豎向荷載作用下群樁承載力及變形特性研究

朱育平 王文波 程 毅 李 剛 廖海權

（中建八局第二建設有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

隨著我國經濟建設的快速發展，各類建筑物對基礎的要求越來越高。由于群樁基礎承載力高和變形小的優點被廣泛應用于基礎工程建設中。目前，關于群樁基礎的研究主要集中于樁的承載力和變形方面。楊德鋒等[1]、杜思義等[2]綜合采用承載力試驗和數值模擬研究了群樁變形特性。結果表明，群樁的沉降隨樁心距增加而增大，當樁心距大于5 倍直徑時，沉降增加不再顯著，當長徑比為20~30 時，樁的承載力隨樁長增大而增加。杜家慶等[3]基于有限元研究了群樁-土-承臺相互作用。結果表明，當豎向荷載大于一般的群樁極限承載力時，群樁對樁間土的夾持作用減少，側壁摩阻力增大。為了安全，通?？刹捎萌簶冻两颠_到5%倍樁徑時的荷載作為群樁的豎向極限承載力。

該文采用數值模擬方法，開展豎向荷載作用下群樁承載力及變形特性研究，討論了樁的參數對群樁承載力及變形的影響。研究結果可為群樁工程設計及施工提供借鑒。

1 工程概況

G322G358 南寧至賓陽至黎塘公路工程位于廣西壯族自治區南寧市興寧區、賓陽縣境內，項目起于南寧市興寧區五塘鎮，接已建成南寧市昆侖大道南寧至五塘段，往東，沿現有國道 G322 布設至昆侖鎮，折向東北經賓陽縣高田、河田，從賓陽縣城規劃區南面繞行至大橋鎮接回國道 G358，隨后往東沿 G358 布設，經王靈鎮、黎塘鎮，終于南寧市與貴港市界。路線全長89.135 km，共設置大橋18座，中橋26 座，小橋10 座，其中跨貴隆高速大橋下部基礎采用群樁基礎。

2 模型建立

2.1 有限元模型建立

跨河段設置橋梁跨越，其中徒駭河特大橋下部基礎采用群樁基礎。采用FLAC 進行建模，其中土體為典型的粉質黏土。群樁模型是由9 根低承臺樁組成的。樁徑為0.4m，樁長均為10m，樁間距為3 倍樁徑，承臺尺寸為3.6m×3.6m。建立的數值分析模型如圖1 所示。樁基礎加載方式采用分級加載。土體采用摩爾庫倫本構模型，樁基礎采用線彈性本構模型。模型的邊界條件為四周約束水平和豎直方向的位移，底部為固定約束。計算中樁的轉動位移也進行約束。

圖1 數值模型示意圖

2.2 計算參數選取

數值計算中將承臺等效為剛體，并與樁采用剛性連接。樁土界面采用彈簧模擬，彈簧剛度取值為500 MPa。模型網格尺寸為0.1 m，網格數共3522 個。在數值計算中，具體的地基以及樁基礎的物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

3 計算結果與分析

3.1 長細比對承載力和變形的影響

計算得到的荷載-沉降曲線如圖2 所示，Q-S曲線是典型的緩降型曲線，當荷載達到15MN 時，對應的沉降值約為110mm。證明樁的破壞屬于刺入型破壞。

圖2 荷載-沉降曲線

樁的長細比對樁的承載力影響如圖3 所示。樁的長細比對樁的承載力影響較大。曲線平緩程度隨樁長細比增大而增大。當荷載等于6MN 時，不同長細比對應的樁頂沉降分別為10mm、11mm、20mm 和38mm。由此可見，當樁的長度或者長細比增大到一定程度時，側壁摩阻力更多的部分將傳遞到地基中，導致樁的承載力增大，沉降減少。此時，如果繼續增大荷載，可能發生刺入破壞。隨著長細比增大，樁逐漸由端承型向摩擦型轉變。當長細比達到40時，樁的承載力完全由摩擦力提供。

圖3 長細比對樁的承載力影響

3.2 樁間距對承載力的影響

樁間距對承載力的影響如圖4 所示。樁頂的沉降量隨荷載增大先緩慢增大，隨后急劇增大。在其他條件不變的情況下，當樁間距從2d增至6d時，Q-S曲線變得越來越平緩。當樁間距為2d時，Q-S曲線的斜率最大。當樁間距減少時，群樁效應明顯，樁土界面滑移量較小，樁的沉降主要表現在樁端土的整體壓縮變形。當樁間距增大時，曲線趨于平緩，證明樁間土的壓縮占主要因素。群樁效應減少，基樁可以充分發揮自身的承載力，群樁承載力近似等于單樁承載力之和。在實際工程中，合適的樁徑比是充分發揮群樁承載力的重要因素。

圖4 樁間距對承載力的影響

3.3 樁端土壓縮強度對承載力的影響

樁端土壓縮強度對承載力的影響如圖5 所示。樁的端阻力隨著樁端土彈性模量的提高而提高。在其他條件相同時，相同的沉降量下樁的承載力較大。當不考慮樁端土強度時，Q-S曲線表現出陡降型曲線。當樁端土強度達到8 MPa和10 MPa 時，Q-S曲線變的比較緩和，相應的承載力也大幅提高，沉降量減少。當不考慮樁端土的壓強時，在不同荷載級別下，對應的沉降分別為10 mm、23 mm、48 mm 和96 mm，當樁端土強度到10 MPa 時，對應的沉降值為6 mm、10 mm、13 mm 和17 mm。因此在實際工程中，考慮樁端土強度的影響，應盡可能地將土質良好的地基作為樁的持力層，從而提高樁的承載力。在地基軟弱的情況下，可采用地基處理的方式對地基進行加固。

圖5 樁端土壓縮強度對承載力的影響

3.4 承臺剛度對承載力的影響

圖6 為承臺剛度對樁承載力的影響。結果表明，隨著承臺剛度的增大，Q-S曲線由陡變緩，在相同的荷載時，承臺剛度越大，樁頂位移越小。這是因為承臺可以承擔一部分荷載。當承臺剛度為15 G 時，在不同荷載級別下對應的沉降值分別為11 mm、20 mm、40 mm 和65 mm。當承臺剛度為25G 時，在不同荷載級別下對應的沉降值分別為7mm、15mm、33mm 和69mm。當承臺剛度為35G 時，在不同荷載級別下對應的沉降值分別為6mm、13mm、27mm 和55mm。當承臺剛度為100G 時，在不同荷載級別下對應的沉降值分別為4mm、8mm、20mm 和40mm。此外，當承臺剛度增大到一定程度時，樁的承載力基本保持不變。實際工程中，盲目增大承臺剛度會導致材料浪費。

圖6 承臺剛度對承載力的影響

3.5 承臺布置方式對承載力的影響

承臺的布置方式對樁的承載力有一定的影響。對低承臺來說，在不同的荷載級別下，對應的沉降分別為11mm、30mm 和62mm。而對高承臺而言，對應的沉降分別為19mm、46mm 和88mm。這是由于，對高承臺來說，由于承臺和樁土之間分離，承臺不承受豎向荷載，因此對應的Q-S曲線比較陡，對低承臺來說，由于承臺和土出現接觸，承臺會分擔部分外荷載，因此樁的承載力主要由樁側摩阻力和端阻力共同組成。承臺分擔的外荷載隨著地基土沉降的增大而增大。

3.6 樁的彈性模量對承載力的影響

樁的彈性模量分別為15GPa、25GPa 和35GPa 工況下樁的Q-S曲線。樁頂沉降隨樁的彈性模量的增大而減少。但當彈性模量增大到一定程度時，樁的彈性模量改變對承載力和沉降的影響越來越小。當樁的彈性模量為15GPa，加載大小為12MN 時，對應的沉降最大值為70mm，而當樁的彈性模量為35GPa，加載大小為12MN 時，對應的沉降最大值為64mm，兩者的相對誤差為8.5%。導致這一現象的主要原因是當樁模量增大到一定程度時，樁身壓縮量減少，導致基礎的沉降主要是由承臺土、樁周土和樁端土形成的沉降，從而對樁的承載力影響變小。因此，在實際工程中，提高樁的強度或混凝土標號主要是保證樁身強度，但不可過分考慮樁的剛度對樁的承載力和變形的影響。

4 結論

該文基于FLAC 數值模擬，開展豎向荷載作用下群樁承載力及變形特性研究，討論了樁的參數對群樁承載力及變形的影響，如長細比、樁間距、承臺剛度以及樁身強度等參數，得到以下4 個結論：1）樁的長細比對樁的承載力影響較大。當樁的長度增大到一定程度時，側壁摩阻力更多的部分將傳遞到地基中，導致樁的承載力增大，沉降減少。隨著長細比的增大，樁逐漸由端承型向摩擦型轉變。當長細比達到40 時，樁的承載力基本完全由摩擦力提供。2）當樁間距減少時，群樁效應明顯，樁土界面滑移量較小，樁的沉降主要表現在樁端土的整體壓縮變形。當樁間距增大時，群樁效應減少，群樁承載力近似等于單樁承載力之和。在實際工程中，合適的樁徑比是充分發揮群樁承載力的重要因素。3）承臺剛度越大，樁頂位移越小。當承臺剛度增大到一定程度時，樁的承載力基本保持不變；與低承臺相比，高承臺由于承臺和樁土之間分離，承臺不承受豎向荷載，因此對應的Q-S曲線比較陡。4）樁頂沉降隨樁的彈性模量的增大而減少。但是當彈性模量增大到一定程度時，樁的彈性模量對承載力和沉降的影響越來越小。