桩端土层性质不同对超长群桩及影响分析.doc

桩端土层性质不同对超长群桩的影响分析宋阮1 余昆1 付军21中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司 湖北 武汉（Bridge Science Research Institute Ltd.,China Zhongtie Major Bridge Engineering Group,Wuhan 430034）；2武汉理工大学交通学院 湖北 武汉（School of Transportation,WUT,Wuhan 430063） Research of effects on super-long group piles foundation by different characters of several soil layers摘要：超长桩的承载变形机理与普通短桩不同，其设计存在理论与实际之间的矛盾。本文通过运用有限差分软件对不同桩端土层情况进行数值计算，得出了超长群桩桩侧阻力、桩端阻力与沉降的关系，初步探讨了桩端土层不同对超长群桩效应的影响。关键词：超长群桩；群桩效应；桩端土层；有限差分Abstract: there are differences for mechanisms of bearing forces and distortions between super long piles and common short piles, designs of super long piles contain contradictions between theory and practice. Using the software of finite difference FLAC3D in this paper, relations of resistances at sides of piles, resistances at bottoms of piles and settlements for super long group piles are obtained. Then comparing results of super long single pile and super long group piles, group effects of super long piles are preliminarily discussed.Key words: super long group piles; group effect of piles; super long single pile; finite difference普通桩根据桩端和桩侧土分担的桩顶荷载比例，可以分为端承桩、摩擦端承桩、端承摩擦桩和摩擦桩几种形式。对端承型群桩而言，承台将桩顶荷载分配给各桩，而各桩的荷载基本或全部由桩端承担。桩端的持力层一般比较刚硬，各桩的贯入变形很小，承台土反力也很小。同时，通过桩侧阻力传递到土层中的应力也很小，其工作状态与独立单桩基本相近。摩擦型群桩则是承台分配给各桩的荷载基本或全部由桩侧土摩阻力分担。摩擦端承桩介于二者之间。但对于超长群桩而言，桩土位移比较大，即使桩端土层很刚硬，桩侧摩阻力也不可忽视，不能将其简单地分为摩擦型或端承型13。另外，在竖向荷载的作用下，不仅桩直接承受荷载，而且在一定的条件下桩间土也可能通过承台底面参与承载；同时各基桩之间通过桩间土产生相互影响；来自桩和承台的竖向力最终在桩端平面形成了应力叠加，从而使桩端平面的应力水平大大的超过单桩，应力扩散的范围也远大于单桩。超长桩由于桩侧摩阻力和桩端摩阻力不是同时发挥，而要桩端的承载力充分发挥就需要相当大的桩顶位移，可能导致上部结构对沉降的要求不能满足36。本章采用数值计算方法，分析桩端土性质不同情况下，对高低承台群桩基础的承载性状的影响，并考虑承台-桩-土共同作用，为合理设计桩基承台提供理论依据。1 数值建模桩端土层分别取黏土、砂土和圆砾进行对比计算（如表1）。土体模型尺寸为110m110m115m。超长桩桩长90m，桩直径1.5m。桩混凝土材料的弹性模量为3.0107kPa，泊松比取0.2，群桩基础由9根基桩组成。承台尺寸为10.0m10.0m2.0m，材料和桩基础的一致。在承台表面作用0.488kPa的均布力。针对不同土层，分别取承台下表面在土表面下2.0m的低承台和土表面上2.0m的高承台两种情况进行分析。表1 桩端不同土层参数土层名称层厚（m）标高（m）重度（kN/m3）粘聚力（kPa）摩擦角（度）体积模量（kPa）剪切模量（kPa）泊松比淤泥21-5516.519.916.733546690.42淤泥质黏土18-7317.321.018.735918250.39黏土34-3417.720.018.9334411150.35粉质黏土17-9018.116.918.1429019810.3黏土（桩底）25-11518.116.912.1409217800.3砂土（桩底）25-11522.019.018.0500030000.25圆砾（桩底）25-11521.00.036.01424073440.282 不同桩端土层对低承台的影响 取承台底低于土体表面2.0m的低承台，桩端土层分别为黏土、砂土和圆砾进行计算，结果如图1图6。 （a）角桩轴力对比图 （b）边桩轴力对比图（c）中心桩轴力对比图图1 群桩轴力对比图 （a）桩端为黏土各桩轴力对比图（b）桩端为砂土各桩轴力对比图（c）桩端为圆砾各桩轴力对比图图2 不同桩端土层桩基各桩轴力对比图由图1和图2可看出，当桩端为砂土和圆砾时，角桩和边桩桩顶附近的轴力有先减小后增大的过程。桩端为圆砾时，各基桩轴力曲线最陡，在靠近桩端位置处有突变，表明桩底分担的荷载最大。这是因为本算例中，土层上部为淤泥，剪切模量非常低，桩侧摩阻力很小。当承台和桩受压沉降，桩端为黏土时，桩底支撑很小，桩端土被压缩，桩和淤泥一起下沉；而桩端为砂土和圆砾时，桩底的支撑要大得多，桩端土的沉降很小，淤泥在受力相同的情况下，下沉比桩大，在桩侧就产生了负摩阻力。从图1和图2还可看出，桩端为黏土、砂和圆砾时，角桩分别承受平均桩顶荷载的179、167和134；边桩承受平均桩顶荷载的92、97和100；中心桩则承受平均桩顶荷载的29、36和67，表明桩端土层越坚硬，桩顶轴力在各基桩的分配越均匀。 （a）角桩位移对比图（b）边桩位移对比图（c）中心桩位移对比图图3 群桩位移对比图 （a）桩端为黏土各桩桩身位移对比图 （b）桩端为砂土各桩桩身位移对比图（c）桩端为圆砾各桩桩身位移对比图图4 不同桩端土层桩基各桩桩身位移对比图由图3可以看出，角桩、边桩和中心桩的位移，都是桩端为圆砾最小，砂土其次，黏土最大。因此，桩基应尽量进入持力层好的土层。图4中，桩端为黏土的桩基，桩顶未出现差异沉降。而桩端为砂土时桩顶差异沉降为0.5mm，桩端为圆砾时差异沉降为0.64mm，即桩端持力层越好，差异沉降越大。各种桩端土层情况下，均为角桩桩顶位移最大，中心桩最小。沿桩身向下，各桩桩身位移出现分离，都是角桩桩身位移最小，边桩其次，中心桩最大78。3 不同桩端土层对高承台的影响取承台底标高于土体表面2.0m，桩端土层分别为黏土、砂土和圆砾进行计算，结果如图5图8。 （a）角桩轴力对比图 （b）边桩轴力对比图（c）中心桩轴力对比图图5 群桩轴力对比图 （a）桩端为黏土各桩桩身轴力对比图 （b）桩端为砂土各桩桩身轴力对比图（c）桩端为圆砾各桩桩身轴力对比图图6 不同桩端土层桩基各桩桩身轴力对比图由图5可以看出，桩端为圆砾时边桩和中心桩的桩顶轴力最大，但角桩的桩顶轴力三种桩端土层很接近，桩端为圆砾的角桩桩顶轴力要比桩端为黏土和砂土的略小。桩端为黏土、砂和圆砾时，角桩分别承受平均桩顶荷载的177、169和158；边桩承受平均桩顶荷载的92、94和97；中心桩则承受平均桩顶荷载的31、37和45，表明桩端土层越坚硬，桩顶轴力在各基桩的分配越均匀。图6表明，不同桩端土的桩基，都是角桩桩顶轴力最大，中心桩最小。将图5、图6和低承台的图1、图2对比可以看出，高承台各桩的桩顶附近均未出现负摩阻力。这是因为高承台不与土接触，不存在台底土也受压的现象。（a）角桩位移对比图 （b）边桩位移对比图（c）中心桩位移对比图图7 群桩位移对比图（a）桩端为黏土各桩桩身位移对比图 （b）桩端为砂土各桩桩身位移对比图（c）桩端为圆砾各桩桩身位移对比图图8 不同桩端土层桩基各桩桩身位移对比图由图7可以看出，桩端土层为黏土桩身位移最大，砂土其次，圆砾最小。表明桩端岩土层越软弱，桩顶位移越大。图8表明，不同桩端土层，桩顶部位均有微小差异沉降。沿桩身向下，各桩桩身位移出现分离，都是角桩桩身位移最小，边桩其次，中心桩最大。这是因为深度增加，桩侧土体作用加大，承台的作用减弱。中心桩桩侧土受应力叠加的影响最大，变形最大；而角桩桩侧土受应力叠加影响最小，变形最小。因此角桩轴力最大但变形最小，而中心桩受力最小但变形最大。4 结语由以上低承台和高承台群桩的计算结果可以得出以下结论：（1）桩端为圆砾时，各基桩轴力曲线最陡，在靠近桩端突变，表明桩底分担的荷载最大。低承台桩基，当桩端为砂土和圆砾时，角桩和边桩的桩顶附近轴力先减小后增大，出现了负摩阻力。高承台桩基则在桩顶附近没有产生负摩阻力。（2）无论低承台桩基，还是高承台桩基，不同桩端土，都是角桩桩顶轴力最大，中心桩最小。（3）无论低承台桩基，还是高承台桩基，角桩和边桩在桩端附近，都是桩端圆砾端阻力最大，黏土次之，砂土最小。（4）无论是高承台还是低承台桩基，都是桩端岩土层越刚硬，各桩桩顶和桩基整体位移越小。因此，基桩应尽可能到达坚硬土层。（5）低承台桩基，桩端为黏土，各桩桩顶无差异沉降。而桩端为砂土和圆砾则有差异沉降，桩端持力层越好，差异沉降越大；高承台桩基，不同桩端土层，桩顶部位均有微小差异沉降9。沿桩身向下，各桩桩身位移出现分离，都是角桩桩身位移最小，边桩其次，中心桩最大。差异沉降中，都是角桩桩顶位移最大，中心桩最小。参考文献1铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.52005）. 北京：中国铁道出版社，2005.2中国建筑科学研究院. 建筑桩基技术规范（JGJ942008）. 北京：中国建筑工业出版社，2008.3方鹏飞. 超长桩承载性状研究. 浙江大学博士论文，2003.4魏峰先，王健，冯俊福等. 大直径超长灌注桩受力机理的探讨. 浙江建筑，2006，23（6）：3841.5邓友生，龚维明，李卓球. 超长大直径群桩荷载传递特性研究.