第３０卷第１期２００９年２月华北水利水ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏＡｈＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ电学院学报Ｖ０１．３０Ｎｏ．１Ｆｅｂ．２００９ＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙａｎｄＨｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ文章编号：１００２—５６３４（２００９）０１—００９３一０３高压旋喷桩复合地基承载特性的有限元分析姚贤华，裴松伟，赵顺波（华北水利水电学院，河南郑州４５００１１）摘要：结合工程实际，运用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ分析了不同桩长、不同桩土模量比和不同桩间距情况下高压旋喷桩复合地基的承载特性．结果表明，该地基存在有效桩长，当桩土模量较合适时，该地基能够发挥最大作用；同时运用ＡＮＳＹＳ优化功能，得出了最优桩长、最优桩体弹性模量和最优桩间距，为实际工程提供一些参考．关键词：高压旋喷桩；承载特性；桩长；桩土模量比；桩间距；优化设计中图分类号：ＴＵ４７３．１＋１；ＴＤ２６５．４＋６文献标识码：Ａ高压喷射注浆法是将带有特殊喷嘴的注浆管置于土层预定深度，以高压喷射流将固化浆液与土体混合、凝固硬化加固地基的方法．若在喷射的同时，喷嘴以一定的速度旋转、提升，则形成喷浆液与土混合的圆柱形桩体，通常称为旋喷桩…．高压旋喷桩地基加固技术在２０世纪７０年代初发展起来后在国内外发展十分迅速．目前，对旋喷桩的研究多数集中在其工法的改进上，而对其承载力的试验，尤其是原型试验报道很少．为了更有效地推广应用这一地基处理新方法，笔者根据工程实际采用三维有限元对其地基基本特性进行了研究．地基计算深度和计算宽度分别取为桩径尺的１０倍，采用Ｓｏｌｉｄ４５实体８节点单元进行计算，单元之间由节点相互连接，单元变形满足几何连续性，在应力相对集中地方网格密度相对划得较细，靠近边界地方网格划得相对较粗，形成单元划分由细到粗过渡的网格形状，如图１所示．１有限元计算方法旧。１为了使问题既简化又能反映其主要特征，在有限元分析中做了如下处理和简化：１．在实际工程中，高压旋喷桩复合地基中的水泥桩体通常采用圆形截面，考虑到对称性，可取１／４模型进行分析，以简化网格划分和减少单元的数量，节省计算时间；２．桩体被认为是线弹性材料，桩间土层采用ＡＮＳＹＳ软件中提供的Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ弹塑性材料模型分析：３．水泥土桩和桩间土之间不设接触面；４．假定桩和土都为均质、各向同性．图１单元网格划分２有限元计算结果分析２．１不同桩长对复合地基的影响如图２所示，当荷载相同时，桩土应力比／／，随着桩长的增加而增大，变化趋势一致．当荷载较小时，ｎ随着荷载的增加显著增大，当荷载达到某一数值时，ｎ达到最大值，说明桩发挥的作用达到最大；当收稿日期：２００８—１１—２５作者简介：姚贤华（１９７６一），男，河南襄县人，助理实验师，硕士，主要从事桩基检测及工程材料耐久性试验方面的研究．万方数据 华北水利水电学院学报２００９年２月桩长达到一定的数值后，，ｌ增长的趋势开始变缓，并逐渐趋于稳定，表明高压旋喷桩存在一个临界桩长，即桩身应力、桩间土应力和桩身位移的变化主要集中在临界桩长范围内‘４。．桩长为６峨桩长为８ｍ；譬桩长为１０ｍ；丑桩ｌ乏为１２ｍ；Ｒ桩长为１４ｍ瑙刊撑图２不同桩长时桩土应力比与荷载关系曲线由图３知，随着桩长的增加，复合地基的沉降量逐渐减小，因此，通过增加桩长来减小地基沉降是一种可行的方法，但增加后的桩长需小于临界桩长．，桩长／ｍ６８１０１２１４１６９０量１００莶１１０好１２０ｌ３０图３桩长与沉降关系曲线２．２不同桩土模量比对复合地基的影响桩土模量比Ｋ是指桩的模量与土的模量之比．研究表明。在外荷载作用下，高压旋喷桩的荷载传递特性与桩体模量及土的模量有关”。．如图４所示，同一荷载作用下，随着Ｋ的增大，桩身应力增加．由于桩体强度较低，因而在竖向荷载作用下，桩身的压缩性较大，使得桩侧表面的摩阻力逐渐得以发挥．￡０００逞Ｒ８００倒６００是蛊４００蛙２００掘００ｌ２３４５６７８９１０Ｉｌ深度／ｍ图４不同桩土模■比时桩体附加应力沿深度亚化曲线由图５知：随着Ｋ的增加。即桩体强度的增大，桩身压缩量减小，则桩身应变减小，由于桩土变形协调的相互作用，使桩身应力和桩间土应力之间的差距不断加剧，桩体将承担更多荷载；随着Ｋ的进一步增加，桩体强度达到了刚性桩的范畴，桩体强度随着深度的增加，桩体位移基本不变晡１．万 方数据２０鲁｛１５谂题ｌＯ蛙掣５由图６知，土体附加应力随Ｋ的增加逐渐减小，并随深度增加迅速减小．可以推断，当Ｋ无限大时，桩体为绝对刚性，这时复合地基的破坏模式，由浅层局部破坏变为刺人破坏或深层整体剪切破坏‘７１．山一罢穴毯鼻莲蛙刊深度／ｍ图６不同桩士模量比时土体附加应力沿深度变化曲线其他参数不变时，即垫层厚度为１５ｃｍ，桩长为８ｍ时，桩间距对桩土应力比有一定的影响．复合地基中桩是竖向增强体，起到加固的作用．图７中：桩间距为１ｍ时，桩土应力比是比较大的，原因是当桩间距比较小时，桩基本上将桩体上部所有荷载都承担，桩间土的承载力没有得到充分发挥；当桩间距为ｍ时，桩间距比较合理，能共同工作承受上部荷载，是比较理想的状态；桩间距比较大时，土要承担较大的荷载，因而桩土应力比提高，但不能超出土的承载力，以致起不到加固效果”１．由图８知，随着桩间距的减小，沉降量也逐渐减小，当沉降量减小到一定程度后，基本趋于稳定．桩间距为２—３ｍ时，沉降量基本不再变化．丑靛ｇ捌稍毒世衽蟋圈７桩问距与桩土应力图８桩间距与沉降比关系曲线关系曲线优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技２．３不同桩间距对复合地基的影响２—３３优化设计‘９１第３０卷第ｌ期姚贤华等：高压旋喷桩复合地基承载特性的有限元分析９５术．最优设计方案是一个最有效率的方案，指一种方案可以满足所有的设计要求，且所需的支出最小．复合地基优化设计是一种在满足强度及变形要求的前提下，以桩工程量为目标函数，经过分析计算找出最小工程量的桩的分布方法．具体到高压旋喷桩复合地基的设计，主要是找出最优桩长、最优弹性模量、最优桩间距．目前，对最有效桩长的研究较多，而对最优桩长、最优弹性模量及最优桩间距的研究却不多，且研究有效桩长多是从单桩入手，没有考虑桩土共同作用及群桩效应问题，至于三者之间关系的研究就更少了．下面用ＡＮＳＹＳ对高压旋喷桩复合地基进行优化设计．ＡＮＳＹＳ程序提供了２种优化方法，可以处理绝大多数的优化问题．零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题．一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，更适合于精确的优化分析．下面简述优化方法的步骤：１．生成循环所用的分析文件．该文件必须包括整个分析的过程：参数化建立模型（ＰＲＥＰ７）；求解（ＳＯＬＵＴＩＯＮ）；提取并指定状态变量和目标函数（ＰＯＳＴｌ／ＰＯＳＴ２６）；复合地基的沉降１２９．１２ｍｌｎ．４结语桩长、桩土模量比和桩间距是影响高压旋喷桩复合地基承载特性的３个主要因素，随着桩长的增加，高压旋喷桩复合地基沉降量明显下降．桩土模量比比较合适时，桩土能够共同发挥最大作用．随着桩间距的增加，桩土应力比逐渐增大，桩承担越来越大的荷载，最终土不能充分发挥作用，而失去了复合地基的作用．参考文献［１］《地基处理手册》编写委员会．地基处理手册（第二版）［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２０００：３５—４０．［２］易日．使用ＡＮＳＹＳ６．Ｉ进行结构力学分析［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２００２：１７８—１８６．［３］周建民。丰定样，郑宏．深层搅拌桩复合地基的有限元分析［Ｊ］．岩土力学，１９９７（２）：４４—５０．［４】张忠坤，殷宗泽，曹正康．复合地基临界桩长的研究［Ｊ］．岩土工程学报，１９９９（２）：８４—８８．［５］段继伟，龚晓南，曾国熙．水泥土桩荷载传递规律［Ｊ］．岩土工程学报，１９９４（４）：１—７．［６］赵顺波，姚贤华，裴松伟，等．回填土区深层搅拌桩和高压旋喷桩复合地基的静承载性能［Ｊ］．中国港湾建设。２００８（１）：１６—２０．２．在ＡＮＳＹＳ数据库中建立与分析文件中变量相对应的参数．此步是标准做法，但不是必须的；３．进入ＯＰＴ，指定分析文件（ＯＰＴ）；４．声明优化变量；５．选择优化工具或优化方法；６．指定优化循环控制方式；７。进行优化分析；８．查看设计序列结果（ＯＰＴ）和后处理（ＰＯＳＴｌ／ＰＯＳＴ２６）．［７］娄国充．桩式复合地基承载特性的研究［Ｊ］．岩土力学，１９９８（１）：７０—７４．［８］沈克仁．地基与罐础ｆＭ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９２：１０２—１０８．经过ＡＮＳＹＳ优化得出：最优的组合为桩长１０．３４２［９］汪树玉．优化原理、方法与工程应用［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，１９９１：７８—８５．１１１，桩距２．３７８ｍ，桩体弹性模量１２５６．１２３ＭＰａ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬｏａｄ－ｃａｒｒｙｉｎｇＣａｐａｃｉｔｙｗｉｔｈＣｏｍｐｏｓｉｔｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅＲｏｔａｒｙＧｒｏｕｔｉｎｇＰｉｌｅＹＡＯＸｉａｎ—ｈａｓ，ＰＥＩＳｏｎｇ—ｗｅｉ，ＺＨＡＯＳｈｕｎ—ｂｏ（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙａｎｄＨｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００１１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｏｆｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｉｔｉｓａｎａｌｙｚｅｄｆｏｒｌｏａｄ—ｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｒｏｔａｒｙｇｒｏｕｔｉｎｇｐｉｌｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｉｌｅｌｅｎｇｔｈ，ｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｉｌｅ－ｓｏｉｌｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｉｌｅｐｉｔｃｈｂｙｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳ．Ｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｒｏｔａｒｙｇｒｏｕｔｉｎｇｐｉｌｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｈａｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｉｌｅ，ｉｔｃａｎｍａｋｅｇｒｅａｔｅｆｆｅｃｔｗｈｉｌｅｔｈｅｒａ—ｔｉｏｏｆｐｉｌｅ－ｓｏｉｌｍｏｄｕｌｕｓｉｓａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．ｕｓｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆＡＮＳＹＳ，ｉｔｉｓｐｉｌｅ，ｏｐｔｉｍａｌｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｏｐｔｉｍａｌｐｉｔｃｈ，ｉｔｉｓｃａｎｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｏｐｔｉｍａｌｐｉｌｅｌｅｎｇｔｈｏｆｆｅｒｒｅｆｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｐ＂８８ｕ鹏ｒｏｔａｒｙｇｒｏｕｔｉｎｇｐｉｌｅ；ｌｏａｄ－ｅａｒｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ；ｐｉｌｅｌｅｎｇｔｈ；ｒａｔｉｏｏｆｐｉｌｅ－ｓｏｉｌｍｏｄｕｌｕｓ；ｐｉｌｅｐｉｔｃｈ；ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ万方数据
