柔性基础楔形桩复合地基变形规律有限元分析

第２４卷第５期　２０１０年１Ｏ月　土　工　基　础　Ｓｏｉｌ　Ｅｎｇ．ａｎｄ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｖ＿０１．２４　ＮＯ．５　Ｏｅｔ．２０１０　柔性基础楔形桩复合地基变形规律有限元分析　王垠翔，刘　杰，何　杰，闵长青　（湖南工业大学土木工程学院，湖南株洲４１２００８）　摘　要：使用有限元软件ＡＤＩＮＡ对柔性基础下夯实水泥土楔形桩复合地基和夯实水泥土圆柱形桩复合地基的变　形规律做了初步的数值模拟分析，得出了在各级荷载作用下软基的侧向、竖向变形基本规律并对它们进行了对比，　认为用楔形桩加固软基是经济的、安全的。　关键词：楔形桩复合地基，柔性基础，有限元法，变形规律　中图分类号：ＴＵ４７３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—３１５２（２０１０）０５—００３９—０４　加，但楔角的增加是在一定范围之内的，在软土中，　１　序言　近年来，对刚性基础下的软土地基采用复合地　基技术进行处理的方法应用较为广泛，对于刚性基　刘杰等认为最好选用楔角为０．５。～１．５。的楔形桩。　具体参数如表１。　表１桩的计算参数　础下的楔形桩复合地基，国内外学者ｎｑ　也做了较　多的研究，但是，对于柔性基础下的楔形桩复合地基　的研究，目前国内外较少。　本文采用大型有限元软件ＡＤＩＮＡ，对柔性基　础下１组楔角为１．１９。的夯实水泥土楔形桩及相应　建模模拟预留桩孑Ｌ的情况。柔性基础下的复合　的平均直径相等的圆柱形桩进行了数值模拟，并进　行了对比，得出了其变形规律，以提高工程界对夯实　地基中桩体承受了较大的上部荷载，而桩间土只承　担了较少的荷载。根据平面应变问题的特点按对称　性原则任选跟路线走向垂直的一排桩计算，跟路线　走向平行的实线范围为施加均布荷载区，如图１。　桩距取３Ｄ（Ｄ为楔形桩平均直径），加载的宽度取　９Ｄ，砂垫层厚度取０．２５　ｍ。为排除边界条件影响，　水泥土楔形桩复合地基的认识，为在柔性基础下推　广应用奠定基础。　２有限元分析模型的建立　２．１基本假定　楔形桩与土之间相互作用是很复杂的，涉及到　的因素很多，为了既不失结构体系主要特性又便于　模型的数值分析，计算中作如下假定：　经试算：Ｘ方向取４　ｍ，Ｚ方向取３　ｍ，Ｙ方向取　０．２２５　ｍ，建立三维模型，如图２。　路线走向　：／，＿一ｏ　ｏ　ｏ　　（１）假定土体、褥垫层均为理想弹塑性体，采用　Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则。　ｏ｛＇ｏ　ｏ击。　（２）假定桩体为线弹性体，符合广义虎克定律。　（３）同一种材料为均质、各向同性体。　２．２计算模型　楔形桩的单桩承载力，不仅与地基条件和桩的　体积有关，也与楔角有关。它随着楔角的增加而增　收稿日期：２００９—１０—３Ｏ　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５７８１６９）　图１计算模型桩体布置图　２．３计算模型有限元网格划分　对于土体和砂垫层，采用４节点空间四面体单　元，按长度０．１　ｍ划分网格；对于夯实水泥土桩体，　作者简介：王垠翔，男，１９８２年生，湖南邵东人，硕士，主要从事桩基础及软土地基处理的研究工作。　第５期　王垠翔等：柔性基础楔形桩复合地基变形规律有限元分析　４１　水平位移（ｍ）　１　５　一ｌ　０　—０　５　０　０　０　５　１　０　０　５　＋楔形桩距柔　±基础中心Ｏ　２ｍ　＋圆柱形桩距　性基础中心０　２ｍ　，、　＋楔形桩距柔　基础中　ｂｏ　４ｍ　暑，＿＊－圆柱形桩距　性基础中心ｏ　４ｍ　。。　　＋楔形桩距柔　基础中，ｂｏ　５ｍ　２　＋圆柱形桩距　性基础中心Ｏ　５ｍ　图６荷载水平为２４　ｋＰａ时土体水平位移曲线　从图５、图６中可以看出：不同的荷载水平下，　曲线的变化趋势基本相似。复合地基表面至０．２　ＩＴＩ　（约０．２倍桩长）深度，软土的水平位移沿Ｘ轴负　向。在深度０．２　ｍ以下时，水平位移沿Ｘ轴正向。　随着荷载的增大，同一水平位置处复合地基的水平　位移增大，在深度０．５　ｍ左右处达到最大，再一次　论证了图４的规律。同时，图４也说明了在水平位　置０．５　ｍ外，水平位移减少。在相同的荷载作用　下，在深度０．２　ｍ～１．４　ｍ处夯实水泥土楔形桩复　合地基的水平向位移大于夯实水泥土圆柱形桩复合　地基水平向位移，深度１．４　ｍ～３　ｍ处水平向位移　相差不是很大。此外，对于夯实水泥土楔形桩复合　地基，在深度０．２　ｍ以下，只有一个水平位移极大　值点；但是，对于夯实水泥土圆柱形桩复合地基，水　平位移呈现马鞍形，说明在靠近桩顶和桩底处软土　的水平变形都很大，这是桩体刺人软土的结果。　由上可知，夯实水泥土楔形桩在深度约０．５倍　桩长处极大地将软土挤密，改善土的物理力学性质，　与等截面桩相比，挤密效果能提高１００　以上。对　于对路基要求较高的高速铁路、高速公路，如果使用　楔形桩加固软土，施工期间控制好荷载，那么工后变　形及沉降与圆柱形桩相比能够大大减少。　３．２软土地基的竖向变形规律　在均布荷载作用下，柔性基础复合地基整体竖　向变形云图见图７。　图７竖向变形云图　在软基上选取一系列合适的点，作出夯实水泥　土楔形桩和夯实水泥土圆柱形桩复合地基竖向位移　曲线图：当荷载分别为８　ｋＰａ、１０　ｋＰａ、２０　ｋＰａ、２４　ｋＰａ时，距软基表面不同深度处软基的竖向沉降规　律如图８～图１Ｏ。　楔形桩荷载８　ｋＰａ　圆柱形桩荷载８　ｋＰａ　吕　吕　楔形桩荷载１０ｋＰａ　ｕ　圆柱形桩荷载１０ｋＰａ　趔　楔形桩荷载２０ｋＰａ　‘匣　圆柱形桩荷载２０　ｋＰａ　楔形桩荷载２４ｋＰａ　圆柱形桩荷载２４　ｋＰａ　图８　０．３５　ｍ深度处土体竖向沉降曲线　０　水平坐标（ｍ）　Ｏ　０　２　０　４　０　６　０　８　楔形桩荷载８　ｋＰａ　ｇ　圆柱形桩荷载８　ｋＰａ　一吕　　楔形桩荷载１０　ｋＰａ　圆柱形桩荷载１０ｋＰａ　楔形桩荷载２０ｋＰａ　蟹　・圆柱形桩荷载２０　ｋＰａ　楔形桩荷载２４ｋＰａ　圆柱形桩荷载２４　ｋＰａ　图９　１．０４　ｍ深度处土体竖向沉降曲线　水平坐标ｆｍ）　０　０　２　０　４　０　６　０　８　楔形桩荷载８　ｋＰａ　圆柱形桩荷载８　ｋＰａ　楔形桩荷载ｌ０ｋＰａ　圆柱形桩荷载１０　ｋＰａ　楔形桩荷载２０ｋＰａ　圆柱形桩荷载２０ｋＰａ　楔形桩荷载２４ｋＰａ　圆柱形桩荷载２４ｋＰａ　图１Ｏ　１．３９　ｍ深度处土体竖向沉降曲线　从图８～图１０可以看出，在１　ｍ深度左右，夯　实水泥土楔形桩复合地基的沉降大于等截面桩复合　地基的沉降；深度１　ｍ以下，存在一夯实水泥土楔　形桩复合地基与夯实水泥土圆柱形桩复合地基沉降　相等的等值位置，随着深度的增加，等值位置向Ｘ　轴正向移动。　０　５　Ｏ　４２　土　工　基　础　２Ｏ１Ｏ　［２］Ｊｉｎｑｉｗｅｉ，Ｍ．Ｈｅｓｈａｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａｘｉａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　４　结论　ｔａｐｅｒｅｄ　ｐｉｌｅｓ［Ｊ］．Ｃａｎａｄｉａｎ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９８，３５　Ｅ３］ＪａｙａｎｔｈａＫ　Ｋｏｄｉｋａｒａ，Ｍｏｏｒｅ　Ｉａｎ　Ｄ．Ａｘｉａｌ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｔａｐｅｒｅｄ　ｐｉｌｅｓ　ｉｎ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ　ｇｒｏｕｎｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　（１）在柔性基础下，采用夯实水泥土楔形桩加固　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。１９９３，（１１９）　软基，楔型构造改变了桩周土的天然结构状态，改善　［４］ＴａｋｅＷ．Ａ，ＶａｌｓａｎｇｋａｒＡ．Ｊ．Ｔｈｅ　Ｅｌａｓｔｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｏｒｎ—　了土的物理力学性质，从而减少了工后沉降。　ｐｒｅｓｓｉｂｌｅ　Ｔｉｎ－Ｐｉｌｅｓ　ａｎｄ　Ｐｉｌｅ　Ｇｒｏｕｐｓ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００２，　（２）距柔性基础中心水平向０．５　ｍ（离开柔性基　（３１）　础边缘约４倍桩径）处水平负位移达到最大，竖向深　ｒ５］Ｙａｈｉａ．Ｅ　Ａ．Ｍｏｈａｍｅｄｚｅｉｎ，ＭｕｚａｍｉｌＧ．Ｍｏｈａｍｅｄ．Ｆｉｎｉｔｅ　Ａ—　ｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ａｘｉａｌｌｙ　Ｔｉｎ—Ｐｉｌｅ　ｇｒｏｕｐｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　ａｎｄＧｅｏｔｅｅｈ—　度０．５倍桩长处水平正位移最大，且随荷载增大，楔　ｎｉｃｓ，２００１，（２６）　形桩复合地基正向水平位移比圆柱形桩复合地基增　［６］何杰，刘杰，闵长青等．楔形刚性桩承载特性室内模型试验研究　加更快。为实际工程中测斜管埋设的合理位置选取　［Ｊ］．公路工程，２００８，３３（１）　提供参考。　［７］蒋建平，高广运．扩底桩、楔形桩及等直径桩对比试验研究［Ｊ］．　（３）在深度方向０～０．９倍桩长处，夯实水泥土　岩土工程学报，２００３，２５（６）　Ｅ８］刘杰，王忠海．楔形桩承载力试验研究［Ｊ］．天津大学学报，　楔形桩复合地基的沉降大于夯实水泥土圆柱形桩复　２００２。３５（２）　合地基的沉降，在此深度以下，楔形桩复合地基的沉　［９］　ＡＤＩＮＡ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｇｕｉｄｅ：ＡＲＤ　０８—７，Ｆｅｂｒｕａｒｙ　降小于圆柱形桩复合地基的沉降。故对于夯实水泥　２００８　土楔形桩复合地基，通过合理的前期荷载控制，软基　［１Ｏ３　Ｋｌａｕｓ—Ｊｕｒｇｅｎ　Ｂａｔｈｅ．Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ［Ｍ］．Ｐｒｅｎ—　能快速固结沉降，能提高地基承载力，减少工后沉　ｔｉｃｅ￣Ｈａｌｌ，Ｉｎｃ，１９９６　［¨］朱云升，胡幼常，丘作中等．柔性基础复合地基力学性状的有　降。　限元分析［Ｊ］．岩土力学，２００３，２４（３）　［１２３杜平安．有限元网格划分的基本原则［Ｊ］．机械设计与制造，　参　考　文　献　２０００，３４（３）　［１３］王明强，朱永梅，刘文欣．有限元网格划分方法应用研究［Ｊ］．　Ｅｌｉ哈津Ｂ．锥形短桩ＥＭ］．北京：中国农业机械出版社，］９８１　机械设计与制造，２００４，２２（２）　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｌａｗｓ　ｏｆ　Ｔａｐｅｒｅｄ　Ｐｉｌｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｕｎｄｅｒ　Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ＷＡＮＧ　Ｙｉｎ　ｘｉａｎｇ，ＬＩＵ　Ｊｉｅ，ＨＥ　Ｊｉｅ，ＭＩＮ　Ｃｈａｎｇ　ｑｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ　Ｈｕｎａｎ　４１２００８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｌａｗｓ　ｂｏｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｍｍｅｄ　ｓｏｉｌ—。ｃｅｍｅｎｔ　ｔａｐｅｒｅｄ　ｐｉｌｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｍｍｅｄ　ｓｏｉｌ——ｃｅ—＿　ｍｅｎｔ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｐｉｌｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｕｎｄｅｒ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＤＩＮＡ，ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｉｔ＇ｓ　ｔｈｅ　ｔａｐｅｒｅｄ　ｐｉｌｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔａｐｅｒｅｄ　ｐｉｌｅｓ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｌａｗ