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： 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=1500mm*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μ=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、40kPa、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，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：

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