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短桩筏基础系统对桩间距的优化在泥炭中获得最低沉降
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2016 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 136 012033
(http://iopscience.iop.org/1757-899X/136/1/012033)
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短桩筏基础系统对桩间距的优化在泥炭中获得最低沉降
S M Suro1,2,I Bakar2,1和A Sulaeman3
1土木与环境工程学院，马来西亚Tun Hussein Onn大学，86400 Batu Pahat, Johor，马来西亚
2马来西亚软土研究中心，马来西亚Tun Hussein Onn大学，86400 Batu Pahat, Johor，马来西亚
3工程技术学院，马来西亚Tun Hussein Onn大学，86400 Batu Pahat, Johor，马来西亚
电子邮件:asajiharjo@gmail.com
摘要：短桩筏是改进后的桩筏基础系统，代表板基础和桩基础的结合，但桩的长度相对较短。短桩筏基础系统的基本概念认为是被动土压力创建桩板系统的一个必要条件。这意味着当桩作为加强剂混凝土板并减少基础沉降时混凝土薄板浮在支撑土壤上。这种系统的板桩比率已经被一些研究人员注意到，然而最优桩间距的稳定性对于能获得泥炭中最低沉降显然还没有被讨论。在这项研究中，使用有限元方法模拟的稳定性能相关的沉降系统短桩筏基础。短桩筏基础系统与7.0m x 7.0m混凝土板被认为是厚度3.5m泥炭的基础。桩和筏的材料特性是不变的。镀锌钢管的桩外径是0.30m，厚度筏被认为厚度恒为0.15 m和桩长度恒为3.00m，而桩间距变化从0.50到3.00m。在混凝土板的中心的静载荷点荷载变化从0kN每次增加20 kN直到100kN。最优化方案是通过比较每个数值模拟的结果得出的，因此结论可以很容易地描绘出来。在100 kN的负载下，最低沉降为30.11mm，得到的最优桩间距是1.00m。
关键词：软土、地基改良、桩筏。
- 前言
目前由于土地有限，许多建设项目已经发展到土壤有问题的区域，同时面临了一些问题[1]。通过使用传统的基础系统如桩基系统完成建设仍然被认为是非常昂贵的[2]。为了克服这些问题，数个基础系统已经被开发出来。其中桩筏基础系统的概念近年来得到广泛的重视[3]，甚至被证明在这些情况下是更有效的，这种基础越来越多的被公认为更经济、有效的解决土壤问题[4]。此外，特别是在泥炭区域，在不同深度的泥炭区域施工方法是不同的[5]。泥炭的深度小于3米，通常是使用移除和替换的方法。深度3米至10米，工程师通常使用排水砂桩、轻质骨料和碎石桩。而对于深度超过10米的区域，合适的方法是深桩和强夯等高度稳定的技术。这种情况促使开发的基础能够直接应用于泥炭与深度小于3米，既不用移除替换方法也不用土壤加固法。
在这项研究中，系统介绍了短桩筏基础建立在被认为是有问题的泥炭土壤上。短桩筏基础系统是一个改良后的桩筏基础系统，是桩基础和筏板基础的结合，桩长度相对较短，就如同钢筋混凝土板放在桩上。它的总平面图和横截面短桩筏基础系统如图1所示。短桩筏基础系统的基本概念认为是被动土压力创建桩板系统的一个必要条件。这意味着薄板混凝土浮在支撑土壤上，当桩作为加强面板混凝土通过减少基础沉降提高稳定性能。这种板桩比率系统已经被一些研究人员提到[6]，然而最优桩间距的稳定性能获得泥炭中的最低沉降显然还没有讨论到。
在这个参数研究中，假设混凝土板是7.0m x 7.0m大小的筏，桩和筏的材料特性是恒定的而采用了泥炭。筏厚度被认为是恒为0.15m而桩的外径是0.30m，桩的长度是3.00m。为了找出最优桩间距短桩筏基础系统，桩间距变化从0.50m，0.75m，1.00m，1.50m，2.00m和3.00m。在混凝土板的中心的静载荷点荷载变化从0kN每次增加20kN直到100kN。对不同的点荷载造成的沉降进行了研究。
(a) (b)
图1：短桩筏基础系统：(a)总平面图；(b)A-A横截面图。
- 适用范围和局限性
本实验的研究范围是通过反复实验确定最优桩间距短桩筏基础系统，使用有限元程序模拟，然后比较结果，最后选择桩间距产生最低沉降。
本次研究的局限性是只研究了某个条件下的数值，如泥炭层厚度3.5m，地下水位不变，考虑固结排水和静载荷。而混凝土板的厚度、长度和桩的直径都假定为常数。
- 有限元方法
在这项研究中，采用了一个三维有限元程序，即Plaxis 3D的基础。Plaxis 3D基础是一个专门的三维有限元程序，进行变形和稳定性分析并用于各种类型的岩土工程应用上。程序使用一个方便用户的图形界面，使用户能够快速地生成一个几何模型和有限元网格。对于Plaxis 3D基础，土壤的起伏地形和结构可以被建立在两个不同的模式下。这些模式是专门为土壤或结构模型定义的。
有限元法为分析和设计基础提供了有分析价值的工具。由于桩筏是土壤与结构相互作用的典型例子，是一种在桩土界面特殊类型的成分，所以模拟桩与土体之间的位移不连续是必要的。因此，Plaxis 3D基础包含“嵌入式桩”的模型，并假设桩的细长梁单元[7]。
桩与土的相互作用是由土壤节点和桩节点之间的相对位移。这些节点之间的连接是在底部通过建立特殊的无定向线性弹簧来代表桩土接触。根据材料，线性弹性材料模型用于混凝土结构来模拟它们的应力—应变行为，而莫尔—库仑模型用于软土。[8]
- 数值结果
在这项研究中，7.0mx 7.0m规模的短桩筏基础系统被认为是一个仿真模型。混凝土板厚度被设为0.15m，在混凝土板的中心的静载荷点荷载变化从0kN每次增加20kN直到100kN。用于模拟短桩筏基础体系的参数如表1所示。
这些参数分别应用于桩间距0.50m，0.75m，1.00m，1.50m，2.00m和3.00m，在每个仿真模型中进行了模拟。
表1 土壤、桩和筏用于模拟短桩筏基础的参数
|
土壤（泥炭）性能 |
|
|
C |
4.0[kN/m2] |
|
ϕ |
16[0] |
|
Eref |
200[kN/m2] |
|
ɤunsat |
10[kN/m3] |
|
ɤsat |
11[kN/m3] |
|
Ѵ |
0.12 |
|
结构层厚度 |
3.50[m] |
|
土壤（软土）性能 |
|
|
C |
5.0[kN/m2] |
|
ϕ |
25[0] |
|
Eref |
2000[kN/m2] |
|
ɤunsat |
16[kN/m3] |
|
ɤsat |
17[kN/m3] |
|
Ѵ |
0.3 |
|
结构层厚度 |
6.50[m] |
|
短桩筏基础 |
|
|
筏厚度 |
0.15[m] |
|
点荷载（变化） |
0~100[kN] |
|
外桩直径 |
0.30[m] |
|
桩壁厚度 |
0.005[m] |
|
桩长度 |
3.0[m] |
|
桩间距 |
0.5~3.0[m] |
这说明短桩筏基础系统的数值模型是图2所示，而短桩筏基础系统生成的三维网格图为图3所示。
基于已确定的参数模拟结果如表2所示，为了获得更多的信息，结果显示如图4所示。通过比较每个模拟的计算结果，可以看出最优桩间距为1.00m。如果桩间距增加(超过1.0m)，总体沉降将变得更大。同样，如果桩间距减少(小于1.0 m)，沉降也将增加。
(a) (b) (c)
图2：短桩筏基础系统模型7.0mx 7.0m混凝土板，(a)计划桩间距为0.50m；
(b)和(c)上部和底部视图与桩间距为0.75m。
图3 生成三维网格的短桩筏基础系统模型
表2 各个桩间距的模拟结果
|
桩间距[m] |
沉降值[mm] |
||||||
|
0 [kN] |
20 [kN] |
40 [kN] |
60 [kN] |
80 [kN] |
100 [kN] |
||
|
0.50 |
30.52 |
32.20 |
33.88 |
35.56 |
37.23 |
38.91 |
|
|
0.75 |
22.41 |
24.28 |
26.16 |
28.03 |
29.91 |
31.78 |
|
|
1.00 |
19.94 |
21.97 |
24.01 |
26.04 |
28.08 |
30.11 |
|
|
1.50 |
19.58 |
21.97 |
24.36 |
26.76 |
29.22 |
31.80 |
|
|
2.00 |
21.28 |
23.97 |
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