1、长短桩复合地基数值模拟与试验研究摘要：通过 ABAQUS 数值模拟分析与室内模型试验进行对比研究，分析竖向荷载作用下长短桩复合地基的工作机理及荷载传递机制。模型试验通过改变长、短桩刚度，分析其对复合地基的沉降、桩顶刺入变形、荷载分担比、桩身轴力变化的影响。结果表明：长桩承担了上部大部分荷载，长桩刚度是影响地基承载力和地基沉降量的主要因素，且边长桩荷载分担比大于中长桩荷载分担比。因此可以通过刚性长桩来提高复合地基承载力，柔性短桩控制地基沉降量，充分发挥桩间土的作用，从而有效提高地基处理效果，提高经济效益。 关键词：ABAQUS；复合地基；桩土相对刚度；桩土应力比 中图分类号：TU4 文献标识码：
2、 A 1 引言 随着复合地基理论认识的不断提高和实践经验的不断积累，地基处理技术得到了极大的发展。长短桩复合地基的设计理论落后于工程实践，对其设计计算方法以及作用机理的研究和认识还不够全面和深入。虽然岩土界学者和工程师对长短桩复合地基进行一系列的理论、有限元分析、试验等研究1-4，取得一些可观的成果，并应用于实际工程中，但至今没有形成一套完整的理论体系，有许多问题有待进一步的研究与探讨。 本文利用 ABAQUS 有限元数值模拟和模型试验研究对比，对四组不同工况的长短桩复合地基进行研究与分析，特别是荷载分担比的探讨。 2 有限元计算模型及计算方案 2.1 计算模型 本次计算模型尺寸长*宽*高=1
3、500mm*700mm*1000mm，桩底土厚350mm，垫层厚 150mm，长桩长 500mm，短桩桩长为 250mm，直径均为60mm，桩间距为 200mm，共 7 根桩呈等边三角形布置(见图 1)，垫层中距桩顶 30mm 处铺设一层土工格栅。约束土体底部及四周边界的位移自由度，碎石垫层上部为自由边界。网格划分及桩的布置如图 2。 图 1 布桩平面示意图 计算模型中的材料参数见表 1，其中土工格栅抗拉刚度为E=15kN/m，泊松比 =0.2，厚度 0.002m。 表 1 模型计算参数 2.2 计算方案 桩平面布置图如图所示，不同工况见表 2。模型加载方式采用八级等量加载：20kPa、40k
4、Pa、60kPa、80kPa、100kPa、120kPa、140kPa、160kPa。表2 为本文数值模型试验的不同工况。 表 2 不同工况 3 结果及分析 3.1 复合地基沉降量分析 图 2 为不同工况下，荷载与地基沉降关系曲线图。A、B、C、D 四种工况下，地基沉降量分别为26.83mm、31.08mm、33.10mm、25.41mm。A、C 工况相比，两者唯一的区别在于长桩弹性模量不同，A 工况的长桩弹性体模量为 10GPa，而 C 工况为 65MPa；C 工况的地基沉降比 A 工况增大了 15.92%。A 与 D 工况相比，地基沉降量只增加了 5.59%。由此说明，在长短桩复合地基中，
5、长桩刚度是影响复合地基沉降量和承载力的主要因素。 图 2 荷载-地基沉降关系曲线图 3.2 复合地基荷载分担比分析 图 3 为 A 组长、短桩及桩间土三者荷载分担比随荷载等级变化的关系曲线图。从图中可知，长桩（刚性桩）的荷载分担比随着荷载的增加而增大，短桩（柔性桩）的荷载分担比随着荷载的增加有所减小，而桩间土的荷载分担比在加载初期减小较快，之后基本处于稳定值。从整体来看，在加载初期，上部荷载主要由长、短桩承担；但加载后期，随着长桩荷载分担比的增加，长桩承担了 58%（数值计算结果）的上部荷载。 图 3 A 组荷载分担比关系曲线图 3.3 复合地基桩身轴力及中性点分析 图 4 是 160kPa
6、荷载作用下，中长桩桩体轴力随桩身深度的变化曲线图：除 A 组工况，其它三组均位于距桩顶下 0.25m 处；且不论短桩是刚性桩还是柔性桩，相同刚度下的中长桩桩体轴力相近。A、D 组长桩均为刚性桩，但 A 组短桩为柔性桩，而 D 组短桩为刚性桩，A 组中长桩桩体轴力比 D 组只大 4.11%；B、C 两组长桩均为柔性桩，但 B 组短桩为刚性桩，而 C 组为短桩柔性桩，此时，C 组中长桩桩体比 B 组大 11.14%。而不同刚度的长桩，轴力相差甚大。 图 4 不同工况下的中长桩轴力 5 结论 (1)在长短桩加筋土复合地基中，通过刚性长桩来提高地基承载力，柔性短桩来控制复合地基沉降，是最经济、有效的方
7、案。 (2) 在复合地基中，边桩承担的上部荷载比中桩大，因此，可以通过调整边桩与中桩的刚度，来调节荷载分担情况，有效地提高地基承载力和控制地基沉降量。 参考文献： 1 龚晓南. 复合地基理论及工程应用M. 北京: 中国建筑工 业出版社, 2002. 2 葛忻声, 龚晓南, 张先明. 长短桩复合地基设计计算方法的探讨 J . 建筑结构学报, 2002( 7) : 3-5. 3 谢新宇, 杨相如, 施尚伟, 等. 刚柔性长短桩复合地基性状分析J. 岩土力学,2007, 28(5):877-882. 4 娄炎, 何宁, 娄斌. 长短桩复合地基中的土拱效应及分析J. 岩土工程学报, 2011,33(1):77-80. 5 马骥, 张东刚, 张震, 等. 长短桩复合地基设计计算J. 岩土工程技术, 2001(2): 86-91. 6 刘海涛, 谢新宇, 程功, 等. 刚柔性桩复合地基试验研究J.岩土力学, 2005, 26(2): 303306. 7 王伟, 杨敏, 杨桦. 长短桩桩基础与其它类型基础的比较分析J. 建筑结构学报, 2006,27(1):124-129.
