群樁承載力及抗震設(shè)計分析

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(jìn)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(xiàn)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(jìn)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。基于此，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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)程序進(jìn)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(dá)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?qiáng)度和可液化的疏松土層的相關(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(qiáng)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(qiáng)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。靠近地表如果有液化可能的土層，有時候，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。

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