大直径素混凝土桩复合地基承载及变形特性研究

聂 源

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着城市超高层建筑的大量涌现，对地基承载力有了更高的要求，成都地区多个高层建筑的地基采用大直径素混凝土桩复合地基进行处理。大直径素混凝土桩复合地基多以中(强)风化泥岩作为持力层，其桩径比普通素混凝土桩(通常为400～600 mm)更大，一般在800～1 200 mm之间。由于其桩径大，使得桩与桩间土的接触面积更大，更能够发挥桩间土的作用，同时还可以提高复合地基的整体刚度，从而使得地基承载力更高以及地基沉降量更小[1-3]。此外，采用大直径素混凝土桩能保证在置换率较高的情况下，有足够大的净间距而便于施工，使得桩身混凝土质量有了更好的保障。在目前的超高层建筑中，大直径素混凝土桩复合地基承载力的特征值可达550～900 kPa，有些已超过1 000 kPa。

近年来，部分学者先后对大直径素混凝土桩复合地基开展了一系列研究。黄荣[4]结合工程实例，阐述了采用大直径人工挖孔素混凝土桩的地基处理方式，并通过验算证明了大直径素混凝土桩对于软土地基加固处理的有效性。王荣[5]详细介绍了大直径素混凝土桩复合地基的设计、施工和检测过程，验证了采用大直径素混凝土桩进行地基处理的可行性。王丽娟[6]通过现场监测、有限元分析等方法，研究了大直径素混凝土桩复合地基的力学特性。符征营[7]以成都某岩溶场地项目为例，得出大直径素混凝土桩复合地基在岩溶场地中的适用性。刘洪波[8]将现场监测与理论推导相结合，提出一种能真实反映大直径素混凝土桩复合地基受力变形的计算理论及设计方法。李海生[9]结合大直径素混凝土桩复合地基工程项目建立了Plaxis3D模型，得出加载过程中的桩土荷载、桩顶位移及桩身轴力变化规律。王俊峰[10]根据复合地基、桩基础以及复合桩基的差异性对比，分析了大直径素混凝土桩复合地基的工程特性及其影响因素。

虽然上述学者对大直径素混凝土桩复合地基的研究已经取得了一定的进展，但其中对大直径素混凝土桩复合地基承载及变形特性的研究较少，并且缺乏对上部结构-筏基-复合地基协同作用的整体分析。目前，对大直径素混凝土桩复合地基的设计是按承载力进行控制，但由于高层建筑往往以沉降控制为主，所以当下的设计方法存在较大的缺陷，并不能真实反映此类复合地基受力及变形特性。因此，本文将结合前人的研究成果，以“绿地中心·蜀峰 468 工程”T2 塔楼的大直径素混凝土桩复合地基为研究对象，采用ABAQUS有限元计算软件进行三维数值仿真，并与相同条件下的复合桩基进行对比分析，研究大直径素混凝土桩复合地基的承载及变形特性，为考虑上部结构-筏基-复合地基协同作用的复合地基优化设计提供理论依据。

1 工程概况

“绿地中心·蜀峰468超高层项目”位于成都市东部新城文化创意产业综合功能区核心区，成都市驿都大道地铁2号线洪和河站A1和A2出口南侧，椿树街东侧。地质勘察表明，该场地岩土主要由第四系全新统人工填土(Q4ml)、第四系中、下更新统冰水沉积层(Q2-1fgl)以及下覆白垩系灌口组(K2g)砂、泥岩组成，而复合地基中的大直径素混凝土桩主要处于强风化、中风化的泥岩中，其下为微风化的泥岩。该项目由编号分别为T1、T2、T3的3栋超高层塔楼和局部地上3层的裙房及4～5层地下室组成。其中，T1塔楼主体建筑高度将达到468 m的超高层地标型建筑，采用人工挖孔桩基础；T2、T3塔楼采用筏型基础，裙房采用独立基础，为满足承载力要求，筏基及独立基础的地基均采用大直径素混凝土置换桩进行处理，要求经加固后的复合地基承载力标准值达1 400 kPa，部分区域达到1 200 kPa，裙房独立基础区域达到1 000 kPa。

T2塔楼筏板的面积为1 792.2 m2，周长170.8 m，共布置232根桩，桩径1.3 m，桩长15.3 m，以中风化泥岩为持力层，采用C25混凝土浇筑。其中处理后要求复合地基承载力特征值达到1 400 kPa的区域，桩间距不大于2.6 m×2.6 m；要求达到1 200 kPa的区域，桩间距不大于2.9 m×2.9 m。

2 数值模型建立

本文在建模时对模型进行了适当的简化处理，将复合地基中的圆形桩简化为等截面面积的方形桩。忽略筏基局部尺寸差异，其A(承载力处理要求达1 400 kPa)、B(承载力处理要求达1 200 kPa)两个区域内的桩长、桩径均相同。同时为了使网格划分较为规则，提高计算精度和效率，将土体简化为上下两层，桩间土为微强风化泥岩，并假定上层土体厚度与桩长相等；持力层厚度取为上层土厚度的3倍。通过试算并结合相关文献确定模型的计算范围：底部刚性边界设在大直径素混凝土柱底下超过3倍桩长处，计算区域深度共计60 m；水平向的计算边界，其中横向为240 m，纵向为186 m，计算模型见图1。素混凝土桩、筏板采用线弹性本构模型，褥垫层和土体均采用Mohr-Coulomb弹塑性模型。根据实际情况确定边界条件，土层底面采用固定约束，控制x、y、z方向上的变形；土体两组侧面采用水平向约束，控制x、y方向上的变形；筏板基础顶面为自由面；上部结构侧面为水平向约束，顶面为自由面。本模型单元类型为C3D8R单元，采用结构化网格划分技术，网格数量共计283 946个，生成网格如图2所示。

图1 上部结构-筏板-复合地基的数值模型

图2 数值模型网格划分

根据复合地基设计资料、勘察报告和经验，选取材料计算参数见表1。

表1 模型材料参数

3 计算结果及分析

为了准确地模拟真实工况并有效反映出复合桩基工程特性变化规律，采用分级加载，共分为12级，每级荷载100 kPa，A区域从300 kPa加载到1 400 kPa，B区域从100 kPa加载到1 200 kPa。加载完成后，对复合地基的沉降分布规律、桩身轴力分布规律进行了分析，并对褥垫层厚度的影响进行了研究。

3.1 整体沉降

加载到最后一级荷载后，复合地基整体、筏板、桩体竖向位移云图如图3所示。从图3可以看出，上部荷载达最大时，上部结构-筏板-复合地基整体及周边土体沉降均匀，就整个计算区域而言，竖向位移呈现“中间大，外侧小”的分布规律，沉降量从内向外逐步扩散并减小，呈椭圆形辐射式衰减。这是由于中心区域承受最大荷载作用，故该区域内沉降变形相对较大。

3.2 桩身轴力分布规律

选取模型中具有代表性的几根特征桩进行分析，如图4所示，以A区域1#中心桩、3#边桩，以及B区域2#中心桩、4#边桩为例。

桩身轴力计算结果如图5所示。由图5可知，1#桩最大轴力为6 890 kN，2#桩最大轴力为7 350 kN，3#桩最大轴力为12 500 kN，4#桩最大轴力为14 300 kN。由图可知，4根特征桩均存在负摩擦阻力，1#和3#桩(A区域桩)的负摩擦阻力主要存在于0～4 m之间(桩顶算起)，2#和4#桩(B区域桩)的负摩擦阻力主要存在于0～5 m之间(桩顶算起)。经分析认为：由于设置了褥垫层，桩体受到荷载作用时将“刺入”褥垫层，在满足桩—土变形协调的前提下，桩间土产生较大的压缩量从而产生较大的竖向抗力，与桩体共同承担荷载。因此，桩体轴力分布规律为：在褥垫层下一定范围内，桩体沉降小于桩间土沉降，桩侧出现负摩擦阻力，在此范围内轴力随深度的增加逐渐增大；超出此范围后，桩体沉降大于桩间土沉降，桩侧出现正摩擦阻力，此时轴力随深度的增加逐渐减小。

图3 整体沉降云图

图4 特征桩示意

图5 桩身轴力计算结果

3.3 褥垫层厚度影响分析

本文通过桩-土应力比分析褥垫层厚度变化对复合地基的影响，为较全面反映褥垫层厚度对大直径素混凝土桩复合地基工程特性的影响，在本模型其他条件和参数不变的情况下，褥垫层厚度分别取0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm进行数值模拟计算。桩-土应力比随褥垫层厚度的变化趋势如图6所示，可以看出，在不铺设褥垫层的情况下，桩-土应力比明显较大；随着褥垫层的厚度从10～40 cm，桩-土应力比逐渐降低，最终趋于平稳。由此可知，复合地基中褥垫层的设置，能够保证桩-土共同承担上部荷载，但当褥垫层厚度达到一定程度时，继续增加厚度不能有效减小桩-土应力比。得出此工程褥垫层的合理厚度为20～40 cm，设计厚度为30 cm，在合理范围内。

图6 桩-土应力比随褥垫层厚度变化

4 复合桩基和复合地基对比分析

为分析比较复合地基与复合桩基作用机理的差别，仍以“蜀峰468”工程的T2塔楼的地基为背景，将其中的复合地基变换为复合桩基(去掉褥垫层)，进行模拟加载，研究复合地基和复合桩基在工作荷载下的沉降量及桩身轴力分布规律，对比分析两者工作性状的差异。

4.1 整体沉降

复合桩基竖向位移计算结果如图7所示。对比图3(a)与图7(a)可知，上部荷载达到最大时，在荷载集中的中心区域内，复合地基和复合桩基的沉降变形均较大，沉降的分布规律均为“中间大，外侧小”，从内向外逐步扩散并减小；对比图3(b)与7(b)知，复合地基中桩的沉降略大于复合桩基中的桩。由图7(c)可知，复合地基筏板的沉降量大于复合桩基。综合计算结果，可以得出复合地基整体沉降量大于复合桩基。

图7 复合地基与复合桩基沉降对比

4.2 桩身轴力分布

图8 复合地基与复合桩基桩身轴力对比

为便于对比分析，选择与复合地基相同位置处的特征桩(图4)。复合桩基与复合地基桩身轴力曲线分布对比如图8(a)～图8(d)所示，由桩身轴力分布图可知，在数值上，复合桩基桩体的轴力大于复合地基，说明在相同上部荷载作用下，复合桩基的桩体压缩量大于复合地基，而图7中得出复合地基整体沉降量大于复合桩基，由此可以推断出复合地基中桩间土的压缩量要大于复合桩基。在分布上，复合桩基中2#与4#桩的桩顶处轴力最大，沿深度逐渐减小，说明桩侧摩阻力为正；1#与3#桩的最大轴力位于桩顶之下，说明存在负摩阻力。复合桩基工程中，负摩擦阻力的产生可能导致基础结构沉降、桩基损坏等工程事故。但在复合地基中负摩阻力却有积极的作用，因为复合地基中铺设了一定厚度的褥垫层，所以从荷载一开始作用就存在一个负摩阻区，即初始加载时就有负摩擦阻力产生，使桩间土参与承担上部荷载，从而提高了地基的承载力。因而，复合地基优于复合桩基。

5 结论

本文使用ABAQUS有限元软件建立大直径素混凝土桩复合地基-筏板基础-上部结构共同作用下的数值模型，分析了地基沉降、桩身轴力分布规律以及褥垫层厚度的影响，并与复合桩基的沉降量、轴力分布进行了对比。主要结论如下：

(1)在褥垫层下一定范围内，桩体沉降小于桩间土沉降，桩侧摩擦阻力为负，在此范围内轴力随深度逐渐增大；超出此范围后，桩体沉降大于桩间土沉降，桩侧摩擦阻力为正，此时轴力随深度逐渐减小。

(2)褥垫层能够保证桩体与桩间土共同承担上部荷载，当褥垫层厚度达到一定程度时，继续增加厚度不能有效减小桩-土应力比。针对本工程，褥垫层的合理厚度为20～40 cm。在本设计中褥垫层厚度取值为30 cm，满足合理范围要求。

(3)复合地基整体沉降量略大于复合桩基，但受力性能优于复合桩基。复合桩基中部分桩体存在负摩擦阻力，其存在可能产生不良影响，引发基础结构沉降、桩基损坏等工程事故；复合地基中所有桩体均存在负摩擦阻力，其存在是有益的，使桩-土共同承担荷载，从而提高地基承载力。