超長群樁基礎的有限差分數值分析

摘??要：承臺-樁-土的相互作用使群樁基礎的受力變形特性復雜，而超長樁由于樁身很長，加深了這種相互作用的復雜性。本文通過有限差分數值軟件FLAC對承臺標高不同、樁端土層不同及樁距不同的超長群樁基礎進行了分析。計算結果表明，低承臺對群樁基礎的受力更有利。超長群樁因為樁身彈性壓縮引起的沉降不容忽視。樁距越大，群樁效應的影響越小，但基樁樁頂的差異沉降越大力。本文采用有限差分數值軟件FLAC計算，為超長群樁的設計計算提供了一種新的途徑，計算結果對工程實際具有指導意義。

關鍵詞：超長群樁基礎;高承臺;低承臺;數值計算

中圖分類號：U455.4????文獻標識碼：A ????????文章編號：2096-6903（2019）04-0000-00

0?引言

超長群樁由于樁側摩阻力和樁端阻力不是同時發揮，當樁端的承載力充分發揮時需要相當大的樁頂沉降，可能導致上部結構對沉降的要求不能滿足。因此，超長群樁基礎的和一般樁長的群樁基礎的承載性狀是不同的，其設計理論也亟待改進。

本文借用巖土專用有限差分數值軟件FLAC，分別對承臺高和低、樁端土層差異、樁距不同等情況引起的超長群樁基礎軸力和沉降等進行分析，以找出它們的不同和規律。

1?數值建模

巖土采用摩爾-庫倫本構關系，樁和承臺采用彈性模型。

巖土性質和分層采用表1的參數，土體建模采用110?m×110?m×115?m的實體。每層土的垂直地應力通過手算獲得，垂直地應力梯度為相應土層的土體重度;水平地應力和梯度取垂直地應力和梯度的0.67倍。

超長樁取樁長90?m，樁直徑1.5?m的混凝土樁。群樁基礎由9根樁組成，布置見圖1。樁采用程序內置的結構樁單元模擬。樁材料為C30，彈性模量3.0×10Pa，泊松比0.20。

承臺材料參數與樁基礎一致，取實體單元。土層表面標高為±0.0?m。分別進行如下幾種情況的數值分析：

（1）取承臺底部標高-2.0?m（低承臺）、±0.0?m和2.0?m（高承臺）三種情況進行計算。承臺材料與樁相同尺寸為10.0m×10.0m×2.0m，低承臺與土之間采用接觸面單元。

（2）調整承臺尺寸，取樁間距分別為2?d（承臺尺寸10?m×10?m）和2.5?d（承臺尺寸10?m×10?m）、3?d（承臺尺寸13?m×13?m）、4?d（承臺尺寸16?m×16?m）和6?d（承臺尺寸22?m×22?m）進行群樁效應的分析，d為樁直徑。

（3）對樁端土層分別為粘土、砂土和圓礫三種情況進行分析。土層參數及分層情況見表2。

2??計算結果

在承臺表面墩身范圍內作用相當于每根基樁樁頂分配5×10??kN的荷載的均布力。

2.1 承臺高度不同

軸力和沉降結果分別如圖4和圖5。

由圖2可以看出，在承臺頂受力相同的情況下，低承臺樁基的各樁受力最小。承臺擱置在土體表面的樁和離開土體的高承臺的樁受力很接近。三種承臺中，都是角樁受力最大，中心樁受力最小。

低承臺樁基中，各基樁軸力在樁頂部有個先減小后增大的過程，表明此處產生了負摩阻。這是由于承臺對臺底土的壓實作用，使該處的土體沉降大于基樁的沉降所致。

由圖3可以看出，高承臺對應的各基樁沉降要比另兩種形式的承臺大，低承臺對應的各基樁沉降最小。

同種承臺基礎中各基樁樁頂的差異沉降很小，其中，角樁略大于其它兩類樁，中心樁最小。

樁頂和樁底的沉降差最小的也接近0.5?mm，占樁頂沉降的35.8%，因此，樁身彈性壓縮引起的樁頂沉降不容忽視。

2.2 樁距不同

軸力和沉降計算結果如圖4和圖5。

由圖4（a）可看出，可以看出，角樁樁距越大，樁頂軸力越小;圖4（b）中，樁距2?d邊樁樁頂軸力最大，其次是樁距6?d，和角樁不同的是，樁頂軸力最小的是樁距4?d和2.5?d的;圖4（c）顯示，中心樁情況比較復雜，樁距6?d樁頂軸力最大，其次是樁距3?d，樁距2.5?d最小，樁距2?d居中。由于角樁承受的樁頂軸力最大，因此，從基樁樁身安全角度看，樁距越大越安全。

由圖5可以看出，樁距2?d的基樁沉降最大，樁距6?d最小，即樁頂沉降隨著樁距的增大而減小，即樁距越大樁基沉降越小。

樁距2?d及2.5?d時，各樁樁頂的差異沉降最小;當樁距3?d以上時，隨樁距增大各基樁樁頂差異沉降增大。從超長樁設計的消除樁頂差異沉降角度考慮，本算例中的最佳樁距為2.0～2.5?d。

各基樁樁頂沉降都是中心樁最大，角樁最小。

2.3 樁端土層不同

取承臺底標高-2.0?m，樁端土層分別為黏土、砂土和圓礫，計算結果如圖6和圖7。

由圖6可看出，樁頂軸力，以樁端為圓礫的最大，砂土的略小。各種樁端土層對應的樁基，都是角樁軸力最大，邊樁次之，中心樁最小。

由圖7可以看出，角樁、邊樁和中心樁的樁頂沉降，都是樁端為黏土時最大，樁端為圓礫時與為砂土時很接近。因此，為了減小樁頂沉降，樁基應盡量進入持力層好的土層。各基樁樁頂差異沉降很小，其中，角樁樁頂沉降最大，中心樁的最小。

3?結論

通過以上研究，可得出以下結論：

（1）在承臺頂荷載相同情況下，采用高承臺群樁基礎要比采用承臺全部埋入土中的低承臺基礎的各樁軸力大。因此，低承臺對群樁基礎的受力是有利的。

（2）群樁樁頂的差異沉降很小，一般是角樁的樁頂沉降最大，其次是邊樁，中心樁最小。超長群樁因為樁身彈性壓縮引起的沉降不容忽視。

（3）樁距越大，群樁效應的影響越小。樁距越大，樁基樁頂的差異沉降越大。

（4）從控制樁頂差異沉降考慮，最佳樁距為2.0～2.5?d之間。

參考文獻

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收稿日期：2019-06-10

作者簡介：劉少成（1985—），男，湖北宜昌人，工學碩士，工程師，研究方向：地基基礎試驗檢測。

Research of Effects on Super-long Group Piles Foundation by Different Elevations of Cushion Caps

LIU Shaocheng

（1.China?Railway?Bridge?Science?Research?Institute，Ltd.，Wuhan?Hubei?430034;2.State?Key?Laboratory?for?Health?and?Safety?of?Bridge?Structures，Wuhan??Hubei?430034）

Abstract：?Interaction of cushion caps-piles-soil make that bearing and deformation characters of group piles foundation are complex. Moreover， super-long group piles deepen the complexity of the interaction. By using the software of finite difference in this paper， cushion caps with different elevations are analyzed. The results show that when same forces act on cushion caps， axial forces of each pile and settlements of piles caps of low elevations cushion caps are less than high elevations cushion caps. So using low elevation cushion caps is more conducive to super-long group piles foundation.

Keywords：super-long group piles foundation;high elevation cushion cap;low elevation cushion cap;numerical calculation