分布、沉降差异情况，论述了关于填土强度参数的桩网复合地基的沉降敏感性，总结出了桩网复合地基受边界效应的影响范围和沉降规律。

大面积荷载，边界效应，桩网复合地基

软土由于其高含水率、高压缩性、高灵敏度、低强度，一直是工程地基处理的重点对象之一。大面积填方荷载下，经过处理的软土地基也有一定沉降。桩网复合地基是一种既能节省工期又能大大降低地基沉降的处理方法。吴九江等[1]对某超大面积深厚软土桩网复合地基进行了数值模拟，研究了土方填筑—地基沉降—土压力的变化规律；于进江等[2]的车站地基处理，研究了大面积填土荷载下荷载传递机制与不同桩间距下桩体荷载分担比、桩土应力比及地基沉降规律；戴洪军等[3-5]研究了大面积堆载对土体变形的影响深度与范围，分析了不同高程处垫层与土体的应力随深度的变化规律以及桩土应力比的大小与变化规律。考虑到软土分布和工程建设需要，以数值模拟为手段对某桩网复合地基实例进行了分析，研究了大面积荷载作用下的应力分布、沉降差异情况，得出了桩网复合地基受边界效应的影响范围和沉降规律，为工程设计、施工提供参考。

1　工程实例与建模

1.1工程概况

某地基土层及桩网复合地基设计参数如下(见图1)：1)桩型采用PHC-A400-95型预应力管桩，正方形布置，桩间距2.0 m，桩长以穿过淤泥质土层底并进入强风化岩层1.0 m，采用静压法或锤击法沉桩。2)桩顶设置正方形混凝土桩帽，边长为0.8 m，高度为0.4 m，桩头进入桩帽0.1 m，桩帽顶面布置φ8@100钢筋网，保护层厚度50 mm，钢筋采用HRB335，混凝土标号不小于C30。3)复合地基顶层设置0.4 m厚度加筋土褥垫层，土体材料选用级配良好的碎石或砂砾，粒径不大于10 cm，含泥量不大于6%，采用静力压实法压实，压实后垫层的固体体积率不小于82%。4)褥垫层加筋采用双向经编土工格栅，距离褥垫层顶、底面10 cm处各布置一层，所用材料可为涤纶、腈纶或锦纶长丝等，纵、横向5%延伸率下的抗拉强度不低于60 kN/m，最大延伸率不大于10%，格栅孔眼尺寸不大于25 mm。5)代表地层淤泥质粉质黏土厚7 m，压实填土为山皮土、碎石土、粉质黏土等，每层厚度20 cm，代表填土总厚度8 m；路面为水泥混凝土路面，道路结构层厚度0.8 m。

1.2模型建立

为了简化模型，提高运算速度，在不影响计算精度和反映实际施工过程的基础上，将填土改为每2 m填筑一层。采用CAD-ANSYS-FLAC3D法，通过初步建模、指定关键点、网格剖分、局部网格粘结，建立了可用的有限差分模型。

2　边界效应分析

1)沉降。取两桩中心原地面为监测点，导出FLAC3D计算2 000步时的数据，如图2所示。桩网复合地基显著降低了大面积荷载下地基的沉降；四桩中心的沉降量总是大于两桩中心；在应力拱作用下，随着荷载增加，桩网复合地基的沉降量增加不大。未经处理的软土不仅自身发生了较大沉降，而且影响了与其相邻的桩网复合地基的沉降；填土荷载较小时，软土的沉降对桩网复合地基桩间土的影响也较小；填土荷载较大时，对复合地基沉降的影响较大，并且范围扩大到桩网复合地基的最外两排桩。受地基处理边界附近软土沉降及相邻区域荷载传递的影响，桩网复合地基边界处沉降量显著增大，差异沉降明显。

2)应力。随着填土荷载增加，桩受侧向应力影响越来越大。2 m填土荷载时，最外侧桩桩身弯矩极大值点在桩头下约1.1 m处，弯矩较小；随着荷载增加，弯矩极大值增大，且极值点不断下移，8 m填土荷载时，极值点位移桩头下6 m处；同时，复合地基之外的软土区出现贯通性塑性变形区，变形区延长线直穿桩身。最外侧两桩桩间土于桩脚处发生较大的最大主应力偏转，偏转角度大约40°。在此情况下，未见最外侧两桩桩间土有较明显的土拱作用，证明土拱形成和构成土拱的土体强度有较大关系。受摩擦力分布的影响，土工格栅的拉力并不处处相等；随着填土荷载的增大，土工格栅的拉应力总体上呈增大趋势。8 m填土荷载时，最外侧土工格栅最大拉力达93 kN，已超出选用材料的抗拉强度，材料已经失效。

3)超载验证。在8 m土方荷载上施加荷载10 kPa～100 kPa，开始时远离边界的桩间土沉降增加值不大，在荷载达到60 kPa时，土工格栅拉力普遍大于100 kN，桩间土沉降量陡增，土工格栅破坏；在超载80 kN时，桩身出现明显的塑性破裂面，桩身破坏，呈拉裂状态；在达到桩的极限抗压强度之前，桩在受侧向力作用下已经受弯破坏。这说明在刚性桩网复合地基中，边界效应对桩的影响优先于上部荷载。

4)强度验证。为验证压实填土强度的不同对桩网复合地基沉降的影响，对填土强度参数c和φ进行了敏感性分析；在8 m填土荷载下，取远离边界的四桩中心原地面为监测点，计算结果见表1。从表1中可以看出，随着c和φ的增大，桩网复合地基桩间土的沉降都在减小，且较小的速率都随c和φ的增大而增大，这说明越大的提高填土的强度就能越多的降低沉降量，这对土方施工中压实度的控制具有重要的指导意义；相同的c和φ的增量下，φ比c更能降低地基的沉降量，也即复合地基沉降量对φ值更敏感，这对土方施工中填料的选择具有重要的指导意义。

表1　远离边界的四桩中心沉降量

3　结语

以某桩网复合地基的工程实例建立了数值计算模型，分析了桩网复合地基应变应力规律，并验证了超载状态下桩、土工格栅的破坏模式，进行了关于填土强度参数的桩网复合地基沉降敏感性分析，得出以下结论：1)填土荷载越大，软土分布影响下的复合地基边界效应越明显，沉降受影响的边界范围也越大；2)受边界影响，大面积荷载下软土分布导致边界桩承受较大的弯矩，边界土工格栅接近破坏；3)大面积荷载下的软土分布边界导致桩的破坏模式发生了改变；4)增强压实填土的强度能降低复合地基的沉降量，在填料选择和压实度控制上，填料选取更能影响复合地基的沉降量。

[1]吴九江,程谦恭,王寒冰,等.超大面积深厚软土桩—网复合地基承载性状分析[J].工业建筑,2012,42(5):106-114.

[2]于进江,程谦恭,贺宏武，等.超大面积深厚软土桩—网复合地基承载性状模型试验研究[J].岩土力学,2012,33(11)：3323-3330.

[3]戴洪军,刘欣良,任治军，等.圆形煤场中桩—网复合地基原体试验研究[J].岩土力学,2011,28(2):1121-1126.

[4]曹光栩,宋二祥,徐明.山区机场高填方地基工后沉降变形简化算法[J].岩土力学,2011,32(S1):1-26.

[5]鲍树峰.刚柔长短组合桩—网复合地基工作性状研究[J].铁道工程学报,2014(7):22-27.

On boundary effect of pile-net composite foundation under large-area load

Yi Guangwei

(GuangzhouBranch,ShanghaiAviationNewTimesAirportDesignInstituteCo.,Ltd,Guangzhou510405,China)

Taking the numeric simulation as the measure, analyzes the engineering cases of some pile-net composite foundation, researches the stress distribution and settlement differences under the large-area load, indicates the settlement sensibility of the pile-net composite foundation with the filled soil strength parameter, sums up the influence scopes and settlement rules for the boundary effect of the pile-net composite foundation.

large-area load, boundary effect, pile-net composite foundation

1009-6825(2016)08-0115-02

2016-01-05

易光伟(1987- )，男，硕士，助理工程师

TU470

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