陳海洋

摘 要：樁基礎(chǔ)在工程建設(shè)當(dāng)中得到廣泛地應(yīng)用，從安全性上考慮，對群樁承載力的研究尤為重要。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗對橋梁工程中的群樁承載力及抗震設(shè)計進行分析探討，為今后類似工程提供設(shè)計、施工及質(zhì)量控制等參考資料。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；群樁承載力；抗震性能；分析

中圖分類號：TB

文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672 3198.2016.22.098

1 概述

樁基礎(chǔ)憑借著其承載力高、受力合理、安全可靠的優(yōu)點，在基礎(chǔ)工程中得到了廣泛地應(yīng)用。鑒于此，對樁基礎(chǔ)承載力的研究顯得尤為必要。對單樁承載力的確定已經(jīng)有相對成熟的方法，但是在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計中經(jīng)常會用到群樁，由于樁土的相互作用使得群樁對群樁承載力的確定尚需要進一步探討。盡管群樁由許多單樁組成，然而，群樁特性并不等于所有獨立的單樁特性的總和。群樁特性比單樁特性更加復(fù)雜，這是由于樁的組合作用、樁群內(nèi)樁之間相互作用和樁帽效應(yīng)。例如，樁末端以下的某深度，由單樁加載引起的土壓力是沒有意義的。然而，在某深度，由于有很大的沉陷，或某支座性能失效，特別是下面是軟土層，所有相鄰的樁的壓應(yīng)力水平就會提高。通常，由于樁彼此相隔為直徑的7至8倍，樁之間相互作用的影響會減弱?；诖?，對群樁的軸向和橫向承載力及其對應(yīng)的沉陷和橫向撓度及抗震進行了研究。

2 群樁承載力分析

2.1 群樁沉降

單樁的應(yīng)力水平相當(dāng)小，然而鄰近樁的安裝應(yīng)力能提高樁尖下面的應(yīng)力水平。增加應(yīng)力水平對群樁沉降有兩種作用。對應(yīng)影響范圍很大的群樁，沉降的幅度必然也大。在一個單樁上加載，此時下面的強壓縮層并非處于受力狀態(tài)，群樁的沉降將是非常大的。計算群樁的沉降常常用群座方法。如果基礎(chǔ)底部不是很深的話，群樁可以簡化為一個等效的塊狀伸展的底座基礎(chǔ)。根據(jù)群樁周邊的樁，可繪出等效底座的平面面積。對于柱樁或摩擦樁，其底座底面的假設(shè)是不同的。對于柱樁，底座底面位于樁尖附近；對于摩擦樁，底座底面位于樁尖以上全部埋入長度的1/3處。在群樁設(shè)計中，常常把等效沉降作為一個重要的參數(shù)。

2.2 群樁橫向承載力與撓度分析

在橫向荷載作用下，群樁的性能是不明確的。根據(jù)上節(jié)的介紹，群樁橫向彎矩承載力大于群樁的全部單樁橫向彎矩承載力之和，因為通過樁帽作用，這些樁的軸向抗力形成耦合作用。然而，由于樁之間的相互作用，群樁抵抗橫向荷載的承載力，通常小于單樁獨自抵抗橫向荷載的承載力之和。在橫向荷載作用下分析群樁的綜合且切實可行的方法。應(yīng)用有限差分法模擬基礎(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)性能。通過剛性樁帽，樁與樁連接。根據(jù)所有樁的軸向和橫向形變，建立力和彎矩的平衡。用一系列固定的、非線性的軸向和橫向彈簧表示土反力。

3 抗震設(shè)計分析

橋梁深基礎(chǔ)的抗震設(shè)計是一個重要的問題。設(shè)計方法隨不同的基礎(chǔ)類型而重點有所不同。橋梁深基礎(chǔ)的最普通的類型是群樁，它包括沉人樁和現(xiàn)澆鉆孔樁，群樁抗震設(shè)計至少要滿足下面的目標(biāo)：（1）在橫向抗震荷載作用下，求出基礎(chǔ)的承載力和撓度；（2）通過對整體橋梁結(jié)構(gòu)的動力分析提供基礎(chǔ)剛度參數(shù)；（3）抵抗液化作用，以及傾斜和搖晃等地面運動，確保群樁的完整性。

3.1 群樁抗震橫向承載力設(shè)計

抗震橫向承載力設(shè)計首先根據(jù)基礎(chǔ)平面以上的許多附屬橋梁結(jié)構(gòu)，估計上部結(jié)構(gòu)的抗震橫向力與抗震彎矩、重心位置的加速度和地面加速度強度。此外，施加在樁帽上的抗震力和彎矩如同靜力作用，檢算每個樁的撓度和最大應(yīng)力，并與容許設(shè)計值比較。由于抗震力是瞬變的自然現(xiàn)象，所以，抗震荷載抗力需要的安全系數(shù)小于靜載的。規(guī)定抗震承載力比靜態(tài)承載力高出33%值得注意的是，在本質(zhì)上，以上方法是假靜態(tài)的。通過忽略樁帽的性能，僅研究上部結(jié)構(gòu)的抗震力和抗震動作用。根據(jù)群樁對靜態(tài)橫向荷載的響應(yīng)，在整個抗震期間，群樁的響應(yīng)是不同的。當(dāng)抗震波經(jīng)過土層時，會引起土層橫向運動，因為受力，樁隨著周圍的介質(zhì)運動。除極短的樁以外，在任意彎矩作用下，樁帽和樁尖可在不同的方向運動。這種運動導(dǎo)致樁的彎矩和應(yīng)力增大。根據(jù)抗震動的強度和土層特征，對于樁的結(jié)構(gòu)完整性，這種作用比來自上部結(jié)構(gòu)的橫向荷載更加危險。大量現(xiàn)場測量及震后調(diào)查均證明了樁的最大響應(yīng)取決于抗震的地面運動。最危險的情況是，土的縱斷面由模量較其他層大的剛性層夾著軟弱層組成。在這種情況下，靠近軟弱層與堅硬層界面的樁截面的局部抗震彎矩應(yīng)力，幾乎高出由來自上部結(jié)構(gòu)的橫向抗震荷載引起的彎矩應(yīng)力。如果現(xiàn)場調(diào)查顯示的地下土縱斷面是這種類型，橋梁會有大的危險，至少用一個易于建立土與樁體系的動力耦合模型的高級計算機程序進行全面的動力分析。

3.2 求解群樁彈性常數(shù)

橋梁抗震設(shè)計的一個重要的觀點是，通過動力分析求解橋梁結(jié)構(gòu)的抗震力和彎矩的大小及分布狀態(tài)。為了達到這個目的，必須用一個適當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ蛠硌芯繕蛄旱幕A(chǔ)特性。在目前的工程設(shè)計中，在分析模型中，把樁基礎(chǔ)的力—位移關(guān)系簡化為一個剛度矩陣，或一組可移動和轉(zhuǎn)動的彈簧。彈簧特性取決于群樁里各樁端的剛度和樁的幾何形狀。根據(jù)樁外形尺寸和土縱斷面，單樁端部的豎向或橫向剛度。通過計算樁端對應(yīng)單位力的位移，求出這些值。對于許多橋梁基礎(chǔ)假設(shè)樁帽是剛性的。

3.3 抵抗土液化樁基設(shè)計分析

在地震過程中疏松土層產(chǎn)生的液化作用對群樁基礎(chǔ)造成很大的危險，在地震期間，土的液化作用對群樁和上部結(jié)構(gòu)的性能是有影響的?？拐饛姸群涂梢夯氖杷赏翆拥南嚓P(guān)位置對引起液化作用有重要意義。如果疏松層靠近地表面，以及抗震強度適中，疏松層液化作用的主要效應(yīng)是提高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本周期，引起群樁和上部結(jié)構(gòu)的重要的橫向位移。對于高強度抗震，特別是堅硬土層中間夾著疏松層，疏松層的液化作用常常會導(dǎo)致樁產(chǎn)生裂紋和斷裂，以及基礎(chǔ)完全失去承載力，這樣，上部結(jié)構(gòu)就會破壞。

4 結(jié)束語

4.1 壓實疏松的、可液化的土層

如果疏松層大部分是砂，用石柱通?？傻玫綕M意的效果。其他的研究，包括：射流灌漿，深土與水泥灌漿介質(zhì)拌和，以及在現(xiàn)場可以采用各種振動壓實的方法?？拷乇砣绻幸夯赡艿耐翆樱袝r候，采用全部開挖，用夯實的工程回填土替換也是可行的。

4.2 從周圍的土層隔離群樁

通常的做法是安裝一些單獨的結(jié)構(gòu)類型，例如套裝、隔墻、土一拌合樁等，環(huán)繞著基礎(chǔ)構(gòu)成一個圍墻。本質(zhì)上，這種處理方法在樁的周圍形成一個大型的砌體，同時增大樁的橫向剛度和對剪切變形的抵抗力，以及限制樁周圍的土的橫向位移。在同一基礎(chǔ)上，增加樁的數(shù)目和增大輪廓尺寸，由此，抵抗液化土層產(chǎn)生的力的橫向抗力增大了。

參考文獻

[1]王向余，王成華，李紹飛.關(guān)于實體深基礎(chǔ)法計算群樁承載力的探討[J].港工技術(shù)，2003，（04）：42 45.

[2]王志華，陳國興，劉漢龍.隨機地震激勵下群樁-土-橋墩相互作用分析[J].工程抗震與加固改造，2005，（S1）：139 143.

[3]孫曉立，楊敏.抗拔群樁承載力的簡化計算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，（S1）：257 262.

[4]周淑芬，匡虹橋.黏土中超長群樁豎向承載力模型試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2009，（09）：1472 1475.

[5]張繼寶.液化場地群樁地震響應(yīng)的三維數(shù)值分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[6]楊晶.考慮樁土相互作用高橋墩群樁基礎(chǔ)動力特性研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2010.

[7]蘇彩麗.剛性樁復(fù)合地基抗震性能研究[D].開封：河南大學(xué)，2010.

[8]林基聰.液化場地橋梁群樁基礎(chǔ)抗震簡化分析方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[9]李青華.液化場地群樁—土動力相互作用振動臺試驗及數(shù)值模擬方法[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[10]王曉偉，葉愛君.中日橋梁抗震設(shè)計規(guī)范中群樁基礎(chǔ)設(shè)計的比較研究[J].城市道橋與防洪，2012，（11）：125 129，31.

[11]張永亮.鐵路橋梁樁基礎(chǔ)抗震設(shè)計方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013.

[12]包涵.高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)抗震性能研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[13]李海龍.群樁承載性狀的評估與數(shù)值模擬研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[14]王志.強震下深水橋梁群樁基礎(chǔ)的動力響應(yīng)及非線性損傷特性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[15]康正炎，吳保樺，張尚根.砂土中抗拔群樁承載力的分析與計算[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，（02）：121 125.