谷復(fù)光,王 卓

吉林建筑大學(xué) 測繪與勘查工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

進入21世紀以來,伴隨我國城鎮(zhèn)化水平迅速提升,建筑行業(yè)的快速發(fā)展,基礎(chǔ)工程也發(fā)展迅速.其中,樁基礎(chǔ)在軟土地基、道路橋梁、高層建筑中發(fā)揮了重要的作用.在實際工程中,邊荷載的存在會對樁基礎(chǔ)以及上部建筑產(chǎn)生不利影響,會降低樁基的承載力,有可能使建筑發(fā)生不均勻沉降,出現(xiàn)墻體裂縫、道路塌陷、橋梁偏移等嚴重后果.

針對邊載下群樁負摩阻力的問題已有諸多學(xué)者對其進行了研究.邢博然等[1]人對堆載作用下的群樁側(cè)摩阻力情況以及中性點位置變化進行了研究;范孟華等[2]人發(fā)現(xiàn)堆載變化導(dǎo)致樁身軸力的變化規(guī)律,樁身上部出現(xiàn)負摩阻力,下部出現(xiàn)的正摩阻力也隨之變大;王鳴宇[3]重點研究了橋梁基礎(chǔ)中樁基的應(yīng)用以及樁基側(cè)摩阻力的分布與變化趨勢,在樁徑改變的前提下側(cè)摩阻力的變化情況;范孟華等[4]人使用模擬軟件對邊載下樁基的側(cè)摩阻力、樁身軸力的變化趨勢及中性點位置的變化進行了研究;馮彪[5]研究了在不改變樁周土與上部荷載的情況下,改變施工順序?qū)痘两档挠绊懸约皹痘撃ψ枇Φ淖兓闆r;周為[6]研究了在新近填土中樁身負摩阻力的變化情況;王軍等[7-8]人研究了堆載下樁身受力的變化情況,單樁情況下堆載會降低樁基承載力;馬學(xué)寧等[9-10]人重點研究了圍載作用下樁身軸力、側(cè)摩阻力的變化情況以及中性點位置的變化規(guī)律,研究了施工過程中樁載、堆載施加順序不同對樁基承載力產(chǎn)生的影響.

現(xiàn)階段對單樁基礎(chǔ)的研究已較為成熟,但對于應(yīng)用較為廣泛的群樁基礎(chǔ)研究尤其是群樁中的中樁、邊樁、角樁等不同位置樁的負摩阻力研究還有待深入;對堆載作用下樁基負摩阻力變化的研究已經(jīng)比較充分,但對邊載狀況下樁基負摩阻力的變化還有待研究.其中,由樁-土相對位移引起的負摩阻力問題,采用有限元軟件可以直接對實際情況進行研究.ABAQUS是一款功能強大的模擬軟件,能模擬材料性能并分析土體變形、位移、應(yīng)力變化等問題.基于此模擬軟件,本文擬對在不同邊載等級、樁間距等條件下群樁負摩阻力的變化進行研究.

1 群樁效應(yīng)作用機理

群樁效應(yīng)就是指群樁基礎(chǔ)承受一定豎向荷載后,由于受到承臺、樁、土的相互作用影響,使其樁側(cè)阻力、樁端摩擦力、沉降量等特征發(fā)生變化并與單樁有明顯差異,承載力通常不小于相同數(shù)量單樁承載力之和.

群樁效應(yīng)受到土承受的荷載、樁距、樁數(shù)、樁身的長徑比、樁高與基礎(chǔ)承面寬度比、成樁形式和排列方法等多種因素的綜合作用影響.當(dāng)群樁間距處在合理范圍時,相同數(shù)量單樁總負摩阻力明顯大于群樁下的負摩阻力,原因是群樁效應(yīng)此時在起作用,導(dǎo)致群樁的負摩阻力減小.群樁效應(yīng)系數(shù)計算公式如下:

(1)

式中,η為群樁效應(yīng)系數(shù);Fn為單樁下拉荷載,kPa;n為組成群樁的基樁個數(shù);Fni為群樁樁基的下拉荷載,kPa.

負摩阻力的群樁效應(yīng)系數(shù)能夠反應(yīng)出每根樁負摩阻力變化情況,但是樁在基礎(chǔ)中的位置變化也會影響到負摩阻力的變化,例如中樁、邊樁、角樁等不同位置樁受到的負摩阻力亦不同.為了更準(zhǔn)確表達每個位置樁負摩阻力變化情況,特采用負摩阻力遮擋系數(shù)來表示,公式如下:

(2)

式中,Fr為負摩阻力遮擋系數(shù);Fng為群樁條件下的基樁受到的下拉荷載,kPa;Fns為獨立樁基作用時受到的下拉荷載,kPa.其中,Fr的大小反應(yīng)了遮擋效應(yīng)的強弱.當(dāng)Fr越大時,遮擋效應(yīng)發(fā)揮越好,各樁的負摩阻力變小,群樁效應(yīng)也就越強.

2 邊載下群樁模型的建立

建立群樁模型(如圖1所示),模型為3×3群樁基礎(chǔ),可以分析不同參數(shù)條件下的樁基負摩阻力.

圖1 群樁平面布置圖

模型為混凝土樁,樁長設(shè)置為20 m,群樁直徑為0.5 m,樁側(cè)土體水平長度和寬度均設(shè)置為60 m,深度沿z軸設(shè)置為40 m,混凝土采用C30,樁身混凝土模型參數(shù)見表1,樁周土體模型參數(shù)見表2.

表1 樁身混凝土模型參數(shù)

表2 樁周土體模型參數(shù)

土體模型采取摩爾-庫侖模型,樁體采用彈性模型,樁土之間的接觸面選取面與面接觸,設(shè)置剛度較大的樁側(cè),樁底為主表面,從屬面定位剛度較小的土表面,法向接觸設(shè)置為硬接觸,樁土之間的摩擦系數(shù)取0.3,其中土體的水平方向選擇法向約束,土底設(shè)置全約束,在群樁的外側(cè)施加邊荷載,如圖2,圖3所示.

3 邊載作用下群樁負摩阻力的數(shù)值模擬分析

3.1 邊載作用下樁身軸力變化情況

對該模型進行模擬計算,除邊載等級外,其它參數(shù)如樁間距、樁長、樁徑、摩擦系數(shù)等均保持不變,當(dāng)邊載等級采用30 kPa,60 kPa,90 kPa,120 kPa時,不同位置樁的樁身軸力變化如圖4所示.隨著邊載等級的增加,負摩阻力不斷增大,樁身軸力出現(xiàn)增大趨勢,且是從柱頂向下逐漸增大,當(dāng)達到中性點位置以后,樁身軸力達到峰值,再往下由于樁側(cè)產(chǎn)生正摩阻力,樁身軸力隨著深度增加出現(xiàn)遞減的趨勢,當(dāng)?shù)竭_中性點以下時樁身軸力降低明顯,因為此時正摩阻力不斷變大.

(a) 邊載30 kPa

從圖4中還能看出,當(dāng)邊載等級加大時,中性點出現(xiàn)下降的趨勢,兩者密切相關(guān),且中性點的深度不僅與邊載等級有關(guān),還與樁周土的性質(zhì)、土層情況、樁的自身材料等因素有關(guān).

在邊載相同的前提下分析各個位置樁的軸力變化情況.首先角樁的軸力是最大的,因為其最先受到邊載的影響,分擔(dān)的土載最大,且群樁效應(yīng)的效果與其他位置的樁基相比較差,所以導(dǎo)致其樁身軸力較大;其次是邊樁,與角樁一樣因為直接受到邊載的影響,邊樁的軸力也較大,但是群樁效應(yīng)的效果略優(yōu)于角樁,這點在計算群樁的負摩阻力效應(yīng)系數(shù)和遮擋效應(yīng)系數(shù)中有所體現(xiàn);最后是中樁,由于邊載引起的土載被邊樁、角樁承擔(dān)較多,中樁周圍的土體沉降更小,群樁效應(yīng)得以最大程度發(fā)揮,故中樁的軸力與邊樁和角樁相比小很多.

3.2 下拉荷載與群樁效應(yīng)系數(shù)、遮擋系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)負摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)計算式(1)和遮擋系數(shù)計算式(2),求得群樁效應(yīng)系數(shù)和遮擋系數(shù),可以用來分析邊載條件下各位置樁基下拉荷載的變化和群樁效應(yīng)的關(guān)系,也可以看出邊載等級改變時群樁效應(yīng)的強弱變化,其結(jié)果見表3.

表3 樁基下拉荷載、群樁效應(yīng)系數(shù)及遮擋系數(shù)

由表3可以看出,在邊載等級不斷增大的前提下,邊載作用下的群樁效應(yīng)系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢,說明此時單樁的下拉荷載相對于群樁增加的更多.此時,受到群樁效應(yīng)的影響,群樁的負摩阻力變低.在相同邊載條件下,群樁遮擋效應(yīng)系數(shù)呈現(xiàn)中樁>邊樁>角樁的趨勢,中樁的遮擋系數(shù)最大,遮擋效果最好,承受的負摩阻力最小.當(dāng)邊載增大時,遮擋效應(yīng)系數(shù)也呈現(xiàn)增大的趨勢,代表群樁效應(yīng)也在不斷增強.隨著邊載等級的增加,角樁與邊樁的下拉荷載增長率接近,且大于中樁,說明增加邊載對內(nèi)側(cè)樁基的負摩阻力影響較小,對外側(cè)樁基的影響較大.

3.3 不同樁間距對群樁負摩阻力的影響

為考慮樁間距改變的情況下對樁基負摩阻力的影響,在模擬軟件中設(shè)置固定90 kPa的邊載等級,樁徑、樁長、樁身材料等參數(shù)不變,設(shè)置2d,3d,4d,5d(d為樁身直徑)的樁間距,觀察不同樁間距下樁身軸力的變化情況,統(tǒng)計各個位置樁的下拉荷載,通過式(1)、式(2)求出負摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)和群樁遮擋系數(shù),分析各樁負摩阻力變化情況,見表4.

表4 樁基下拉荷載、群樁效應(yīng)系數(shù)及遮擋系數(shù)

由表4可以看出,當(dāng)樁間距不同時,各樁下拉荷載產(chǎn)生了顯著的變化,中樁的下拉荷載從2倍樁間距時的403.6 kPa增加到5倍樁間距時的505.9 kPa,增加了102.3 kPa,反觀此時的邊樁和角樁,下拉荷載分別增加了412.1 kPa,379.9 kPa,增加幅度遠超中樁,角樁的下拉荷載依然保持最大.此時群樁效應(yīng)系數(shù)漲幅明顯,從2倍樁間距時的0.518增大到5倍樁間距時的0.788,其隨著樁間距的增大而增大,同時群樁樁基的下拉荷載也明顯上升,而負摩阻力遮擋系數(shù)則隨樁間距增大出現(xiàn)減弱態(tài)勢,對于單樁時的下拉荷載降低的程度較小,這是因為樁間距增加導(dǎo)致的群樁效應(yīng)減弱.

4 結(jié)論

本文利用ABAQUS軟件模擬分析了在邊載作用下群樁基礎(chǔ)中樁基負摩阻力的變化情況,通過計算負摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)得到各參數(shù)變化下群樁效應(yīng)的強弱變化情況,由此得出以下結(jié)論:

(1) 與常見的堆載問題不同,當(dāng)邊載增大時,群樁效應(yīng)系數(shù)不斷減小,說明此時群樁效應(yīng)發(fā)揮更好;群樁遮擋系數(shù)在增大,說明此時群樁的遮擋效果更好.在相同邊載下,遮擋效應(yīng)系數(shù)中樁>邊樁>角樁,說明中樁受遮擋效果最好,樁身的負摩阻力最小.

(2) 當(dāng)群樁的樁間距增大時,各位置樁的下拉荷載均呈增大趨勢,中樁、邊樁、角樁等不同位置樁的群樁遮擋效應(yīng)系數(shù)都在減小,群樁的遮擋效果變差,各樁承受的負摩阻力變大,群樁效應(yīng)明顯降低.