4 数值模拟“止沉”理论的拐点 qU*&49X
文献[5] 对带伴侣的桩承载力-沉降量曲线进行了理论上的预测,并提出了基于曲线出现收敛、拐点的“止沉”理论。但在各种桩顶预留净空与桩伴侣的数值模拟和试验中,基础筏板(承台)承载力-沉降量曲线的拐点从未出现。在本文的数值模拟中,将桩顶垫块厚度由文献[12]中的100mm调整为200mm,也是希望加载前期出现更大的沉降量,从而后期沉降更小,有助于承载力-沉降量曲线拐点的出现。但数值模拟的结果却是在拐点出现之前,有限元计算已经不收敛,这意味着在承台-桩-桩伴侣-土整体的计算域中,至少有一个构件发生了破坏。由于承台、桩伴侣、桩均采用线弹性本构模型,在有限元数值模拟中视同不会破坏;而地基土体采用的Drucker-Prager模型,土的应变包括弹性应变和塑性应变两部分,塑性应力与应变关系需服从广义的Von Mises屈服准则和硬化定律,表层局部土体受到桩伴侣的约束作用而不易屈服,其他部位的土体都存在发生破坏导致有限元模型计算不收敛的可能。 ;;hyjFGq%
在该模型的基本参数中,主要有三个原因制约了承载力-沉降量曲线拐点的出现: ZCFf@2&z8
(1)桩顶距离承台板的距离(即垫块厚度),由于土体发生屈服时承台板总体沉降有限,故桩顶向上的刺入量也有限,在桩顶接触到承台板之前,土体已经发生了破坏; XuoEAu8]
(2)模型的桩长仅有4.5米,而持力层和下卧层土的弹性模量E也仅为20Mp,桩呈现典型的摩擦桩特性,桩的荷载分担比始终较小,而且很可能是由于桩端土体的破坏导致模型有限元计算不收敛; '#PqI)P
(3)桩伴侣的高度。模型中桩伴侣为500mm,相当于桩长度4500mm的1/9,如果以实际工程中常用的20m左右的桩长来度量,似乎模型中500mm的桩伴侣相当于实际工程中的2米高左右,而2米高的桩伴侣在施工中是很难实现的。但由于桩伴侣对于极限承载力的贡献主要表现在对表层土的约束作用,提高表层土的屈服极限,进而提高复合地基的承载力,对于表层土以下的土体由于应力扩散的效果,其应力水平相应降低,而且约束状况也比表层土有所改善,进一步降低了发生屈服破坏的概率,因此,在约束表层土的问题上,模型与实际并不存在绝对的线性比例对应关系。 &Z!K]OSY
针对上述原因,在新的有限元模型中在原有模型的基础上对以下参数进行了修改: .]s(c!{y
(1)将垫块厚度由200mm调整为50mm,以促进桩头尽早与承台板接触; 3;S`<
(2)为提高桩的承载力和荷载分担比,将第二层土的弹性模量由20Mp提高到200Mp,将第一层土的弹性模量由13Mp调整为7Mp,适当提高粘聚力值便于计算收敛; I''R\Bp
(3)将桩伴侣的高度由500mm提高到1000mm,进一步提高桩伴侣对表层土的约束范围,同时将桩伴侣调整为圆环形减小地基土的应力集中。 `{lAhZ5
新模型的计算结果见图4。
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图4 出现拐点的荷载-沉降曲线 g)?g7{&?>?
Fig. 4 Bearing capacity-settlement curve with inflection point 6.h
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由图4可以看出,当荷载小于600Kp时,不同模量垫块所对应的沉降差别不大;达到600Kp以后,桩顶预留净空的沉降大幅度增长,但当荷载达到800Kp后,其增长幅度开始放缓,荷载-沉降曲线的斜率出现了拐点。放置7Mp与13Mp垫块时也有类似的拐点,但不如桩顶预留净空收敛得明显。 6y,P4O*q
按照传统判定桩基或复合地基承载力的方法,图4中预留净空的承载力只有300kp左右,但是如果将桩与承台接触之前当做地基的预压阶段,只要桩身的强度满足,复合桩基的承载力取为1000kp可能都保守,这是因为在承载力-沉降量曲线跨越拐点后,随着荷载的增大,不同工况(反映场地的不均匀或施工的误差)的沉降差异反而减小了,带伴侣的桩为利用上部自身荷载预压、首先充分调动上层土的承载力再由桩进行“止沉”提供了良好的工作条件。 83ic@[
建筑工程的桩基础通常按照低承台桩基进行设计,默认桩周土对桩有足够的约束作用或者是桩不承受水平荷载,然而,对于软弱土、密实度不高的土,最好还是进行处理使其足够密实,依靠细长的桩穿过软弱土层的方法不可取,对于淤泥质土等含水量大的土,还应该采取砂石桩等措施进行进行排水固结,上海某13层楼房倒塌的事故固然有各种外因,但外因也是要通过内因才能发挥作用。利用上层土的承载力,并不仅仅是简单的降低工程造价,而是为了建筑工程百年大计的本质安全。 L\wpS1L(