摘要：近年来，我国建筑行业发展迅速，大量工程项目不断兴起。20世纪70年代，Davis和Burland提出了“桩筏基础”的概念，此后，有大量的国内外学者针对桩筏基础开展了研究。Poulos和Yang对各国桩筏基础的研究状况进行了综述。随着高层建筑的日益发展，桩筏基础在我国有着广阔的应用前景。载体桩作为地基处理的一种方式，较多的以复合地基的形式出现，继2007年载体桩设计规程修订后，载体桩不再局限于复合地基的形式。本文介绍的为济南地区百米高层项目，采用的载体桩桩筏基础，缩短了桩长、减少了地基的变形，与其他桩基础设计相比，缩短了工期，降低了工程造价，取得了良好的经济效益。希望通过本文的分析研究，给我国新型桩筏基础在高层建筑中的应用研究做出贡献。同时希望给行业内人士以借鉴和启发。
关键词：载体桩；三击贯入度；桩筏
引言
载体桩具有以下的技术特点：1）单桩承载力高，是相同桩径、桩长的普通灌注桩承载力的3～5倍，其原因是通过加密持力层改善了桩端地基土的物理参数指标；2）施工工艺简单、质量易控制。施工中无需场地降水，减少了工程量，缩短了工期；3）可消纳建筑垃圾，保护了环境，绿色环保、无污染，符合节能环保的理念。由于上述优势，载体桩在地基承载力及变形处理方面得到了广泛应用。但载体桩发展初期的应用主要是多层及小高层，以复合地基为主，而本工程为30层高层住宅，采用的载体桩桩筏基础。本项目为高层住宅工程，位于山东省济南市东部，结构形式为地上30层，地下2层，钢筋混凝土剪力墙结构，房屋高度90．00m，基础埋深为－6．8m。基底所在土层为粉质黏土，作为高层建筑的持力层承载力较低，因此需要进行地基处理。
1桩筏基础有限元模型
根据勘察报告场地起伏较大，场地土土层主要由第四系山前冲洪积形成的黄土状粉质黏土、粉质黏土和卵石层构成，下伏基岩为白垩系闪长岩风化体，具体地质情况详见表1。建筑物抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度6度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度0．05g，场地土类别为Ⅱ类，无地下水位。同时根据新型桩筏基础的设计思路，为了进一步验证该设计方法的可行性和可靠性，利用ABAQUS有限元分析软件，针对东塔桩筏基础进行有限元三维实体分析。分析模型平面尺寸为28.5m×28.5m。根据结构施工图，筏板厚度取2700mm，筏板材料为C40混凝土，剪力墙材料采用C60，混凝土材料按弹性材料考虑，不考虑塑性。利用ABAQUS有限元分析软件建立如图1的三维实模型。其中有限元分析模型下部桩长取3倍桩径，即0.9×3=2.7m，上部剪力墙及框架柱向上凸出1m，墙顶标高为-9.5m。荷载及约束：模型荷载采用PKPM/SATWE软件计算得到的恒荷载+活荷载（D+L）下的基本组合。对于分析模型的边界约束条件，桩端采用固定约束。网格划分：对于有限元模型，控制整体网格划分尺寸为600mm，同时为了更精确地模拟应力集中处的应力状态，在局部把网格进一步细分，控制细分网格尺寸为100mm。结构有限元模型采用C3D8R单元（8节点三维实体单元）。
2桩筏基础有限元分析
2.1桩筏基础有限元模型
根据新型桩筏基础的设计思路，为了进一步验证该设计方法的可行性和可靠性，利用ABAQUS有限元分析软件，针对东塔桩筏基础进行有限元三维实体分析。分析模型平面尺寸为28.5m×28.5m。根据结构施工图，筏板厚度取2700mm，筏板材料为C40混凝土，剪力墙材料采用C60，混凝土材料按弹性材料考虑，不考虑塑性。利用ABAQUS有限元分析软件建立如图1的三维实模型。其中有限元分析模型下部桩长取3倍桩径，即0.9×3=2.7m，上部剪力墙及框架柱向上凸出1m，墙顶标高为-9.5m。荷载及约束：模型荷载采用PKPM/SATWE软件计算得到的恒荷载+活荷载（D+L）下的基本组合。对于分析模型的边界约束条件，桩端采用固定约束。网格划分：对于有限元模型，控制整体网格划分尺寸为600mm，同时为了更精确地模拟应力集中处的应力状态，在局部把网格进一步细分，控制细分网格尺寸为100mm。结构有限元模型采用C3D8R单元（8节点三维实体单元）。
2.2桩筏基础有限元分析结果
图1为桩筏基础Mises应力云图。由图1可得，就桩筏基础整体的Mises应力分布情况来看，较大的Mises应力分布在核心筒剪力墙底部和桩基顶部的附近区域；外围剪力墙下的筏板基础的应力和中心附近剪力墙下的筏板基础的应力，在离剪力墙相等距离处，前者的值要比后者的大、前者的分布范围要比后者的广。软件计算得到在D+L工况组合下基础最大Mises应力为19.7MPa<38.5MPa，发生在应力集中的剪力墙角部，材料处于弹性状态。
（2）筏板Mises应力云图
图2为筏板Mises应力云图。由图2可得，就筏板的Mises应力分布情况来看，较大的Mises应力分布在核心筒剪力墙的附近区域，且外围剪力墙下的筏板应力比中心附近剪力墙下的筏板应力大，这与桩筏基础Mises应力分布情况是一致的。软件计算得到在D+L工况组合下筏板最大Mises应力为11.91MPa<26.8MPa（C40混凝土抗压强度设计值），发生在筏板与桩顶相交应力集中处。
（3）桩Mises应力云图
图3为桩Mises应力云图。由图3可得，就桩的Mises应力分布情况来看，较大的Mises应力分布在核心筒剪力墙下的桩顶区域，且外围剪力墙下的桩顶的Mises应力比中心附近剪力墙下的桩顶的Mises应力要大，这与桩筏基础Mises应力分布情况相符合。软件计算得到在D+L工况组合下桩最大Mises应力为17.34MPa<26.8MPa（C40混凝土抗压强度设计值）。桩最大轴力为8342kN。通过以上分析，按照新型桩筏基础设计方法建立的计算模型，在恒荷载+活荷载（D+L）的基本组合下，桩筏基础的最大Mises应力为19.7MPa，筏板最大Mises应力为11.91MPa，桩最大Mises应力为17.34MPa，且各项最大应力均未超过对应位置的材料的强度设计值；同时，可知桩的最大轴力满足设计要求。由此说明，这种新型桩筏基础的设计方法应用于本工程的实施是可行的且是可靠的。
结语
在桩筏基础设计时，对岩土工程勘察报告应仔细研读，结合实际的地质情况通过详尽的桩基比选，选择出最优的桩型。确桩型定后，根据上部结构受力状态，确定筏板的平面尺寸和厚度。结合建筑平面布置，充分考虑施工条件的影响，桩筏计算分析模型应与施工过程保持一致。在出现计算分析与实际受力不符时，及时改进一般桩筏基础设计方法。根据新型桩筏基础的设计方法，通过对基础进行有限元建模分析，分析结果符合设计要求，为该新型基础设计方法的适用性提供了一定依据。
参考文献
［1］王继忠．载体桩的受力机理与技术创新［J］．建筑结构，2008，38（5）：126-127．
［2］载体桩设计规程：JGJ135—2007［S］．北京：中国建筑工业出版社，2007．
［3］建筑基桩检测技术规范：JGJ106—2014［S］．北京：中国建筑工业出版社，2014．
论文作者:贺洪昌
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年4期
论文发表时间:2019/6/20
标签：应力论文; 基础论文; 模型论文; 荷载论文; 有限元论文; 剪力论文; 载体论文; 《建筑学研究前沿》2019年4期论文;