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复合地基沉降计算与数值模拟分析
第38卷第8期2010年8月华中科技大学学报(自然科学版
J.HuazhongUniv.ofSci.&Tech.(NaturalScienceEditionVol.38No.8Aug.2010
收稿日期:
20091221.
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(50978112;教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(20091341;山
西省交通科技攻关项目.
复合地基沉降计算与数值模拟分析
郑俊杰马强韦永美陈强
(华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074
摘要:
采用数值模拟对复合地基附加应力的扩散模式进行了研究,对规范及相关文献给出的地基沉降计算方法进行了讨论,分析了承载板刚度、载荷大小、桩体刚度对应力扩散模式及扩散角的影响,在规范给出的地基沉降计算方法的基础上,考虑复合地基附加应力的实际扩散模式,提出了一种新的复合地基沉降计算模式,并给出了应力扩散角的取值建议.通过与实测数据的对比,证明该方法比其他方法计算结果更加准确.关键词:
复合地基;沉降;应力扩散;扩散角;数值模拟
中图分类号:
TU411.3文献标志码:
A文章编号:
16714512(201008009504
Calculationandnumericalsimulationofcompositefoundationsettlement
ZhengJunjieMaQiangWeiYongmeiChenQiang
(CollegeofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityof
ScienceandTechnology,Wuhan430074,China
Abstract:
Dispersionofadditionalstressonthecompositefoundationwasresearchedbynumericalsimulation.Thecalculationmethodsoffoundationsettlementrecommendedbythetechnicalcodeandliteratureswerediscussed;thestressdispersionpatternsandthedispersionanglewereinvestigatedbychangingtheplatestiffness,loadsize,aswellas,pilestiffness.BasedonthefoundationsettlementcalculationmethodrecommendedbyChinesecodefordesignofbuildingfoundation,anewmodelofcompositefoundationsettlementandthedispersionanglewereobtainedbyconsideringtheactualdiffusionmodel.Throughcomparisonthecalculationresultswiththemeasureddata,itisprovedthatthenewmethodismoreaccuratethanothers.
Keywords:
compositefoundation;settlement;stressdispersion;dispersionangle;numericalsimula
tion复合地基沉降计算方法主要有解析法、数值计算法、半解析半数值法和半理论半经验方法等[1].文献[2~4]考虑了垫层、桩和土的相互作用,给出了复合地基的沉降计算方法.文献[5]用弹性地基梁理论推导了复合地基附加应力扩散系数的简化公式.文献[6]考虑桩体之间的相互作用,给出了桩体穿越成层地基时沉降的计算方法.文献[7]则根据文献[8]给出的CFG桩的设计规定,建议采用双层应力法和半解析半数值法进行沉降计算.本文在前人工作的基础上,对复合地基
沉降进行了深入探讨.
1沉降计算方法
目前复合地基沉降计算理论已有一定的发展,在各类实用的计算方法中,通常把复合地基沉降量s分为两部分[1]
:
一部分为加固区压缩量s1;
另一部分为下卧层压缩量s2,如图1所示.加固区沉降量s1的计算可采用复合模量法、应力修正法、桩身压缩量法等方法.文献[8]对
图1复合地基沉降示意图
CFG桩复合地基,石灰桩复合地基,水泥土搅拌桩复合地基加固区沉降计算时复合模量的取值方法做出了不同的规定.
下卧层压缩量s2的计算常采用分层总和法.采用分层总和法计算下卧层沉降时,作用在下卧层上的荷载是难以精确计算的,应力扩散模式与扩散角的选取直接影响计算结果,是复合地基沉降计算的关键.
2沉降数值模拟
本文采用有限元软件PLAXIS(3DFoundation建立全断面模型进行数值模拟,几何剖面如图2所示.加固区厚度为h1=12m,正方形布桩
图2数值模拟几何剖面
桩径d=0.5m,桩间距l=4d=2m,桩周土与桩端下卧层为单一的均质土层,下卧层厚度为h2=12m.复合地基上作用均布荷载p0,荷载作用宽度B=9m,荷载作用长度L=9m,桩周土、桩端土和柔性桩采用MohrCoulomb模型,刚性桩及载荷板采用线弹性模型,力学参数见表1,其中为桩周土的内摩擦角.
表1沉降计算参数
材料名称桩周(端土柔性桩刚性桩E/MPa10
-3在桩顶平面处设置厚度为0.3m的承载板,加载时施加均布荷载于其上表面.对于刚性桩复合地基,荷载p0分别为100kPa,300kPa和500kPa;对柔性桩复合地基,荷载p0分别采用100kPa和300kPa.模型四周采用法向约束,模型底面采用固定约束,有限元计算网格划分见图3.
图33D有限元计算模型及网格划分
2.1复合地基应力扩散模式及影响因素分析
a.桩体刚度的影响.有限元计算承载板弹性模量为30GPa时,刚性桩复合地基、柔性桩复合地基及天然双层地基附加应力有效影响半径r(r是附加应力为同一水平面上基底中点处附加应力的1/10的点到承载板中心的距离随深度z的变化规律如图4所示.与基于弹性假定的Bousinesq公式附加应力计算结果不同,由于土体之间的剪切及摩擦作用,在荷载作用下,桩顶平面加固区以
图4附加应力有效影响半径1!
刚性桩;2!
天然地基;3!
柔性桩
96华中科技大学学报(自然科学版第38卷
较大的差别,不宜按照文献[9]方法计算.通过对计算结果的分析,在此建议刚性桩复合地基附加应力扩散始于桩顶下约H/3处;柔性桩复合地基的应力扩散起始深度在桩顶一下约H/6处;天然地基附加应力自地基顶面开始扩散,与规范中天然双层地基的应力扩散模式相同.
确定下卧层顶面附加应力时仅需考虑桩端平面的附加应力有效影响范围,采用传统的地基应力扩散模式,如图5所示.由图5可知,
柔性桩复
图5不同地基附加应力扩散模式1!
刚性桩;2!
天然地基;3!
柔性桩
合地基应力扩散迹线与竖直方向的夹角最大,而刚性桩复合地基应力扩散迹线与竖直方向的夹角最小.由文献[9]可知,刚性桩复合地基所受的竖向荷载主要是通过桩体向下传递,且在刚性承载板作用下,桩间土的承载力发挥程度较低,更大程度上体现为桩基础的工作性状.
b.载荷板刚度的影响.通过改变载荷板刚度来模拟不同垫层刚度条件下复合地基应力扩散模式及扩散角的变化规律,不同垫层刚度条件下附加应力半径见表2.由表2可知,载荷板(垫层刚度对复合地基应力扩散模式影响不大,因此,当应力扩散模式确定时,可不考虑上部结构对应力扩散模式的影响.
表2不同垫层刚度附加应力半径
(m
z/m
垫层刚度/MPa
30
21.5
21.4
21.4c.荷载的影响.不同荷载作用下桩周附加应
力有效影响半径随深度变化规律如图6所示.由
图6不同荷载条件附加应力半径1!
500kPa;2!
300kPa;3!
100kPa
图6可知,在距离桩端平面3m以上,随着荷载的增大,应力扩散半径略有增加.在靠近桩端平面处,不同荷载条件下的附加应力有效影响半径趋于一致.因此,在确定下卧层顶面附加应力时,可忽略由于荷载变化对附加应力扩散角度的影响.综合上述分析,在图5的应力扩散模式的基础上,可以得到考虑实际附加应力扩散状态的模式如图7所示,其中:
DF为柔性桩复合地基附加
应力扩散界线;CE为刚性桩复合地基附加应力扩散界线.
图7桩底平面应力扩散模式
应力扩散角的大小与加固区及下卧层的相对
97第8期郑俊杰等:
复合地基沉降计算与数值模拟分析
刚度有关.在天然双层地基中,在对上层土采用柔性桩处理后,应力扩散角∀有所增大,而当桩体刚度较大时,∀却又减小,这一点与文献[9]中双层地基应力扩散角的取值规律截然不同.
文献[9]规定:
地基范围内存在软弱下卧层时,地基压力扩散线与垂直线的夹角即应力扩散角∀最大为30.
考虑复合地基附加应力的实际状态,复合地基下卧层顶面的附加应力应采用下式确定,2p1(2r2h-Brh+Lrh+BL=p0BL.(1对于条形基础LB,则式(1可表示为
2p1(rh-B/2+3p1B=p0B.(2设加固区两侧附加应力为p1,则加固区附加应力为4p1,将下卧层顶面附加应力有效影响半径rh=!
B+#Htan∀代入式(1,则有矩形基础p1=p0BL/[2(!
B+#Htan∀(2!
B+2#Htan∀-B+L+2BL];对于条形基础,p1=p0B/2(!
B+#Htan∀+B,式中#称起始扩散点系数,为起始扩散点到桩端平面距离与加固区厚度之比,其值与桩体刚度相关,初步建议在0.67~1.0取值,对于刚性桩复合地基#可取0.67,柔性桩建议取0.83,天然地基取1.0.
3算例分析
南湖新大地家园某住宅,砖混结构七层住宅楼基础底面宽度为10m,长24m,基底平均附加压力约为180kPa,采用CFG桩进行地基处理,桩长11m,桩径为0.4m,桩距为1.9m,自地面以下土层分布情况见表3.
加固区沉降计算时采用复合模量法,下卧层
表3地基土分层及性质
5强风化泥岩未揭穿--沉降采用分层总和法进行计算,本文与文献[9,10]方法的计算结果以及实测结果见表4,其中s=s1+s2.
表4沉降计算结果
计算方法s1/mms2/mms/mm
实测值--49.4
由表4可知,不同计算理论所得复合地基沉降结果存在较大差异,这些差异主要由下卧层沉降引起,本文计算方法与实测沉降较为接近,此方法忽略了rh以外的附加应力,算得的沉降值略大,可作为安全储备.
参考文献
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203209.
98华中科技大学学报(自然科学版第38卷
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