刚性基础下组合桩复合地基下卧层沉降分析

程一杰，马利东，刘 洋

(1. 华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 065201；2. 北京诚通嘉业集团,北京 100062)

刚性基础下组合桩复合地基下卧层沉降分析

程一杰1，马利东2，刘 洋1

(1. 华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 065201；2. 北京诚通嘉业集团,北京 100062)

针对刚性基础下长短组合桩复合地基，采用Flac3D模拟软件结合现场资料构建有限元分析模型，分析了长短组合桩复合地基下卧层的沉降规律。通过控制改变荷载等级与短桩长度，对复合地基下特征点进行监测记录分析。根据实验分析结果，进一步揭示长短桩复合地基下桩土各个交界面的沉降情况，为沉降计算的改良提供理论支撑。

组合桩复合地基；下卧层；Flac3D模拟；交界面沉降

0 引言

组合桩复合地基在近年来有了很大的发展，但与工程实践相比，复合地基沉降理论还是相对比较滞后[1]，尤其是关于组合桩复合地基下卧层沉降理论的研究就更为缺乏。目前，等长桩复合地基特性研究较多，在上覆荷载的条件下，导致桩土共同加固区产生压缩量以及下卧层持力产生压缩量，其中下卧层压缩量是占主要部分，下卧层压缩量主要是由桩体对下卧层的刺入量以及下卧层受压沉降量构成。由于复合地基下卧层应力分布规律难以掌握，很多计算方法都是将下卧层附加应力看作是均布应力，等效作用面位于桩端平面[2]，计算下卧层使用分层总和法、等效实体法、改进Geddes法等[3]。对于长短组合桩复合地基来说，短桩改变了长桩之间的应力状态，与等长桩复合地基下卧层性状相比必然会有变化，对下卧层沉降的计算条件也必定会有影响，采用等效天然地基计算误差较大，加权模量法没有考虑桩体的刺入作用，对长短组合桩复合地基下卧层沉降分析还较为缺乏，所以本文通过研究，找出复合地基各个交界面沉降规律，从而对长短桩复合地基下卧层沉降与总沉降进行分析，为计算改进提供依据。

1 模型试验概述

以北京市亚运村的锦绣馨园为工程背景，进行Flac3D建模，通过建模对比分析沉降结果和现场观测沉降数据，来验证数值模型建立的可靠性。经长短桩处理后复合地基承载力标准值不小于480 kPa，地基处理方案设计为CFG桩复合地基处理形式。采用正方形布桩方式，桩间距为1.2 m，长桩桩长为16 m，桩径为0.4 m，短桩桩长为4 m，桩径为0.45 m。采用中砂褥垫层，厚度为0.2 m。地质勘查显示，地层主要是以粉质黏土为主，下卧层为砾石土层。表1是封顶后5个月的沉降观测值。

表1 锦绣馨园地基沉降量

2 计算模型与计算方案

2.1 计算模型

Flac3D有限元程序在模拟的后处理中具有较大的优势，并且成图效果好，本文采用Flac3D模拟软件对长短组合桩复合地基桩端与下卧层之间交界面进行研究。

选取等效单元进行建模实验，假设土体为摩尔库伦模型，桩、加压板为理想弹性模型，根据工程布桩建立下图局部模型。由于是选取群桩中的一个单元，单元四周侧限较大，近似看做单元在侧面边界为水平滑动支座；侧面边界，选取在单元周边相邻桩体边缘；上边界无限制，定为自由边界；底面边界一般确定为地基沉降计算深度取附加应力与自重应力的比值为20%处，软土10%处，岩层表面处。根据已有资料对此软土模型的试算，通过分析近似将下卧层沉降起始位置定为在长桩下3.5 m左右，设定为竖向滑动支座[4-5]。

本计算模型根据现场资料选取其中九桩单元进行1∶1建模，单元尺寸为3.6 m×3.6 m×20 m，如图1左所示。长短桩截面直径分别为0.4 m、0.45 m，桩间距为1.2 m，长角桩为1、3、7、9号桩，中心长桩为5号，长16 m；短桩为2、4、6、8号桩，长4 m；中砂褥垫层厚度0.2 m。图1右是沿2、5、8号桩截面图，并标记模型监测点布设，点号1～6分别是中心桩上方加载板顶、中心桩桩顶、中心桩桩身4 m处、中心桩桩端、中心桩正下方下卧层0.5 m处、中心桩正下方下卧层3.5 m处沉降；截面Ⅰ～Ⅳ分别是在加载板顶、桩顶、短桩底、长桩底、长桩桩端下0.5 m、长桩桩端下3.5 m各平面位置。根据地勘资料及分析计算和在规范内合理选取模型运算参数[6]，如表2。

图1 计算模型布桩图与截面图

材料类型层厚/m弹性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/°密度kg/m3土体21270.442221950褥垫层0.02700.2515292050长桩16.0130000.302500短桩4.0130000.302500加载板0.02280000.253000

2.2 模型验证

图2是通过Flac3D数值模拟得出在480 kPa下长短桩复合地基位移场图，可以看出在上覆荷载作用下，复合地基的最终沉降为22.63 mm，现场实测平均沉降为24.78 mm，其偏差在8.6%，模型合理可行。

图2 复合地基与组合桩位移场图

由图2右分析可知，短桩的沉降最大，其次是中心桩沉降，最后是角桩沉降；短桩的沉降接近于总体沉降。根据Flac3D运算结果，提出关键节点的监测数据，2、4、6、8号短桩平均沉降量为22.40 mm，5号中心桩桩顶处沉降量为22.20 mm，1、3、7、9号角长桩平均沉降量为21.86 mm。中心桩桩端沉降量为21.50 mm，桩顶与桩端沉降差即是桩的压缩量，因此中心长桩压缩量为0.70 mm，角桩桩端平均沉降量为21.13 mm，压缩量为0.73 mm，短桩桩端平均沉降量为22.26 mm，压缩量为0.14 mm，根据圧缩量也可以看出角桩的受力比中心桩大，短桩受力相比于长桩小很多。

2.3 下卧层沉降分析

复合地基总沉降S由三部分组成[7]：

S=S1+S2+S3

(1)

式中S1——长短桩共同加固区1(截面Ⅱ～Ⅲ位置)的压缩量；

S2——长桩加固区2(截面Ⅲ～Ⅳ位置)的压缩量；

S3——下卧层(截面Ⅳ以下位置)的压缩量。

根据模拟数据可知长桩、短桩的压缩量相比于总沉降来说，占总沉降比例的3%以下，褥垫层的压缩量也很小，因此在长短组合桩复合地基中与等长桩复合地基相似[8]，下卧层的沉降在长短组合桩复合地基总沉降中占主要地位。下图3是中心长桩处各监测点随荷载变化时的位移图，可看出在一定荷载内，复合地基总沉降随着荷载的增大呈现抛物线型，桩端沉降与总沉降相差值比较小，表明桩顶上刺入不明显；中心桩桩端=与下卧层0.5 m处在480 MPa下沉降量之差为16.62 mm，占总沉降的73.4%，下卧层0.5 m处与下卧层3.5 m处沉降量之差为3.87 mm，占总沉降的17.1%，所以主要沉降在下卧层接近桩端的部分。在对角桩进行数据提取时，也有相同的特征，桩端下0.5 m厚的下卧层压缩量都占总沉降的70%以上。因此对下卧层控制是对沉降控制的关键，尤其是接近桩端的土体部分。

图3 复合地基中心桩各个位置沉降

下图4是在标准荷载下，以中心桩为原点，2、8短桩为x方向、深度为z方向选取平面，记录着经过2、5、8桩的平面上，不同深度Ⅰ～Ⅴ各处特征点提取数据组成的位移曲线。可以看出加载板顶Ⅰ处总沉降较为平稳，总沉降比桩顶Ⅱ截面处的中心桩位置沉降略微大0.22 mm，比桩顶Ⅱ截面处短桩位置沉降大0.08 mm，说明长短桩的上刺入作用不明显，长桩上刺入稍大于短桩；短桩桩端Ⅲ截面处沉降接近于总沉降，说明短桩下的沉降主要发生在短桩桩端以下部分，桩顶平面Ⅱ处桩间土到截面Ⅲ处桩间土之间的沉降差为3.1 mm，比Ⅱ处的桩端沉降要小，说明共同加固区S1处桩和桩间土并不是完全的共同沉降；Ⅳ截面处，长桩端处桩土交接面沉降较大，桩间土、短桩下卧层沉降较小，从短桩桩端到Ⅳ截面处，短桩下的加固区S2沉降较大，有18.2 mm，桩间土沉降为15.2 mm，长桩之外的土体沉降接近，所以可以认为复合地基短桩沉降主要发生在长桩加固区2，长桩沉降主要发生在下卧层；在长桩桩端下0.5 m处，各处沉降接近一致，中心桩略大0.16 mm。

图4 中心截面各个位置沉降

图5、图6是以长桩16 m，短桩4 m为研究对象，监测下卧层Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三层的沉降和应力。由图5可以看出在桩土接触面Ⅳ处，中心桩桩端交接面处土的沉降很大，而截面其它监测点沉降都比较平稳，下卧层下0.5 mⅤ处与下卧层下3.5 mⅥ处沉降曲线较为平直，说明在这一区域长短桩复合地基对这一平面影响较小。图6可以看出在中心桩位置下，中心桩桩土交接面处土的应力大，导致了此处的沉降较大及一定的刺入作用，下卧层下0.5 mⅤ处比桩土交界面Ⅳ处应力小很多，说明在这一区域，应力下降明显；到下卧层下3.5 mⅥ处，应力基本保持稳定，平面最大应力和最小应力偏差为2.17%，可以认为在Ⅵ截面处附加应力为均布应力。

图5 长桩桩端及以下三个截面沉降

图6 长桩桩端及以下三个截面应力

图7是关于复合地基在改变短桩长度的条件下，基础总沉降随荷载变化的情况。长桩固定为16米，短桩由4 m逐步增长到16 m，总沉降逐渐减小，根据数据分析，短桩4 m与短桩7 m沉降差为1.43 mm、短桩7 m与短桩10 m沉降差为1.61 mm、短桩10 m与短桩13 m沉降差为2.14 mm、短桩13 m与短桩16 m沉降差为2.32 mm，可见短桩桩长增长，其总沉降减小速率是逐渐增大的。

图7 随短桩长度变化基础总沉降

图8 随桩长变化桩土交界面Ⅳ沉降

图9 随桩长变化下卧层Ⅴ交界面沉降

图8、图9是以中心桩为原点，2、8短桩为x方向，深度为y方向，研究在改变短桩长度的条件下，长短桩复合地基桩土接触面Ⅳ、下卧层下0.5 mⅤ处沉降变化图。图8可以看出在长短桩情况下，短桩逐渐增长，中心桩桩端下卧层Ⅳ处沉降逐渐减少，而短桩下的沉降大致相同，桩间土的沉降也保持稳定，长短桩的变化趋势比较相近；在长桩16 m短桩15 m和等长桩16 m条件下，Ⅳ交界面处两种桩型沉降差异很大，说明短桩造成的压缩量在较小的范围内就已保持稳定；除长桩桩端之外，沉降量都较小，说明短桩下的沉降在短桩端处就已经发生，在Ⅳ接触面处已到稳定状态。而图9是下卧层0.5 m处沉降图，其沉降量相比于下卧层Ⅳ到Ⅴ之间的沉降小很多，最大沉降不超过总沉降的18%，可以看出长短桩呈现“V”型，等长桩呈现“W”型，应是受下刺入的影响，随着短桩长度的增加，中心桩下0.5 m处总体沉降是逐渐增大，说明增长短桩有利于荷载传递到更深的土层中，同时也能保证总体沉降的减小。

3 结论

通过分析对比得出复合地基长短组合桩沉降有如下特征：

(1)在长短组合桩下，复合地基沉降下卧层的沉降占主要部分，褥垫层压缩量和桩身压缩量占较小一部分，短桩造成的沉降主要发生在长桩加固区2，长桩造成的沉降主要发生在下卧层。桩端造成的下卧层不均匀沉降的影响在一定的范围之内，超过此范围，下卧层的应力和沉降就已趋于平稳，所以在计算时定义下卧层均布荷载面因在桩土交界面以下的合适位置。

(2)随着短桩的长度增加，复合地基总沉降逐渐减少，减小的速率逐渐增大，中心桩下卧层桩土接触面Ⅳ处沉降量总体呈现减少趋势，短桩下卧层Ⅳ交界面沉降没有太大影响，下卧层Ⅴ处沉降量有略微增大趋势，增加短桩长度，短桩传递的不仅承受的荷载更大，并且传递的荷载也向更深处发展，所以使下卧层沉降增大。所以在长桩保持不变的情况下，增大短桩长度不仅减小整体沉降，更利于将荷载传递到更深的土层中。

(3)长短组合桩复合地基在加载板到短桩桩端平面，桩的沉降特征是长短桩沉降略小于总沉降，短桩位移略大于长桩位移，桩间土沉降的较小，在共同加固区内，桩、土并不是共同沉降。短桩桩端沉降的影响范围很小，不同短桩长度在短桩正下方下卧层0.5 mⅣ处的沉降都趋于一致，说明改变短桩长度，对短桩下下卧层影响不大，主要是改善应力分布，减小了长桩下方下卧层沉降；在下卧层0.5 mⅤ处短桩下土体沉降与长桩下土体沉降近似呈现“V”形，等长桩近似呈现“W”形，此处的压缩量占总沉降的18%，而下卧层Ⅳ到Ⅴ之间的压缩量在60%以上，所以对复合地基沉降控制主要是对长桩桩端下的下卧层上部。

(4)组合桩复合地基长桩处下卧层随着短桩的减小，其长桩沉降越大，下卧层沉降也大，表明长桩处下卧层受力越大，容易导致其土体发生破坏，所以可以采取加固桩端土体的方法来控制沉降。

[1] 龚晓南.复合地基[M].杭州:浙江大学出版社,1992.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部发布,中华人民共和国行业标准.建筑地基处理技术规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2013.

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[8] 余烨. 长短桩与等长桩的对比分析[J]. 山东工业技术,2013,(4):77-78+80.

Substratumsettlementanalysisofcompositepilesfoundationunderrigidfoundation

CHENG Yi-jie1, MA Li-dong2, LIU Yang1

(1.SchoolofCivilEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yangjiao,065201,China; 2.BeijingChengtongGroupCompany,Beijing,100062,China)

For the composite foundation with the long and short composite piles under rigid foundation, combined with field data,a finite element analysis model was established by using Flac3D simulation software，the settlement law of the substratum under the long and short composite piles foundation is analyzed. By controlling the change of load grade and short pile length, the characteristic points of composite foundation are monitored and recorded. According to the experimental analysis results, the settlement of the pile-soil interface at the long and short pile composite foundation is revealed further, which provides theoretical support for the improvement of settlement calculation.

Combined pile composite foundation;substratum;Flac3D simulation; Interface settlement

2017-09-28

中央高校基本科研业务费资助(3142017048)

程一杰(1992-)，男，湖北黄冈人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：岩土工程安全技术。E-mail: 944854644@qq.com

TU433

A

1672-7169(2017)05-0070-06