朱育平 王文波 程 毅 李 剛 廖海權(quán)

（中建八局第二建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，各類建筑物對基礎(chǔ)的要求越來越高。由于群樁基礎(chǔ)承載力高和變形小的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程建設(shè)中。目前，關(guān)于群樁基礎(chǔ)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(yàn)和數(shù)值模擬研究了群樁變形特性。結(jié)果表明，群樁的沉降隨樁心距增加而增大，當(dāng)樁心距大于5 倍直徑時(shí)，沉降增加不再顯著，當(dāng)長徑比為20~30 時(shí)，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(tái)相互作用。結(jié)果表明，當(dāng)豎向荷載大于一般的群樁極限承載力時(shí)，群樁對樁間土的夾持作用減少，側(cè)壁摩阻力增大。為了安全，通?？刹捎萌簶冻两颠_(dá)到5%倍樁徑時(shí)的荷載作為群樁的豎向極限承載力。

該文采用數(shù)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(shù)對群樁承載力及變形的影響。研究結(jié)果可為群樁工程設(shè)計(jì)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(qū)南寧市興寧區(qū)、賓陽縣境內(nèi)，項(xiàng)目起于南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)，接已建成南寧市昆侖大道南寧至五塘段，往東，沿現(xiàn)有國道 G322 布設(shè)至昆侖鎮(zhèn)，折向東北經(jīng)賓陽縣高田、河田，從賓陽縣城規(guī)劃區(qū)南面繞行至大橋鎮(zhèn)接回國道 G358，隨后往東沿 G358 布設(shè)，經(jīng)王靈鎮(zhèn)、黎塘鎮(zhèn)，終于南寧市與貴港市界。路線全長89.135 km，共設(shè)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(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)。

2 模型建立

2.1 有限元模型建立

跨河段設(shè)置橋梁跨越，其中徒駭河特大橋下部基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)。采用FLAC 進(jìn)行建模，其中土體為典型的粉質(zhì)黏土。群樁模型是由9 根低承臺(tái)樁組成的。樁徑為0.4m，樁長均為10m，樁間距為3 倍樁徑，承臺(tái)尺寸為3.6m×3.6m。建立的數(shù)值分析模型如圖1 所示。樁基礎(chǔ)加載方式采用分級加載。土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，樁基礎(chǔ)采用線彈性本構(gòu)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(jì)算中樁的轉(zhuǎn)動(dòng)位移也進(jìn)行約束。

圖1 數(shù)值模型示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

數(shù)值計(jì)算中將承臺(tái)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(wǎng)格尺寸為0.1 m，網(wǎng)格數(shù)共3522 個(gè)。在數(shù)值計(jì)算中，具體的地基以及樁基礎(chǔ)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 長細(xì)比對承載力和變形的影響

計(jì)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(dāng)荷載達(dá)到15MN 時(shí)，對應(yīng)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(xì)比對樁的承載力影響如圖3 所示。樁的長細(xì)比對樁的承載力影響較大。曲線平緩程度隨樁長細(xì)比增大而增大。當(dāng)荷載等于6MN 時(shí)，不同長細(xì)比對應(yīng)的樁頂沉降分別為10mm、11mm、20mm 和38mm。由此可見，當(dāng)樁的長度或者長細(xì)比增大到一定程度時(shí)，側(cè)壁摩阻力更多的部分將傳遞到地基中，導(dǎo)致樁的承載力增大，沉降減少。此時(shí)，如果繼續(xù)增大荷載，可能發(fā)生刺入破壞。隨著長細(xì)比增大，樁逐漸由端承型向摩擦型轉(zhuǎn)變。當(dāng)長細(xì)比達(dá)到40時(shí)，樁的承載力完全由摩擦力提供。

圖3 長細(xì)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?shù)某两盗侩S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(dāng)樁間距從2d增至6d時(shí)，Q-S曲線變得越來越平緩。當(dāng)樁間距為2d時(shí)，Q-S曲線的斜率最大。當(dāng)樁間距減少時(shí)，群樁效應(yīng)明顯，樁土界面滑移量較小，樁的沉降主要表現(xiàn)在樁端土的整體壓縮變形。當(dāng)樁間距增大時(shí)，曲線趨于平緩，證明樁間土的壓縮占主要因素。群樁效應(yīng)減少，基樁可以充分發(fā)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(shí)際工程中，合適的樁徑比是充分發(fā)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(qiáng)度對承載力的影響

樁端土壓縮強(qiáng)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(shí)，相同的沉降量下樁的承載力較大。當(dāng)不考慮樁端土強(qiáng)度時(shí)，Q-S曲線表現(xiàn)出陡降型曲線。當(dāng)樁端土強(qiáng)度達(dá)到8 MPa和10 MPa 時(shí)，Q-S曲線變的比較緩和，相應(yīng)的承載力也大幅提高，沉降量減少。當(dāng)不考慮樁端土的壓強(qiáng)時(shí)，在不同荷載級別下，對應(yīng)的沉降分別為10 mm、23 mm、48 mm 和96 mm，當(dāng)樁端土強(qiáng)度到10 MPa 時(shí)，對應(yīng)的沉降值為6 mm、10 mm、13 mm 和17 mm。因此在實(shí)際工程中，考慮樁端土強(qiáng)度的影響，應(yīng)盡可能地將土質(zhì)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(jìn)行加固。

圖5 樁端土壓縮強(qiáng)度對承載力的影響

3.4 承臺(tái)剛度對承載力的影響

圖6 為承臺(tái)剛度對樁承載力的影響。結(jié)果表明，隨著承臺(tái)剛度的增大，Q-S曲線由陡變緩，在相同的荷載時(shí)，承臺(tái)剛度越大，樁頂位移越小。這是因?yàn)槌信_(tái)可以承擔(dān)一部分荷載。當(dāng)承臺(tái)剛度為15 G 時(shí)，在不同荷載級別下對應(yīng)的沉降值分別為11 mm、20 mm、40 mm 和65 mm。當(dāng)承臺(tái)剛度為25G 時(shí)，在不同荷載級別下對應(yīng)的沉降值分別為7mm、15mm、33mm 和69mm。當(dāng)承臺(tái)剛度為35G 時(shí)，在不同荷載級別下對應(yīng)的沉降值分別為6mm、13mm、27mm 和55mm。當(dāng)承臺(tái)剛度為100G 時(shí)，在不同荷載級別下對應(yīng)的沉降值分別為4mm、8mm、20mm 和40mm。此外，當(dāng)承臺(tái)剛度增大到一定程度時(shí)，樁的承載力基本保持不變。實(shí)際工程中，盲目增大承臺(tái)剛度會(huì)導(dǎo)致材料浪費(fèi)。

圖6 承臺(tái)剛度對承載力的影響

3.5 承臺(tái)布置方式對承載力的影響

承臺(tái)的布置方式對樁的承載力有一定的影響。對低承臺(tái)來說，在不同的荷載級別下，對應(yīng)的沉降分別為11mm、30mm 和62mm。而對高承臺(tái)而言，對應(yīng)的沉降分別為19mm、46mm 和88mm。這是由于，對高承臺(tái)來說，由于承臺(tái)和樁土之間分離，承臺(tái)不承受豎向荷載，因此對應(yīng)的Q-S曲線比較陡，對低承臺(tái)來說，由于承臺(tái)和土出現(xiàn)接觸，承臺(tái)會(huì)分擔(dān)部分外荷載，因此樁的承載力主要由樁側(cè)摩阻力和端阻力共同組成。承臺(tái)分擔(dān)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(dāng)彈性模量增大到一定程度時(shí)，樁的彈性模量改變對承載力和沉降的影響越來越小。當(dāng)樁的彈性模量為15GPa，加載大小為12MN 時(shí)，對應(yīng)的沉降最大值為70mm，而當(dāng)樁的彈性模量為35GPa，加載大小為12MN 時(shí)，對應(yīng)的沉降最大值為64mm，兩者的相對誤差為8.5%。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)樁模量增大到一定程度時(shí)，樁身壓縮量減少，導(dǎo)致基礎(chǔ)的沉降主要是由承臺(tái)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(shí)際工程中，提高樁的強(qiáng)度或混凝土標(biāo)號主要是保證樁身強(qiáng)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(jié)論

該文基于FLAC 數(shù)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(shù)對群樁承載力及變形的影響，如長細(xì)比、樁間距、承臺(tái)剛度以及樁身強(qiáng)度等參數(shù)，得到以下4 個(gè)結(jié)論：1）樁的長細(xì)比對樁的承載力影響較大。當(dāng)樁的長度增大到一定程度時(shí)，側(cè)壁摩阻力更多的部分將傳遞到地基中，導(dǎo)致樁的承載力增大，沉降減少。隨著長細(xì)比的增大，樁逐漸由端承型向摩擦型轉(zhuǎn)變。當(dāng)長細(xì)比達(dá)到40 時(shí)，樁的承載力基本完全由摩擦力提供。2）當(dāng)樁間距減少時(shí)，群樁效應(yīng)明顯，樁土界面滑移量較小，樁的沉降主要表現(xiàn)在樁端土的整體壓縮變形。當(dāng)樁間距增大時(shí)，群樁效應(yīng)減少，群樁承載力近似等于單樁承載力之和。在實(shí)際工程中，合適的樁徑比是充分發(fā)揮群樁承載力的重要因素。3）承臺(tái)剛度越大，樁頂位移越小。當(dāng)承臺(tái)剛度增大到一定程度時(shí)，樁的承載力基本保持不變；與低承臺(tái)相比，高承臺(tái)由于承臺(tái)和樁土之間分離，承臺(tái)不承受豎向荷載，因此對應(yīng)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(dāng)彈性模量增大到一定程度時(shí)，樁的彈性模量對承載力和沉降的影響越來越小。