引水暗渠湿陷性黄土-灰土挤密桩复合地基静力特性

张富钧，田丹丹，许 健

(1.甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州 730070)

1 引水暗渠工程地质条件及灰土挤密桩基础

本工程Ⅱ型暗渠地处陇西县黄土高原地貌区之黄土低山丘陵分区。处于内官—香泉山间断陷盆地内，涉及到的地层主要为第四系松散堆积物，其中黄土类土广泛分布。总体地势西南高、东北低，海拔高程2 050～2 270 m，相对高差一般小于200 m。

渠基土主要为黄土状粉质壤土。渠基岩性为褐黄色、浅黄色粉质壤土，成分以粉粒为主，次为砂粒和粘粒，土质均匀，结构疏松，其工程性状与黄土极为相似。其干密度为1.16～1.38 g/cm3，孔隙比0.95～1.328，塑性指数10.2～16.8。渗透系数(0.64～7.25)×10-4cm/s，压缩模量2.41～25 MPa，压缩系数0.15～1.28 MPa-1，湿陷系数0.044～0.173，自重湿陷系数0.018～0.166，属中高压缩性、弱透水性、强湿陷性土，具有自重湿陷性。属Ⅲ～Ⅳ级(严重～很严重)自重湿陷性场地，作为渠道地基土存在湿陷变形和冻胀破坏问题。

对于暗渠工程湿陷性地基，采用灰土挤密桩进行地基处理，以提高地基承载力。桩基础处理宽度为7.4 m。桩中心间距40 cm，桩径20 cm，桩长5 m。灰土比例为3∶7。每三个中心桩构成一个等边三角形，挤密桩施工采用梅花形布置。

2 单桩与土相互作用模型的建立

2.1 引水暗渠及灰土挤密桩基础的几何模型建立

定西市陇西县马河镇Ⅱ型暗渠桩基础处理采用直径200 mm的灰土挤密桩，桩长5 m，处理宽度为7.4 m，采用3∶7灰土，桩孔采用梅花型布置。桩上承台中部为凹曲面，承台左右两端厚度为1.012 m，中心高度为0.5 m,采用3∶7灰土和M10水泥砂浆。每三个中心桩构成一个等边三角形，一排19个桩，一排18个桩，重复布置，见图1。

图1 灰土挤密桩及上部暗渠模型图

2.2 网格划分

当创建几何模型后，对几何模型进行网格划分就会生成有限元模型，然后才能用于计算分析。

上面的桩采用自上而下的建模方式直接生成实体。然后对其圆柱体进行网格划分使其几何模型生成有限元模型，在其网格划分过程中要对圆柱体进行两次切分，用六面体单元划分网格，选择映射网格划分类型，对每条圆周线和每条柱面侧线设定合理的网格划分数，之后对圆柱体进行网格划分。网格划分后的图形上每四个边构成一个单元，每个单元上有四个节点。这样网格划分后模型就生成很多单元和节点。

3 单桩—土相互作用的静力分析

3.1 基本参数

为了模拟方便，本文做的是二维桩土接触问题，所以把圆柱桩调整为块体桩(圆面积与方形面近似换算)，块体桩的直径也为200 mm。

取单位长度的暗渠段，结合其实际工程数据：夯填黄土的容重15.5 kN/m3和普通混凝土的密度为2 500 kg/m3及钢筋的直径和长度等。计算出上部暗渠和土的总荷载，再得到每根桩上所承担的荷载，经计算每根单桩施加25 000 N/m的线荷载。同时施加了桩土的自重。

3.2 数值计算模型

本文以暗渠每跨长10 m为单位，计算出每根桩所需承担的竖向线荷载，建立单桩—土的二维有限元模型。桩径取200 mm，考虑到桩土相互作用的影响范围，单桩周围土体计算范围沿桩两侧分别扩展桩径的5～10倍，地基基础取14 m(将近是桩长的3倍)。本文桩和土均采用2 维实体结构单元PLANE42。为模拟桩土之间的错动滑移，在它们之间设置了TARGE169和CONTA172接触单元。由于接触单元不宜终止于桩端处，所以在桩端处另设一层横向接触面单元 (TARGE169和CONTA172接触单元)与之相交。整体模型划分为295个单元，在模型侧向施加了水平和法向约束，底面施加了法向约束。由于建立的是二维桩土模型，所以用方桩来代替实际工程中的圆桩。图2为整体模型网格划分。

3.3 桩—土位移变化和应力分布分析

对于单桩-地基土的相互作用机理进行分析，得出竖向荷载作用下桩土整体的竖向位移和轴向应力图，如图3所示。

图2 桩—土模型网格划分图

图3 桩—土在Y方向的位移图

把竖向载荷施加到桩顶时，桩体上部先受压而产生相对于土向下的位移，由于相对土向下的位移而导致桩周围土对桩侧界面有向上的摩阻力。载荷沿桩身向下传递的过程就是不断克服摩阻力并通过它向土中扩散的过程，从而导致桩体的轴力随深度的增加逐渐减少。

从图3可以看出，在竖向荷载作用下，桩体发生的最大位移为0.420 5 cm。土体形成以桩为中心的沉降盆，靠近桩身附近的土体沉降较大，靠桩顶近的土体沉降大于靠近桩端的沉降，最大沉降发生在靠近桩顶的桩周土体，约0.373 8 cm。这是由于当桩顶荷载足够大时，桩周局部土体剪应力达到极限，在此处桩身与桩周土之间就会产生滑移，从而使桩与土的沉降位移不协调。

从图4可以看出，在竖向荷载作用下，桩身压应力沿其深度的增加逐渐增大。当桩顶赋予相应的竖向荷载时，离桩身最近的土体由于受桩身的影响也有向下的压应力，土的压应力也随着深度的增加而增大，相应的，在土体两端(主要是上部分土体)会产生向上的拉应力，上部两端土体拉应力最大。

3.4 暗渠桩基础参数分析

(1)桩长的变化

一般地，在实际工程当中，当桩长较小时，桩端部未进入粉砂岩持力层，此时以摩擦桩受力为主；而在桩长较大时，桩端部进入粉砂岩持力层，此时以端承桩受力为主。对于本工程来说，渠基土体为黄土状粉质壤土，而且桩长较短，所以以摩擦桩受力为主。由于本工程的桩长(L=5 m)已为灰土挤密桩设计规范中的最小桩长，所以选取桩长L=6 m、L=7 m、和L=8 m三种桩长与实际工程情况作比较，得到以摩擦型受力为主的灰土挤密桩的桩身变形和桩端的应力变化。如图5所示。

图4 桩—土在Y方向的应力图

图5 桩身变形图

从图5、图6可以看出，当桩长不断增加时，桩的沉降有所减小，当桩长为6 m时桩的沉降减小明显，相对桩长为5 m时减小0.1 mm，说明本工程的有效桩长没有达到最佳，在类似工程中的桩长也可设计为6 m；而当桩长由7 m增加到8 m时，桩的沉降减小仅为0.02 mm。当桩长增加太大时,复合地基变形减小幅度将降低，桩侧摩阻力已经很小或者近似为零，这时增加桩长没有实际意义。随着桩长的增加，桩身的应力也发生着变化，由此可见，桩长也是影响荷载传递的重要因素。

(2)桩径的变化

由于实际工程桩径200 mm已经是桩径设计规范最小值，所以分别选取桩径D=300 mm、D=400 mm、和D=500 mm三种情况与实际工程作比较，分析桩土变形及相关点的应力变化。如图7、8所示。

图6 桩端一点与土接触处桩的应力图

图7 桩身变形图

从图7、图8可以看出，当取桩径D=200 mm和300 mm时，桩身的变形和桩土的应力变化都不是太明显，但当桩径增加到400 mm时对桩体的位移和土体的应力影响较大，桩体下沉明显。所以，灰土挤密桩的桩径设计的太大并不是最经济的。

(3)桩间距的变化

为分析桩间距不同时桩土变形和应力变化，建立了三桩与土体二维模型。如图9、10所示。

图8 桩身一点与土接触处土体的应力图

图9 桩间距为400 mm的桩-土有限元模型

分别选取桩间距D=100 mm、D=300 mm、D=400 mm和D=500 mm四种情况，与实际工程桩间距D=200 mm作比较，分析桩土位移及相关点的应力变化。如图11所示。

从图10、图11可以看出，由于桩的承载力要比土的大的多，所以当桩间距越大时，每根桩分担的均布荷载就越大，桩身下降位移也就越来越大，桩土连接处土体应力也随桩间距增大而增大。桩间距的增加不利于减少桩土的沉降，当桩间距增加到300 mm以上时，桩的下沉和土体应力增加都非常明显。但当桩间距减小为100 mm时，这时桩身下沉不明显，而且桩间距过小，会造成浪费，而且100 mm的桩间距会给实际施工中带来技术困难，所以过度缩小桩间距是没有必要的。

图10 桩身变形图

图11 桩身一点与土接触处土体应力图

(4)土的性质

分别取不同土体弹性模量为：E=100 MPa，E=400 MPa，E=800 MPa三种情况，与实际工程E=200 MPa作比较。如图12、13所示。

图12 桩身变形图

图13 桩端一点处应力图

从图12、图13可以看出，土体刚度越大，桩沉降越小；当土体的刚度越来越大时，这时就与桩体的刚度越来越接近，当土体的弹性模量增加到E=800 MPa时，桩侧阻力越来越大，所以桩体的压应力表现为逐渐下降的趋势。

(5)桩的布置

桩的布置方式的不同，会对地基基础的变形和应力分布产生较大影响。一般传统的布置方式为矩形布桩，而矩形布置方式根据桩径和桩的数量不同又会产生不同布置方式；在有些工程里面为了减少差异沉降会采用“内强外弱”的布桩方式，即桩径由内部、中部和外部依次减小的布置方式。

4 结 论

本文通过对引水暗渠湿陷性黄土—灰土挤密桩复合地基在竖向荷载作用下的桩—土相互作用分析。得出桩土的变形和轴向应力变化。随后又分析桩长、桩径、桩间距及土的性质这些参数，分别取这些参数不同值的情况下，得到结果与实际工程作比较，从而得出每一参数的变化对桩身下沉和桩土应力变化的影响，为深入了解上部结构性能和相关工程设计以及桩的承载力的计算提供参考依据。

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