袁作波

【摘要】建筑工程中，樁基是一種基礎(chǔ)形式，應(yīng)用非常廣泛，主要起到的作用是分擔(dān)荷載，防止建筑物沉降，這方面有著其他建筑淺基礎(chǔ)無(wú)法替代的巨大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前建筑行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，為更好地適應(yīng)市場(chǎng)，必須通過(guò)技術(shù)革新來(lái)控制成本，因此，降低樁基成本成為目前的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。為了達(dá)到目的，首先需要正確估計(jì)柱基的最大承載能力，確保設(shè)計(jì)與實(shí)際的承載能力保持一致。本文研究了單、群樁機(jī)械性能，優(yōu)化了單、群樁的計(jì)算方法，提高了承載力設(shè)計(jì)精度，使用有限元分析工具，并結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目與模型試驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】樁基;有限元;承載能力

1、引言

高層建筑只采用淺基礎(chǔ)無(wú)法滿足實(shí)際承載力與變形要求，所以高層建筑必須采用地基進(jìn)行加固，將荷載傳導(dǎo)分散大深部土層，樁基是最常用的形式。20實(shí)際50年代就開(kāi)始了樁基礎(chǔ)的系統(tǒng)研究，60年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，樁基的研究取得較大的進(jìn)展，也取得了一定的突破。國(guó)內(nèi)外眾多巖土工程科學(xué)家開(kāi)展了模型試驗(yàn)、工程檢測(cè)和理論分析，但目前還難以確保理論研究和實(shí)際完全相符，因此有必要開(kāi)展深入的分析研究。

當(dāng)前的工程實(shí)際中，試樁設(shè)計(jì)與靜載試驗(yàn)相差較大，設(shè)計(jì)師必須調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)滿足實(shí)際需求，保證安全性，設(shè)計(jì)師需要靜線試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)來(lái)完善樁基施工圖的設(shè)計(jì)，如果實(shí)際參數(shù)超過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)，就必須進(jìn)行二次試樁，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)影響工程的進(jìn)度，降低了經(jīng)濟(jì)效益。

為了適應(yīng)高層建筑領(lǐng)域的激烈競(jìng)爭(zhēng)，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)。解決單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果與試樁設(shè)計(jì)偏差過(guò)大難點(diǎn)，使兩者盡量相近，這樣就能精確進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文的單樁研究中，重點(diǎn)研究了模型劃分效應(yīng)、梁?jiǎn)卧c實(shí)體元在約束條件下的精度研究，論證梁?jiǎn)卧鎸?shí)體元的可操作性，使用ANSYS軟件進(jìn)行模擬仿真，并進(jìn)行了工程實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

2、模擬研究

單樁分析使用有限元模擬是有效的分析手段。有限元的方法形態(tài)十分豐富，在求解固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)工程問(wèn)題中應(yīng)用廣泛，收到各行各業(yè)的重視。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)假設(shè)回避了樁土之間的相有限元法顯然很有優(yōu)勢(shì)。

有限元法是在廣義胡克定律的基礎(chǔ)上進(jìn)行離散，根據(jù)最小勢(shì)能原理將結(jié)構(gòu)總勢(shì)能離散為各個(gè)單元總勢(shì)能紙盒，形成有限元求解方程。胡克定律為公式1，有限元求解方程為公式2：

有限元模型精度影響計(jì)算結(jié)果，本文的計(jì)算數(shù)據(jù)如下：土的彈性模量取1.8×108Pa，密度1800kg/m3，泊松比為0.35，截面積為20m×20m，深50米，模型中心樁的彈性模量為3.25×1010Pa，密度2700kg/m2，泊松比為0.20，截面積為1m×1m，深40米。

設(shè)定精度后，可以分析梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元的關(guān)系。實(shí)體元單元有向三個(gè)方向平移的自由度。梁?jiǎn)卧沙惺芾?、壓、彎、扭的單軸受力。有六個(gè)自由度，包括三個(gè)方向的線位移和三個(gè)軸的角位移。為簡(jiǎn)化分析單樁，本文采用梁?jiǎn)卧治隽送馏w彈性狀態(tài)和彈塑性狀態(tài)下的結(jié)果。

由分析結(jié)果可知，單元尺寸的不同對(duì)對(duì)軸力分析影響小，對(duì)沉降分析影響大。彈性、彈塑性分析中模型樁的軸力、樁頂沉降都比較吻合，因此離散是可行的。

3、工程分析

本文選取了高噴攪拌水泥土插芯組合樁作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。這種樁基在軟土地基上應(yīng)用廣泛，直徑大，承載能力高，無(wú)污染。由預(yù)制芯和水泥樁符合組成，兩者之間緊密貼合，水泥樁和周邊的土基形了成凹凸鋸齒狀結(jié)合面，為樁基提供了側(cè)阻 力。這種新型樁基誕生時(shí)間段，對(duì)其機(jī)械性能和力學(xué)性能的研究還存在空白指出，但是由于其性價(jià)比很高的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在工廠中大量應(yīng)用，影響眾多高層建筑的穩(wěn)定性。經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)可知，組合樁在長(zhǎng)期強(qiáng)荷載作用下的安全性已經(jīng)經(jīng)過(guò)工程檢驗(yàn)得到了炎癥，但是作為重要組成的水泥土的研究還有欠缺，沒(méi)有專題研究水泥土在長(zhǎng)期強(qiáng)荷載作用下的力學(xué)性能。

水泥土的機(jī)械性能對(duì)樁基有很大，其重要性不言而喻，本文選取的水泥實(shí)驗(yàn)對(duì)象型號(hào)為P·O42，摻入比為15%，水灰比為0.6。粉質(zhì)黏土的物理性能如表1所示，為提高實(shí)驗(yàn)效果，將水泥制成長(zhǎng)寬高均為70mm的塊狀，以堆疊配重塊的方式添加外加載荷，水泥塊已等邊三角形的方式排開(kāi)，上下均水平放置鋼板，上方鋼板厚度為6cm，然后施加外載荷，持續(xù)一定時(shí)間。進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試中，以28天為一個(gè)周期，在水泥土試塊上施加載荷，同時(shí)與未施加載荷的水泥塊的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，兩者的比值為試樣載荷水平;抗壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定時(shí)間內(nèi)在水泥試樣上施加應(yīng)力，外加應(yīng)力和水泥試樣的強(qiáng)度之間的比值定義為實(shí)際載荷水平。本文在這兩個(gè)概念的基礎(chǔ)上，研究不同在載荷下水泥的機(jī)械性能。

表2是本文實(shí)驗(yàn)采取的方案，水泥試樣制成塊狀之后，分成了4組，每一組包含4塊試樣，按照實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行為期28天的養(yǎng)護(hù)。在每一組的試樣上面施加長(zhǎng)期載荷，施加的時(shí)間為50d和100d，載荷水平選擇為0.2和0.4。

4、結(jié)果分析

4.1外載荷施加持續(xù)時(shí)間不同情況下的水泥塊破壞模式

在施加載荷時(shí)間不同的情況下，對(duì)水泥塊進(jìn)行單軸加壓，測(cè)試抗壓強(qiáng)度，經(jīng)試驗(yàn)表明，雖然載荷施加時(shí)間不同，但是水泥試塊額破壞模式相同，裂紋均與載荷平行，水泥表面也均出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象，由此可知，外加載荷持績(jī)的時(shí)間的長(zhǎng)短，不影響水泥試塊的破壞模式。

4.2外載荷施加持續(xù)時(shí)間不同情況下的水泥塊機(jī)械性能

經(jīng)試驗(yàn)表明，載荷持續(xù)時(shí)間不同的情況下，水泥試塊機(jī)械性能會(huì)根據(jù)載荷水平和實(shí)際載荷水平的強(qiáng)度變化而變化。當(dāng)載荷水平小于0.5，實(shí)際載荷水平在0到0.3之間時(shí)，水泥試塊的機(jī)械性能會(huì)跟著兩個(gè)水平的增大而增大，載荷持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越大，機(jī)械性能越好。如果當(dāng)載荷水平大于0.5，實(shí)際載荷水平大于0.3，水泥試塊強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯下降。

結(jié)論：

經(jīng)過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，可知，當(dāng)水泥試樣收到外載荷作用時(shí)，其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)于水泥的破壞模式不會(huì)有明顯影響，但是會(huì)影響水泥的機(jī)械性能，強(qiáng)度會(huì)隨著載荷水平和實(shí)際載荷水平的增加而增大。

本文通過(guò)理論研究和實(shí)際工程試驗(yàn)兩個(gè)密不可分、相互推動(dòng)、相互促進(jìn)的過(guò)程，驗(yàn)證了理論研究的可行性，為今后新型樁基的機(jī)械性能研究提供了一條可行之路。

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