旁侧荷载对复合地基性状的影响

半刚性与刚性桩不仅可作为低、多层建筑物下软弱不良地基的处理,而且在高层、超高层以及重型建筑物中也有着较为广泛的应用,很多情况下是将具有较高承载力的良好地基与半刚性或刚性桩组成复合地基,进一步提高地基的承载能力,用以承担上部结构的巨大荷载。由于高层和超高层建筑基础埋深一般不小于5m,有的甚至超过20m,当基础埋深较大时,复合地基所受的旁侧荷载(简称旁载)很大。旁载对复合地基工作性状有何影响,桩土受力特点如何,实际工程中应如何考虑旁载效应,则鲜为报道[1-7]。本文以CFG桩复合地基为例,利用FLAC-3D建立了复合地基3维数值分析模型[1],通过对比有无旁载条件下复合地基的变形特性、承载能力、桩土应力比和桩土荷载分担比等,研究旁载对半刚性或刚性桩复合地基工作性状的影响。1 模型的建立如图1、图2所示,设基础埋深为d,基础埋深范围内土层的加权平均重度为γ0,则旁载q=γ0d。建模时按d=6m,q=120kPa,基底压力按P=300kPa。其余参数为:桩长L=6-4m,桩径d=0-4m,垫层厚度h=150mm,承台厚度b=300mm,桩数7-7,桩距为1-25m,由对称性取1/4进行模拟。模型加固区总面积3-125m-3-125m,水平方向计算区域6-25m-6-25m,竖直方向自桩顶起取至2倍桩长深度。边界条件为底面固定,限制4个侧面的水平向位移,只将顶面设为自由面。几何模型及其网格划分如图3所示。模型中各种材料的物理、力学性质指标取值见表1。2 旁载对复合地基变形与承载力的影响图4~6为基础底面下复合地基中不同深度处有无旁载条件下的沉降对比。从中可看出:在基础底面下,有旁载条件下的沉降量比无旁载时要小,而在基础边缘以外的沉降量比无旁载时要大。说明旁载会在一定程度上起到抑制基础外侧土体向上隆起的作用,减小其侧向变形,从而导致同一深度处的竖向变形趋于均匀化。图7~9分别为桩间土、CFG桩桩顶和复合地基的p-s曲线。可见,在荷载水平较低(本次模拟最大一级荷载p=300kPa)的情况下,有无旁载条件下的桩间土、CFG桩桩顶和复合地基的p-s曲线差别较小。当荷载p<150kpa时(基本上与旁载q=120kpa相当),旁载对复合地基性状基本无影响。当荷载p>150kPa(即荷载超过旁载)后,随着荷载的增加,桩间土、CFG桩和复合地基的承载力比无旁载时逐渐增大。3 桩土应力比与桩土荷载分担比由图10可见,在有无旁载条件下,桩土应力比均随荷载的增加而增加,且随着荷载的加大,增速减缓,呈渐趋稳定之态势。在相同荷载水平下,有旁载条件下的桩土应力比,比无旁载条件下小得多。反映到荷载分担比上(图11)就是有无旁载条件下,桩荷载分担比随荷载增加而增加,而土的荷载分担比则相应减小。值得注意的是,有旁载条件下桩土的荷载分担比明显不同于无旁载条件下的值,同一荷载水平时,有旁载条件下桩的荷载分担比明显低于无旁载时的。这一现象可由桩土模量比的变化来解释。旁载效应提高了桩间土的承载力及变形模量,而对桩则几乎无影响,导致桩土模量比低于无旁载时,使得桩身应力集中的水平有所下降,桩的荷载分担比降低。这一现象表明,有旁载条件下,桩承载力的发挥要滞后于无旁载时,桩需要在更高的总荷载下才能发挥其承载力,其桩体作用的安全系数较无旁载时有所提高。不难看出,旁载效应主要是通过提高桩间土的承载力来提高复合地基的承载力。4 结语现行《建筑地基处理技术规范》[8]JGJ79-2002中3.0.4条规定:对复合地基承载力特征值进行修正时,基础宽度的地基承载力修正系数应取为零,即不作宽度修正;基础埋深的地基承载力修正系数应取为1.0。《规范》JGJ79-2002中对加固前天然地基的种类与性质不加区分,统一采用上述规定可能会低估复合地基的承载能力,特别是当天然地基强度较高,《建筑地基基础设计规范》[9]GB50007-2002中的天然地基承载力深度修正系数较大时,可能会严重低估复合地基的承载能力,造成不必要的浪费。现有的复合地基载荷试验资料多是在无旁侧荷载条件下测得的,现行复合地基承载力修正方法无法真实反映旁载效应对复合地基承载性状的影响。建议加强该方面的试验研究与经验积累,使复合地基承载力的修正逐渐趋于合理化。