陳華裕

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525000）

近年來，隨著我國大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目需求不斷增加，復(fù)合地基技術(shù)獲得了迅速發(fā)展。但從具體的發(fā)展情況來看，復(fù)合地基的理論研究要弱于實(shí)踐研究，無法為同類型、同性質(zhì)的項(xiàng)目提供更好的理論支撐[1]。在復(fù)合地基的建造過程中，碎石樁、石灰樁和預(yù)制樁等都有比較廣泛的應(yīng)用。其中，預(yù)制樁作為地基骨干除了承受建筑物載荷以外，還會(huì)和樁周土壤結(jié)構(gòu)一起形成復(fù)雜的應(yīng)力作用[2]。因此，預(yù)制樁的力學(xué)性質(zhì)和其他地基常規(guī)樁有著很大的不同。對(duì)于很多大型工程項(xiàng)目的復(fù)合地基建造中，預(yù)制樁又是必須要使用的，而且必須要系統(tǒng)分析其承載載荷和樁土結(jié)構(gòu)特性[3]。在此背景下，本文以具體的工程項(xiàng)目中的復(fù)合地基建造為研究案例，結(jié)合預(yù)制樁分析理論和實(shí)踐應(yīng)用展開研究，并通過有限元分析方法對(duì)本項(xiàng)目中的預(yù)制樁復(fù)合地基建造效果進(jìn)行分析，以期對(duì)同類型項(xiàng)目的預(yù)制樁復(fù)合地基技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。

1 復(fù)合地基承載力分析計(jì)算

復(fù)合地基主要體現(xiàn)為增強(qiáng)體和土質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合，其中各種形式的樁就是復(fù)合地基的增強(qiáng)體，例如剛性樁。復(fù)合地基是否可以給建筑物提供足夠安全的支撐，主要要考慮復(fù)合地基所受的載荷是否超限。但是，因?yàn)閺?fù)合地基中既有增強(qiáng)體又有土質(zhì)結(jié)構(gòu)，二者承載載荷的極限大小又存在很大差異，所以復(fù)合地基的安全性分析實(shí)際上要分別分析增強(qiáng)體和土質(zhì)結(jié)構(gòu)的安全界限。

1.1 復(fù)合地基承載力總體計(jì)算

復(fù)合地基的承載力總體上分為2部分，一部分是增強(qiáng)體提供，一部分是土質(zhì)結(jié)構(gòu)提供，因此其整體承載力的計(jì)算如公式（1）所示

式中：參數(shù)P代表了復(fù)合地基的總體承載力；參數(shù)P1代表了復(fù)合地基中增強(qiáng)體可以承載的極限應(yīng)力；參數(shù)P2代表了復(fù)合地基中土質(zhì)結(jié)構(gòu)可以承載的極限應(yīng)力；參數(shù)w1為參數(shù)P1的影響權(quán)重；參數(shù)m為分配因子；參數(shù)w2為參數(shù)P2的影響權(quán)重；參數(shù)K1代表了單樁增強(qiáng)體理論承載力數(shù)值和增強(qiáng)體實(shí)際承載力數(shù)值的差異，這個(gè)差異很大，因?yàn)閱螛吨踩氲鼗?，因?yàn)闃堕g土質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了阻力，使得增強(qiáng)體實(shí)際承載力大大增加；參數(shù)K2代表了土質(zhì)結(jié)構(gòu)理論承載力數(shù)值和實(shí)際承載力數(shù)值的差異，這個(gè)參數(shù)的影響因素很多，尤其受到地基建造過程中土質(zhì)密實(shí)程度的影響。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)復(fù)合地基的承載力的總體測(cè)算，主要是通過破壞性實(shí)驗(yàn)，在整合了相應(yīng)參數(shù)以后，公式（1）改寫為如下的形式

1.2 地基中剛性樁承載力計(jì)算

如果復(fù)合地基中的增強(qiáng)體相對(duì)剛度比較大，那么這個(gè)增強(qiáng)體就稱之為剛性樁。剛性樁的承載力計(jì)算如下

式中：參數(shù)PG代表剛性樁的承載力；參數(shù)A代表剛性樁的承載面積；參數(shù)S代表剛性樁的截面周長(zhǎng)；參數(shù)L代表剛性樁的長(zhǎng)度；參數(shù)R代表剛性樁端土質(zhì)可以承載的力；參數(shù)f代表外力。

1.3 地基中樁間土承載力計(jì)算

復(fù)合地基中，在剛性樁之間的土質(zhì)結(jié)構(gòu)即樁間土，也承擔(dān)著來自建筑結(jié)構(gòu)的承載力，其計(jì)算需要考慮的因素又非常多。因此，一般采用自然地基近似計(jì)算的方法來計(jì)算復(fù)合地基中樁間土的承載力，如下

式中：參數(shù)C代表了排水之前土質(zhì)結(jié)構(gòu)的抗剪切強(qiáng)度；參數(shù)N代表了土質(zhì)結(jié)構(gòu)的承載系數(shù)；參數(shù)D代表了剛性樁的埋藏深度；參數(shù)B代表了土質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)寬度；參數(shù)L代表了剛性樁的長(zhǎng)度。

2 預(yù)制樁的承載力分析計(jì)算

在復(fù)合地基的建造中，預(yù)制樁是非常常用的一種。預(yù)制樁本身具有剛性樁的明顯特征，是復(fù)合地基中可供選擇的較好的增強(qiáng)體。預(yù)制樁通過和樁間土質(zhì)結(jié)構(gòu)的配合，可以更好地增加地基整體的安全性。這里分別對(duì)復(fù)合地基中的預(yù)制樁需要為建筑物提供的承載力以及復(fù)合地基中預(yù)制樁樁身強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

2.1 預(yù)制樁承載力計(jì)算

根據(jù)建筑行業(yè)施工經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)規(guī)范，在復(fù)合地基中如果采用預(yù)制樁，預(yù)制樁在垂直方向上的承載力可以根據(jù)剛性樁以摩擦原理提供承載能力的近似方法完成計(jì)算，其計(jì)算方法如公式（5）所示

式中：參數(shù)R表示預(yù)制樁近似的剛性樁在垂直方向上承載力的特征值；參數(shù)u表示預(yù)制樁深入土壤后涉及的土層層數(shù)；參數(shù)qi表示土質(zhì)結(jié)構(gòu)中第i層土壤施加給預(yù)制樁的摩擦力；參數(shù)li表示預(yù)制樁關(guān)聯(lián)的第i層土壤的厚度大??；參數(shù)a表示土質(zhì)結(jié)構(gòu)承載力的折算因子；參數(shù)qT表示預(yù)制樁端部承載力對(duì)應(yīng)的特征值大??；參數(shù)A表示預(yù)制樁截面積。

當(dāng)預(yù)制樁作為增強(qiáng)體參與復(fù)合地基的建造時(shí)，也可以通過破壞實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，方法如下面的公式所示

式中：參數(shù)PY表示破壞實(shí)驗(yàn)法測(cè)定的預(yù)制樁所能提供的承載力；參數(shù)α表示單個(gè)預(yù)制樁可以提供承載能力的影響因子，需要結(jié)合復(fù)合地基工程的實(shí)際情況進(jìn)行取值設(shè)定；參數(shù)β表示預(yù)制樁樁間土質(zhì)結(jié)構(gòu)可以提供承載能力的影響因子，需要結(jié)合復(fù)合地基工程的實(shí)際情況進(jìn)行取值設(shè)定；參數(shù)RY2表示樁間土質(zhì)結(jié)構(gòu)經(jīng)過一定強(qiáng)化處理后能夠提供的承載力的特征值。

2.2 樁身強(qiáng)度計(jì)算

復(fù)合地基中對(duì)預(yù)制樁樁體本身的強(qiáng)度計(jì)算也是整個(gè)復(fù)合地基是否安全的重要工作，只有預(yù)制樁樁身通過強(qiáng)度校核，才能在承載過程中不被破壞。對(duì)于復(fù)合地基中預(yù)制樁樁身強(qiáng)度的校核計(jì)算，可以采用下面的公式

式中：參數(shù)PC代表了預(yù)制樁校核樣品所表現(xiàn)出來的抗壓強(qiáng)度；參數(shù)α表示單個(gè)預(yù)制樁可以提供承載能力的影響因子，需要結(jié)合復(fù)合地基工程的實(shí)際情況進(jìn)行取值設(shè)定；參數(shù)γm代表了預(yù)制樁之上土壤的重度均值；參數(shù)d代表了預(yù)制樁埋藏的基本深度；參數(shù)RZ代表了復(fù)合地基整體承載力所對(duì)應(yīng)的特征值。

3 工程項(xiàng)目中預(yù)制樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)及有限元分析

3.1 工程項(xiàng)目概況

茂名某工程項(xiàng)目屬于城市規(guī)劃新建項(xiàng)目，因其地質(zhì)特征的特殊性在城市建設(shè)早期并未作為建筑用地。但隨著城市的擴(kuò)張、用地需求激增及建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，該項(xiàng)目的開發(fā)建設(shè)成為可能。工程項(xiàng)目所在區(qū)域曾作為城市河道排澇區(qū)，該區(qū)域內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)分為明顯的6層。

第一層是粉狀特征明顯的土質(zhì)層，土質(zhì)粉狀顆粒小而輕，是排澇功能棄用后形成的表層土質(zhì)，顏色呈現(xiàn)灰黃褐三色間雜，并有相當(dāng)比例的腐殖質(zhì)摻雜。

第二層也是粉狀特征明顯的土質(zhì)層，但土質(zhì)粉狀顆粒大并有砂礫裹挾其中，土質(zhì)顏色以灰褐色為主，伴隨少量黃色。因土質(zhì)構(gòu)成原因，該層的軟硬度并不均勻。

第三層呈現(xiàn)為淤泥、粉質(zhì)夾雜的土質(zhì)層，粉狀物與第二層接近，可能是第二層沉積所致。但因該層有較豐富的含水量，導(dǎo)致部分粉狀土質(zhì)淤泥化，表現(xiàn)出類似黏土的性質(zhì)。該層土質(zhì)顏色呈現(xiàn)出灰色和灰黑色。

第四層呈現(xiàn)出明顯的黏土特征的土層，可塑性好并具備一定的力學(xué)強(qiáng)度特征，該層土質(zhì)顏色呈現(xiàn)出灰色和灰綠色。

第五層呈現(xiàn)出明顯的黏土特征的土層，可塑性和力學(xué)強(qiáng)度均較上一層差，該層土質(zhì)顏色呈現(xiàn)出灰色和黃灰色。

第六層呈現(xiàn)出明顯的黏土特征的土層，可塑性中等、力學(xué)強(qiáng)度特征高，該層土質(zhì)顏色呈現(xiàn)出灰色和黃灰色。

上述6層土質(zhì)的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 土質(zhì)條件參數(shù)表

3.2 預(yù)制樁地基的位移有限元分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)出的基于預(yù)制樁的復(fù)合地基是否合理，采用有限元分析的方法，對(duì)該項(xiàng)目中的預(yù)制樁復(fù)合地基進(jìn)行承載情況下的位移有限元分析，結(jié)果分別如圖1、圖2所示。其中，圖1是設(shè)計(jì)階段的位移變化有限元分析；圖2是校核階段的位移變化有限元分析。

圖1 設(shè)計(jì)階段的位移變化有限元分析

圖2 校核階段的位移變化有限元分析

從圖1和圖2中的有限元分析結(jié)果可以看出，采用了預(yù)制樁設(shè)計(jì)出的復(fù)合地基，在滿負(fù)載承載力的情況下，垂直方向上的沉降位移為50.69 mm。這一結(jié)果，相比于常規(guī)樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)結(jié)果，垂直方向上的沉降位移減少了26.21%，這充分表明了預(yù)制樁技術(shù)設(shè)計(jì)出的復(fù)合地基可以有效地減少建筑物垂直方向上的沉降。

另外，從圖1和圖2中給出的有限元分析結(jié)果也可以看出，因?yàn)轭A(yù)制樁的使用，樁間土質(zhì)結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出更好的特性，預(yù)制樁和樁間土質(zhì)結(jié)構(gòu)更好配合，不僅減少了垂直方向上的沉降，也使得整個(gè)受力面內(nèi)的位移變化更加均衡。這樣的結(jié)果，會(huì)大大增加地基結(jié)構(gòu)的安全性，不會(huì)因垂直方向上的沉降距離的突然變化產(chǎn)生安全隱患。

3.3 預(yù)制樁地基的應(yīng)力有限元分析

對(duì)該項(xiàng)目中的預(yù)制樁復(fù)合地基進(jìn)行承載情況下的應(yīng)力變化進(jìn)行有限元分析，結(jié)果分別如圖3、圖4所示。其中，圖3是設(shè)計(jì)階段的應(yīng)力變化有限元分析；圖4是校核階段的應(yīng)力變化有限元分析。

圖3 設(shè)計(jì)階段的應(yīng)力變化有限元分析

圖4 校核階段的應(yīng)力變化有限元分析

從圖3和圖4中的有限元分析結(jié)果可以看出，采用了預(yù)制樁設(shè)計(jì)出的復(fù)合地基，能夠承受的最大應(yīng)力達(dá)到0.56 MPa，大大超過了采用常規(guī)樁進(jìn)行的復(fù)合地基設(shè)計(jì)結(jié)果。同時(shí)，在建筑物實(shí)際承載的過程中，預(yù)制樁復(fù)合地基可以使得應(yīng)力相對(duì)集中，在地基中間部位會(huì)出現(xiàn)最大應(yīng)力的峰值。

4 結(jié)論

預(yù)制樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)技術(shù)，相比于常規(guī)樁復(fù)合地基具有更高的承載能力和安全性，因此對(duì)于很多工程項(xiàng)目建設(shè)具有重要意義。本文中，首先從理論上分析了復(fù)合地基的整體承載能力，并分別考慮了剛性樁和樁間土質(zhì)結(jié)構(gòu)的承載能力。其次，給出了預(yù)制樁復(fù)合地基中預(yù)制樁的承載能力計(jì)算方法，并給出了預(yù)制樁樁身強(qiáng)度的校核方法。最后，以茂名某工程項(xiàng)目為研究對(duì)象進(jìn)行了預(yù)制樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)并通過有限元方法進(jìn)行承載性能分析，結(jié)果顯示：預(yù)制樁復(fù)合地基比常規(guī)樁復(fù)合地基有著更高的承載性能，并可以減少承載后形成的垂直方向的沉降位移，適合于該工程項(xiàng)目的地基建造。