第４０卷第１５期 山 西 建 筑 Ｖｅ１．４０ Ｎｏ．１５ ・５２・ ２ ０ １ ４年５月 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＩＥＣＴＵＲＥ Ｍａｖ． ２０１４ 文章编号：１００９—６８２５（２０１４）１５－００５２—０３ 载体桩承载特性及其影响因素分析 刘 林 钱中春 （１．江苏省镇江市路桥２１２程总公司，江苏镇江２１２０１７ ２．安徽省公路桥梁Ｔ程有限公司，安徽合肥２３００３１） 摘要：以实际工程为依托，从下部载体尺寸、上部桩径尺寸、碎石土密实度、素混凝土强度等方面对桩体的承载特性进行了分析 研究，发现下部载体尺寸变化对载体桩承载能力影响较大，上部桩身直径增大对提高桩体的抗承载能力影响很小。 关键词：载体桩，承载特性，有限元仿真，影响因素 中图分类号：ＴＵ４７３．１１ 文献标识码：Ａ ０ 引言 根据屯溪滨江壹号小区建筑场地载体桩的设计资料、工程勘 载体桩又被称为复合载体夯扩桩 Ｊ，是在沉管扩底灌注桩 察资料以及现场载荷试验成果，建立了有限元反分析模型，如图１ 和夯扩桩阶段基础上，由北京波森特岩土工程公司提出的一种新 所示。 型桩。载体桩设计规程中将载体桩定义为由混凝土桩身和载体 根据屯溪滨江壹号建筑场地的实际情况，确定项目建设区域 共同构成的桩，施工时采用柱锤夯击，护筒跟进成孔，达到预定桩 的地质土层主要包括砂质粉土、砂质粘土、强风化粉砂岩，计算土 底标高后，柱锤夯出护筒一定长度，然后分若干次向护筒内加入 层的物理力学指标参见表１。 填充料，用柱锤反复夯实，达到一定要求后再投入干硬性混凝土， 表１ 土层主要物理力学指标汇总表 并夯实形成载体，最后浇筑混凝土桩身。 项目 砂质粉土计算取值 砂质粘土计算取值 载体桩通常由两部分组成，一部分是桩身混凝土或桩身钢筋 重度口／×１０ ｋｇ・ｍ一 １．９６ ２．Ｏｌ 混凝土（混凝土强度等级一般不低于Ｃ２５），另一部分是桩身底部 粘聚力Ｃ／ｋＰａ ６．２ １８．２ 摩擦角 （。） ２７．５ ２７．５ 的载体。其中桩身底部的载体可由干硬性混凝土、夯实的填充料 变形模量Ｅ／ＭＰａ ｌ５．５ ｌ２．５ （一般由碎石、碎砖块、碎混凝土块、矿渣等组成）、挤密土体三部 分组成。从变形和受力角度考虑，载体从里到外各填充材料的压 通过反分析，确定载体桩各区域的物理力学指标和形状指标 缩模量、强度常常是逐渐降低的，从而确保桩端底部的应力可以 参见表２，表３。 逐渐扩散。载体的形状主要取决于载体外侧土体的密实度、载体 表２载体桩及桩闻土物理力学参数汇总表 材料类型 重度．ｙｄ 粘聚力Ｃ 内摩擦角 弹性模量Ｅ 泊松比 底部土体的密实度、载体距离持力层的距离、夯击能的大小等因 ｋＮ／ｍ３ ｋＰａ （。） ＭＰａ 素，通常可近似为圆弧形（高度与宽度近似相等）、长圆弧形（高度 钢筋混凝土 ２２ ３．５×１０４ ０．２ 大于宽度）、扁圆弧形（高度小于宽度）等。 素混凝土 ２０．５ ２．２×１０４ ０．２ 为揭示载体桩设计参数变化对桩体承载能力的影响情况，本 密实碎石土 ｌ９．５ １０ ３０ ８０ ０．２７ 挤密区１ １９ ３５ １０ ６０ ０．２７ 文以工程实际为支撑，从载体尺寸、桩径尺寸、碎石土密实度、素 挤密区２ ｌ７．７ ３５ ８ ５５ ０．２７ 混凝土强度等方面对桩体的承载能力特性进行分析研究。 桩间土 ｌ９．６ ３０ １０ ３３ Ｏ．２７ １ 有限元模型建立 ２桩底部载体尺寸变化对载体桩承载力影响 曲线，采用标准遗传算法和改进遗传算法分别反演频散曲线，经 ２００８（１０）：１０９７－１１０１． 过与理论频散曲线对比，肯定了改进遗传算法的有效性，一方面 ［３］ 毛承英．基于改进遗传算法的瑞雷波频散曲线反演［Ｄ］．长 提高了计算速度，另一方面提高了精度。 沙：中南大学，２０１０． 参考文献： ［４］ 吴志坚，孙军杰，王兰民，等．青藏铁路沿线冻土场地地震动 ［Ｉ］袁腊梅．层状介质中瑞利波频散方程及其线性研究［Ｄ］．哈 特征研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７（１２）：１５—１６． 尔滨：哈尔滨工业大学，２００８：２－５． ［５］ 崔建文．一种改进的全局优化算法及其在面波频散曲线反 ［２］ 吴燕清，杨天眷．瑞利波频散曲线的反演［Ｊ］．煤炭学报， 演中的应用［Ｊ］．地球物理学报，２００４，４７（３）：５２１－５２７． Ｂａｓｅｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅｓ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ＹＩＮ Ｌｉ ＪＩＮＧ Ｈａｉ－ｈｅ ＤＯＮＧ Ｌｉａｎ－ｃｈｅｎｇ （Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｍｅｄｉｕｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎｖｅｒ－ ｓｉｏｎ ｏｆ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｕｉＴｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｆｏｒ ｔｈｅ Ｑｉｎｇｈａｉ－Ｔｉｂｅｔ Ｒａｉｌｗａｙ Ｂｅｉｌｕｈｅ ｖｅｎｕｅｓ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃａｌｖｅｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ：ｕｓｅ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｄｉｕｍ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 收稿日期：２０１４—０３—１５ 作者简介：刘林（１９６８・），男，高级工程师； 钱申春（１９７６一），男，高级工程师 第４２ ０ ０卷舞１１ ４ 年５月 ５智 尺寸 １素混凝土区Ｉ密实碎石土 区域厚度 Ｉ ｏ．３ ｌ ｏ．３ 区域底部宽 ｌ ｏ．５８ Ｉ ２．１６ 刘林等：，ｌ，ｌ、可：载体桩承载特性及其影响因素分析丰＾ ｌ，上，ｔ、 仪批ｗ 水川 Ｉｎ ・５３・ 表３载体桩形状参数表 挤密区Ｉ Ｏ．２５ ２．５６ 挤密区２ ０．２８ ３．１２ 十＋— 一２０％ 一ｌ０％ 以上述反分析模型为基础，在保证端头各区域横、竖比例不 ０ 变的前提下，对素混凝土区域体积减小２０％、体积减小１０％、体积 不变、体积增大１０％、体积增大２０％、体积增大３０％后桩体的变 形情况进行仿真模拟，其模拟计算结果见图２。 由图２可以看出，当外部荷载较小时，随着荷载的增加不同 桩头尺寸的复合地基承载能力差异不大，可认为桩体处于弹性状 图４素混凝土强度参数变化时的 —＊一１Ｏ％ ＊一２０％ —＋３Ｏ％ 曲线 态；当￣＇ｌ，／Ｊｎ荷载超过１ １００ ｋＰａ时，在相同变形情况下，载体尺寸 越大，承载能力越高；随着桩部载体尺寸不断减小，ｐ～ｓ曲线明显 变缓，载体桩的极限承载力对应的ｐ一曲线拐点越不明显；当载 体尺寸由增大１０％变为增大２０％时，桩体复合地基的承载能力明 显增加，极限承载力随之增大。 ＋一２０％ ＋一ｌＯ％ ＋０ —｝÷－１Ｏ％ ＊一２０％ ＋３０％ 图１载体桩 有限元模拟示意图 图２不同桩部载体尺寸下载体桩的ｐ—ｓ曲线图 ３上部桩径尺寸变化对载体桩承载能力影响 利用反分析模型，对桩体直径减小２０％、直径减小１０％、直径 不变、直径增大１０％、直径增大２０％、直径增大３０％后桩体的承 载能力变化情况进行仿真模拟，其模拟计算结果参见图３。 ｐ／ｋＰａ ＋－２０％ ＋一ｌ０％ —－ｒ－０ ＊１０％ —＊一２Ｏ％ ＋３Ｏ％ 图３不同桩径尺寸下载体桩的ｐ—ｓ曲线图 由图３可以看出，当外部荷载较小时，随着荷载的增加，不同 桩径尺寸的复合地基承载能力差异不大，可认为桩体处于弹性状 态；当荷载逐级施加到１ ７６０ ｋＰａ时，不同桩径尺寸下的变形速率 均有一定程度的增加，桩径大的载体桩承载能力降低尤其明显， 且变形随荷载变化趋势近似于一条直线；若减小桩径，会显著降 低传递到下部均质土中的自重应力，从而导致传递到地基深部的 附加应力值较小，使地基变形降低。 ４素混凝土强度参数变化对载体桩承载能力影响 为揭示素混凝土强度参数变化对载体桩承载能力的影响，对 模型中素混凝土强度减小２０％、强度减小１０％、强度不变、强度增 大１０％、强度增大２０％、强度增大３０％后载体桩承载能力的变化 情况进行仿真分析，其模拟计算结果参见图４。 由图４可以看出，载体桩端头的素混凝土参数变化对载体桩 的承载力影响不大，因为素混凝土强度的初始值较大，施加的荷 载值与素混凝土的强度相比，可以忽略不计。因此，当外部荷载 较小时，通过提高素混凝土强度来提高载体桩的承载力效果并不 明显。 ５碎石土密实度变化对载体桩承载能力影响 碎石土的密实度与填料间的摩阻力、嵌挤力密切相关，并会 在一定程度上对载体桩的承载能力产生影响，其密实度改变可通 过改变夯击能和填料配比来控制。本小节对碎石土密实度减小 ２０％、密实度减小１０％、密实度不变、密实度增大１０％、密实度增 大２０％、密实度增大３０％后载体桩的承载能力进行仿真分析，模 拟计算结果参见图５。 ＋－２０％ ＋一ｌＯ％ ＋Ｏ —＊一１０％ —＊一２０％ ＋３０％ 图５碎石土压实度变化时载体桩的ｐ—ｓ曲线 由图５可见，碎石土区域的压实度发生变化时，载体桩的承 载力会有一定程度的变化，但变化幅度不大，如密实度提高３０％， 桩体复合地基的承载能力提高不足１０％，这主要是由于碎石土区 作为协调桩和桩间土变形的垫层，其承载能力较下部土体要大得 多，当荷载增大到一定限值时，其承载能力程度受下部和桩侧土 体的强度影响较大。 ６结语 本文结合工程实际资料，从底部载体尺寸、桩径尺寸、碎石土 密实度、素混凝土强度等方面对桩体的承载能力特性进行分析研 究，得到以下成果： １）载体桩桩体底载体尺寸的变化对桩体的承载能力影响较 大，对于确定的桩径，当载体桩端头素混凝土的体积为当前设计 参数的１．１倍一１．２倍，载体桩复合地基的承载能力会有较大幅 度的提高。 ２）载体桩桩身直径增大对提高桩体的承载能力影响不大，尤 其是当外部荷载较小时，载体桩复合地基的承载能力会有一定幅 度的降低。 ３）改变素混凝土的强度和碎石土区域的密实度对提高载体 桩复合地基的承载能力有一定程度的影响，但由于素混凝土、密 实碎石土的强度较下卧土层要大得多，通过改变素混凝土的强度 和碎石土区域的密实度来提高载体桩承载能力的效果并不理想。 参考文献： ［１］ ＪＧＪ ７９－２００２，建筑地基处理技术规程［Ｓ］． ［２］ 沈保汉，王继忠．载体桩技术的诞生与发展［Ｊ］．工程勘察， ２００９（１）：１－４． ［３］ 王继忠．载体桩技术的拓展［Ｊ］．工程勘察，２００９（１）：１０—１４． ［４］杨启安，王继忠．载体桩技术的拓展研究［Ｊ］．路基工程， ２０１１（３）：６８－７１．
