群樁水平承載特性數(shù)值模擬研究

宋修廣，岳紅亞，周志東，莊培芝，張宏博

(1．山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟南 250061;2．山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250061)

群樁水平承載特性數(shù)值模擬研究

宋修廣1，2，岳紅亞1，2，周志東1，2，莊培芝1，2，張宏博1，2

(1．山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟南 250061;2．山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250061)

針對目前群樁基礎(chǔ)水平承載特性研究落后于工程應(yīng)用的現(xiàn)狀，采用數(shù)值分析的方法研究了軟土地基管樁群樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下的承載特性。計算結(jié)果表明:群樁承受水平荷載時，承臺前土體壓縮變形范圍明顯小于承臺后受拉變形范圍;隨著樁間距的增加，群樁側(cè)向影響范圍逐漸減小，而深度影響范圍和樁頂位置處彎矩逐漸增大;相同水平荷載作用下前樁最大彎矩值明顯大于后樁，前排樁樁身剪力零點位置高于后樁;當樁距達到6～8倍樁徑時，群樁效應(yīng)明顯降低。

群樁 水平荷載 管樁 承載特性 影響范圍

軟土地基建筑物尤其是海洋平臺、輸電塔、岸防工程和大跨度橋梁等，水平荷載成為設(shè)計控制因素。軟土地基中建筑物的基礎(chǔ)一般采用樁基形式，除少數(shù)采用大直徑單樁基礎(chǔ)外，一般采用群樁基礎(chǔ)［1-4］。群樁基礎(chǔ)受樁—土—承臺的共同作用，在承受水平荷載時，土體會產(chǎn)生應(yīng)力和位移重疊區(qū)域，其水平承載特性較單樁復(fù)雜，群樁水平承載力并不等于各單樁承載力之和［5-6］。由于樁基屬于地下工程，現(xiàn)場試驗受限于試驗條件、環(huán)境、人為等因素的影響，往往只能得出群樁水平承載力水平，難以揭示土體和樁體工作機理，因此很多學(xué)者采用數(shù)值模擬的手段研究樁基受荷特性。

課題組在文獻［7］中通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值計算比較分析，確定了數(shù)值計算在管樁單樁水平計算中的合理性和適用性，并分析了管樁單樁水平承載特性的影響因素，明確了各因素的主次關(guān)系?；谏鲜鲅芯?，本文通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬的對比分析，明確了數(shù)值模擬在群樁水平承載性能研究中的適用性和合理性。并采用數(shù)值模擬的手段，主要針對群樁中樁體的樁身位移及彎矩分布情況進行對比分析，以初步揭示群樁中樁—土—承臺的荷載傳遞規(guī)律及協(xié)調(diào)變形特性，可為工程中群樁布置形式的優(yōu)化提供參考。

1 群樁水平承載特性驗證性分析

1.1 現(xiàn)場概況

試驗區(qū)域位于魯東地區(qū)黃河下游沖積平原，勘測揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)沖擊層(Q)，及第四系上更新統(tǒng)沖積層(Q)，巖性為粉土、粉質(zhì)黏土和粉砂，局部地段分布有少量人工填土。物理性能指標見表1。

預(yù)應(yīng)力管樁類別為AB樁，外徑為600 mm、壁厚130 mm，樁長為25 m，C80混凝土。群樁布置形式為1×2型，樁間距為4D。采用慢速維持荷載法，荷載等級為50 kN。由于試驗樁為工程樁，為避免本次試驗影響樁體以后工作性能，試驗控制水平位移為10 mm。

1.2 數(shù)值計算模型的選取

采用有限差分程序FLAC3D進行計算分析，建立與試驗樁相同尺寸的計算模型。樁體和承臺采用彈性模型;土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，模型的長、寬、高分別為40，20和50 m;樁—土界面采用Interface命令，允許滑移和分離;用 FLAC3D軟件自帶 History命令對不同荷載作用下樁身水平位移進行跟蹤監(jiān)測［8-9］。

1.3 試驗結(jié)果對比分析

受現(xiàn)場試驗條件的限制，現(xiàn)場試驗僅測量樁頂位移曲線，見圖1。

由圖1可知現(xiàn)場試驗和數(shù)值計算吻合度較高，同一水平荷載作用下數(shù)值計算對應(yīng)樁頂水平位移較小，數(shù)值計算6 mm位移對應(yīng)水平承載力為370 kN，為現(xiàn)場試驗結(jié)果的1.06倍。通過比較分析，數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果具有較高的吻合度，數(shù)值計算模型選取和計算參數(shù)較合理，能夠滿足群樁效應(yīng)綜合系數(shù)的分析精度要求。

圖1 荷載—位移曲線

2 數(shù)值計算模型建立

數(shù)值計算過程中假定承臺與樁頂固結(jié)，并通過提高承臺模量的方法予以反映。承臺邊緣與樁體最小距離等于0.5倍樁徑，沿荷載方向模型長度為40 m;豎向深度50 m;垂直荷載方向保證承臺邊緣至模型邊界距離大于10倍樁徑。選用樁型為PHC-600(130)-ABLb型(樁徑600 mm、壁厚130 mm、樁長29.0 m)，計算參數(shù)取值見表2。采用分級加載的方式，每級荷載取預(yù)估水平承載力的1/10～1/15［10］，1×2型群樁單級荷載為60 kN。

表2 群樁計算標準工況參數(shù)取值

3 計算結(jié)果及分析

3.1 土體影響范圍

本文選取3D和9D樁間距計算工況，研究分析加載到10級荷載即600 kN時土體水平方向和深度方向影響范圍，加載示意如圖2。

圖2 加載示意

表3為樁土影響范圍結(jié)果匯總表，可以看出:①相同水平荷載時隨著樁間距的增大，群樁側(cè)向影響范圍逐漸減小;②沿著荷載方向，承臺前土體壓縮變形范圍明顯小于承臺后受拉變形范圍，后者約為前者的1.3～2.5倍;③隨著樁間距的增大，前后樁深度影響范圍逐漸增大。前樁的深度影響范圍小于后樁，但兩者相差不大，600 kN荷載作用下位移影響深度約為10倍樁徑。

表3 樁土影響范圍匯總 m

3.2 前、后樁承載力不均勻性分析

由圖3可知，600 kN水平荷載作用下，1×2樁型時，前樁最大彎矩值明顯大于后樁，根據(jù)材料力學(xué)的基本理論可知前排樁所受剪力(即樁前土體抗力)值大于后樁。樁距為3倍樁徑時前樁樁頂彎矩(39.1 kN· m)為后樁(5.63 kN·m)的6.9倍，而樁距為9倍樁徑時前樁樁頂彎矩(69.7 kN·m)僅為后樁(29.5 kN·m)的2.4倍。前樁最大彎矩截面高于后樁，即前排樁樁身剪力零點位置高于后樁。

圖3 前、后樁樁身彎矩對比

3.3 樁間距對群樁承載特性的影響分析

圖4為不同樁間距對應(yīng)樁身位移對比圖。分析圖4可知:相同水平荷載作用下，樁頂位移隨樁距的增大不斷減小;樁距為9倍樁徑時樁頂位移(4.12 mm)僅為3倍樁徑時(5.38 mm)的76%，表明隨著樁間距的增大，群樁效應(yīng)逐漸減弱，群樁的水平承載力逐漸提高。本文在數(shù)值計算的過程中，由于不考慮承臺變形，故相同水平荷載作用下前、后樁樁頂處位移一致。

圖4 1×2型群樁不同樁距下樁身位移對比

圖5為不同樁距下樁身彎矩對比圖。由圖5可知:①相同水平荷載作用下，隨著樁間距的增加，樁頂位置處彎矩逐漸增大，9D樁間距下前、后樁樁頂0.5 m處彎矩分別為3D樁間距的1.78和5.24倍，樁身最大彎矩隨樁間距的增加逐漸減小;②由圖5(c)可知，相同水平荷載作用下前樁彎矩明顯大于后樁彎矩;前、后樁上部樁身彎矩變化規(guī)律基本一致，首先隨樁距的增大而明顯增大，變化速率逐漸趨向平緩，當樁距達到6～8倍樁徑時，彎矩基本保持不變。對比圖5(a)，5(b)中7D和9D樁身彎矩曲線，兩者基本重合，表明兩者承載特性基本一致。隨著樁間距的增大，群樁效應(yīng)影響逐漸減弱，當樁間距大于7D時，可不考慮群樁效應(yīng)的影響。

圖5 不同樁距下樁身彎矩對比

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值計算對水平荷載作用下1×2型群樁基礎(chǔ)受力特性進行分析研究，揭示了群樁前后樁影響范圍和受力不均勻性以及樁間距對承載特性的影響規(guī)律，得出主要結(jié)論如下:

1)群樁承受水平荷載時，承臺前土體壓縮變形范圍明顯小于承臺后受拉變形范圍;隨著樁間距的增加，1×2型群樁側(cè)向影響范圍逐漸減小，而前后樁深度影響范圍逐漸增大，前樁的深度影響范圍小于后樁，但兩者相差不大。

2)相同水平荷載作用下前、后樁荷載分布不均勻，前樁最大彎矩值明顯大于后樁，且前樁最大彎矩截面高于后樁，即前排樁樁身剪力零點位置高于后樁。

3)相同水平荷載作用下，隨著樁間距的增加，樁頂處彎矩逐漸增大，9D樁間距下前、后樁樁頂0.5 m位置處彎矩分別為3D樁間距的1.78和5.24倍;0.5 m處樁身彎矩隨樁間距增加變化速率逐漸趨向平緩，當樁間距達到6～8倍樁徑時，彎矩基本保持不變，群樁效應(yīng)影響減弱。

［1］孟凡麗，盧成原，湯麗君．水平荷載作用下群樁—土—結(jié)構(gòu)共同作用分析［J］．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005(33):434-437．

［2］陶學(xué)俊，丁選明．水平荷載作用下PCC樁群樁效應(yīng)數(shù)值分析［J］．防震減災(zāi)工程，2010(30):287-292．

［3］湯斌，陳曉平．群樁效應(yīng)有限元分析［J］．巖土力學(xué)，2005 (26):299-302．

［4］蔡亮，魯子愛，韓潔．橫向荷載群樁效應(yīng)分析［J］．水運工程，2003(1):4-7．

［5］周洪波，楊敏，茜平一．水平荷載作用下群樁相互作用的彈塑性數(shù)值分析［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003(3):29-34．

［6］湯斌，王月香，雷學(xué)文．承臺底土阻力群樁效應(yīng)系數(shù)有限元分析［J］．巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2004(5):804-808．

［7］莊培芝，亓樂，周志東．水平荷載作用下單樁承載力影響因素分析［J］．公路，2013(8):12-18．

［8］馬志濤．混凝土管樁水平受力性狀有限元分析［J］．山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009(5):30-34．

［9］張華華．水平荷載樁的現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬分析［D］．揚州:揚州大學(xué)，2007．

［10］中華人民共和國交通部．JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2008．

Numerical simulation study on horizontal load-bearing characteristics of group of piles

SONG Xiuguang1，2，YUE Hongya1，2，ZHOU Zhidong1，2，ZHUANG Peizhi1，2，ZHANG Hongbo1，2
(1．School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan Shandong 250061，China;2．Shandong Engineering＆Technology Research Center for Subgrade Safety，Jinan Shandong 250061，China)

As current studies on horizontal load-bearing characteristics of group of piles can not yet meet the engineering reality，the paper takes the foundation of pipe pile group that locates on soft soil base as the study object and applies numerical simulation in its research．T he results indicate that as horizontal loading imposes，soil in front of the bearing platform deforms within an evidently more limited scope than that behind the platform．As the pile interval goes up，the lateral scope of influence falls gradually，while the vertical scope of influence and the bending moment at pile tip rise．Under equal horizontal loading，the maximum bending moment of the front pile largely exceeds that of the back pile，as the null point of shear force locates higher on the front pile than that of the back pile．As the pile interval raises to 6～8 times of the pile diameter，group of piles effect is evidently weakened．

Group of piles;Horizontal loading;Pipe pile;Load-bearing characteristics;Influence scope

TU473.1+1

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．28

(責任審編 趙其文)

2014-12-09;

:2015-06-03

國家自然科學(xué)基金項目(41372300，51208284);山東省科技發(fā)展計劃項目(2013GSF11603)

宋修廣(1966— )，男，山東威海人，教授，博士。

1003-1995(2015)08-0097-04