豎向荷載作用下復(fù)雜群樁的變形及荷載分布

鄧小雪，李龍起，張 帥，何 川，李昌林

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610059)

群樁基礎(chǔ)是指由2根以上樁通過承臺聯(lián)成一體組成的樁基礎(chǔ)。在豎向荷載作用下，承臺、土、樁三者形成一個工作體系共同承擔(dān)上部荷載，變形和承載性狀相互制約，來自上部的豎向荷載在樁側(cè)和樁端平面形成應(yīng)力疊加，因此往往與外界條件和分析方法相同的單根樁存在較大差別。近年來，尤其是一些軟弱地基、橋梁、碼頭、東南沿海地區(qū)等廣泛使用該類樁基，在濕陷性黃土、淤泥質(zhì)土等一些特殊土地區(qū)的應(yīng)用還比較滯緩，研究資料也相對缺乏。由于群樁受力特性、基礎(chǔ)設(shè)計和施工都相對復(fù)雜，工程理論指導(dǎo)還不完善，實際的工程情況與現(xiàn)有理論還存在一定差別。因此，探討群樁基礎(chǔ)在復(fù)雜地基的工作性狀和荷載分布具有實際的工程意義。

近年來，眾多學(xué)者針對樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的工作性狀進(jìn)行試驗研究，取得了相應(yīng)的成果。張海超[1]通過測量樁身應(yīng)變及單樁樁頂和群樁承臺的沉降數(shù)據(jù)，結(jié)合MIDAS/GTS研究分析了單樁及2種不同角樁樁距條件下群樁基礎(chǔ)的承載性能和沉降變形特征；杜思義等[2]通過物理模型試驗及FLAC 3D分析研究了樁間距和單樁長徑比對群樁整體承載力的影響；鄭剛等[3]研究了單根樁在不同垂直度時逐級施加荷載作用下樁頂沉降及樁身軸力和彎矩的變化；周淑芬等[4]、歐碧峰等[5]通過分析超長灌注樁的室內(nèi)模型試驗和實測數(shù)據(jù)，研究了超長群樁的荷載傳遞機(jī)理和承載力特性；李龍起等[6]在室內(nèi)對不同傾角的樁基進(jìn)行了物理試驗，得出基樁傾角是導(dǎo)致豎直樁基和傾斜樁基豎向承載特性顯著不同的主要原因之一；趙明華等[7]對軟土地區(qū)超長大直徑灌注樁進(jìn)行了豎向承載力試驗研究；劉福春[8]對黃土地區(qū)群樁性狀進(jìn)行了分析，指出因群樁受黃土濕陷性的影響，單純的數(shù)值模擬并不能準(zhǔn)確分析樁身軸力及沉降情況，需要考慮樁基礎(chǔ)的負(fù)摩阻力。上述一系列研究多基于單樁的工作性狀和室內(nèi)群樁模型試驗，就橋梁群樁基礎(chǔ)工作性狀及沉降分析作了一定研究[9-10]。結(jié)合數(shù)值模擬[11-13]對樁基礎(chǔ)的分析也有一些突破性的進(jìn)展，然而對以下問題還有待進(jìn)一步研究：①非均質(zhì)土層下超長群樁的荷載傳遞性狀還不明確；②基樁中角樁、邊樁、中樁的荷載分擔(dān)性狀；③群樁的側(cè)向受力情況，以及平臺的偏移量與傾斜角度。

本文以廈深客運(yùn)專線韓江特大橋潮安縣段樁基工程為背景進(jìn)行群樁基礎(chǔ)在逐級加載條件下承載特性分析，由于現(xiàn)場樁基及工程地質(zhì)條件復(fù)雜，現(xiàn)場荷載試驗工作量大且造價高，并且在試樁過程的外界因素和實際中也有一定差別，因此選用有限元分析軟件ABAQUS模擬此大型群樁基礎(chǔ)，研究群樁的荷載傳遞性狀及基樁受力的差異性分布，研究結(jié)果為類似樁基工程提供理論依據(jù)。

1 有限元模擬

利用有限元分析軟件ABAQUS對11根豎直群樁進(jìn)行模擬，在承臺頂部采用12級累次加載，對承臺上頂面施加分布力進(jìn)行均布加載，每級加載為 2 227 kN，加載到 26 724 kN。

1.1 現(xiàn)場工點(diǎn)概況

工點(diǎn)位于廈深客運(yùn)專線DK188+088—DK205+317段，該區(qū)域為海積平原地貌，地形平坦開闊，地表以下存在深厚軟土層，地層分布如下：①淤泥質(zhì)黏土，流塑狀，局部含有機(jī)質(zhì)，厚度為32.6 m；②粉質(zhì)黏土，硬塑狀，厚度為12.6 m；③細(xì)圓礫土，中密，局部夾5%左右的粉黏土及1.2%左右的云母片，厚度為28.0 m；④黏土，硬塑狀，局部含3%～5%粉砂，厚度為8.2 m。場地地層分布圖及各層土的物理力學(xué)指標(biāo)分別如圖1所示和表1所列。

圖1 土層剖面(單位：m)

土層名稱密度/(g·cm-3)壓縮模量/MPa含水率/%黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)淤泥質(zhì)黏土1.571.7967.9210.257.75粉質(zhì)黏土1.845.1936.4936.5715.34細(xì)圓礫土2.0512.1833.608.3540.30黏土1.895.0239.3638.8318.67

現(xiàn)場橋梁采用32 m簡支梁橋，墩柱采用矩形雙柱墩，基礎(chǔ)采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁長71 m，樁徑1.25 m。

1.2 有限元模型的建立及參數(shù)確定

1)土

土體采用Mohr-Coulomb模型，樁側(cè)與土之間的接觸通過接觸對來實現(xiàn)，采用庫倫摩擦(Coulomb friction)模型來描述接觸面間的摩擦行為。通過模擬實驗結(jié)果與文獻(xiàn)[6]對照，不斷調(diào)整參數(shù)，反演得到摩擦因數(shù)為0.35。由于樁身剛度比土體剛度大，將樁設(shè)為主控面，土體設(shè)為從屬面。為保證承臺與樁體共同作用，將承臺與樁體之間連接成整體，采用彈性均質(zhì)體進(jìn)行模擬，因此樁端與承臺底部未施加接觸。有限元模型為三維實體模型，建立模型的邊界條件，在土體的底面邊界，限制其豎直和水平方向的位移，在土體的兩側(cè)，限制其兩水平方向上的位移，有限元模擬時土體參數(shù)采用現(xiàn)場工點(diǎn)的參數(shù)。

2)鋼筋混凝土樁

承臺尺寸為13.1 m(長)×8.5 m(寬)×2.0 m(高)，采用直徑為1.25 m，長度為71 m的圓樁。混凝土為彈性材料，樁身混凝土物理力學(xué)參數(shù)見表2。樁基礎(chǔ)平面布置如圖2所示。有限元網(wǎng)格劃分采用C3D8R單元，承臺與群樁共計 12 768 個單元，地基土共計 175 443 個單元。

表2 樁身混凝土物理力學(xué)參數(shù)

圖2 樁基平面布置示意

2 有限元結(jié)果與分析

2.1 承臺頂及樁頂荷載沉降特征

圖3 不同位置處承臺頂荷載沉降曲線

在承臺頂逐級加載的過程中，承臺頂沉降與承臺頂荷載呈線性關(guān)系，基本呈“緩變性”，未出現(xiàn)顯著的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和陡降。不同樁頂荷載時，各基樁沉降見表3。可知,荷載為 13 362 kN 時，中樁、邊樁、角樁的最大豎向位移分別為33.61，33.55，33.44 mm，出現(xiàn)在樁頂邊緣；最小豎向位移分別為32.05，31.53，30.79 mm，出現(xiàn)在樁端邊緣處。荷載為 26 724 kN 時，中樁、邊樁、角樁的最大豎向位移分別為78.34，78.18，77.97 mm，出現(xiàn)在樁頂邊緣；最小豎向位移分別為75.16，73.90，72.29 mm，出現(xiàn)在樁端邊緣處。隨著荷載增加，各基樁豎向位移量增加，同一樁體最大位移與最小位移量之差逐漸增大，樁頂沉降量的變化較樁端更明顯。

表3 各基樁沉降 mm

2.2 樁身軸力隨基樁樁體深度的變化特征

圖4為承臺頂承受上部逐級加載時基樁的樁身軸力隨樁體深度變化曲線。11根基樁的樁身軸力在同一級加載和同一深度處具有一致性，群樁中各基樁的樁身軸力都隨上部荷載的增大而增大?；鶚稑渡磔S力沿深度依次遞減，在荷載較小時，各基樁在樁端處的荷載均較小。隨著上部荷載的增加，各基樁在樁端所承擔(dān)的荷載也越來越大，說明在豎直群樁中，樁側(cè)阻力先于樁端阻力發(fā)揮作用。同時整個樁基表現(xiàn)出端承摩擦樁的性狀，在逐級加載的過程中表現(xiàn)越來越明顯的是：角樁軸力>邊樁軸力>中樁軸力。在超長群樁中，軸力的衰減趨勢邊樁和角樁基本相同。在樁頂荷載較小時，邊樁的樁身軸力比角樁略小，在樁頂荷載較大時，邊樁的樁身軸力與角樁的樁身軸力相差較大。由于樁間距是樁徑的三倍，屬于小樁距布置，所以超長群樁的群樁效應(yīng)比較明顯，同時超長群樁的樁頂荷載出現(xiàn)了較大的不均勻性。由此可以看出，為了避免基樁荷載分擔(dān)的不均勻性，又能較好地發(fā)揮群樁效應(yīng)，可以在必要時適當(dāng)?shù)恼{(diào)整間距。

圖4 不同位置處樁身軸力隨樁體深度變化曲線

2.3 群樁樁側(cè)摩阻力分布情況

圖5 不同樁頂荷載時樁側(cè)摩阻力分布

2.4 群樁的豎向變形情況

圖6 不同樁頂荷載時群樁變形整體云圖(單位：m)

圖6為不同樁頂荷載時群樁變形整體云圖?？梢钥闯鲈谪Q向逐級加載的過程中，各基樁豎直方向上的變形均隨樁頂荷載的增加而增大，變形均從樁頂向樁端傳遞。中樁豎直方向的變形最大，邊樁的變形次之，角樁的變形最小，且邊樁和角樁的變形相似，與中樁差異較大。這是由于外側(cè)角樁和邊樁的 “遮攔作用”，使得群樁內(nèi)側(cè)土體與基樁的相互作用不明顯，導(dǎo)致中樁在豎直方向上的變形與角樁和邊樁大不相同。同時，在承臺頂上部逐級施加樁頂荷載時，基樁的上部受到壓縮而對土產(chǎn)生向下的位移，從基樁上部向基樁下部逐漸產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力，摩阻力方向向上，與基樁位移相反，由此生成的樁身摩阻力將樁身所承受的樁頂荷載傳遞到樁周土周圍，導(dǎo)致樁身的壓縮變形隨深度的增加而逐漸遞減。承臺頂荷載逐漸增大，樁身位移和壓縮逐漸增大，基樁下部和樁周土的摩阻力逐漸發(fā)揮其作用，樁端也因此產(chǎn)生壓縮變形。

2.5 承臺變形情況

圖7為不同樁頂荷載時承臺位移云圖。可知，在荷載為 13 362 kN 時，承臺右側(cè)和左側(cè)水平方向的位移分別為0.25,0.26 mm；承臺左側(cè)和右側(cè)豎直方向位移分別為33.74,33.45 mm。在荷載為 26 724 kN 時,承臺右側(cè)和左側(cè)水平方向的位移分別為0.34,0.36 mm；承臺左側(cè)和右側(cè)豎直方向的位移分別為78.58,78.02 mm。由此看出承臺在荷載作用下不同位置處在水平向及豎直向的偏移都存在差異性分布。這是由于在非均質(zhì)土層中，各基樁與土層的接觸存在差異，基樁發(fā)生不同程度的偏移，在基樁與承臺接觸的邊緣，土對承臺的反力也因此存在差異，同時承臺也隨之傾斜。

圖7 不同樁頂荷載時承臺位移云圖(單位：m)

在實際工程中，為了避免承臺的偏移和傾斜過大，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，如：①預(yù)先對不良地基土進(jìn)行處理；②采取措施增加承臺基礎(chǔ)的抗彎剛度；③采取合理的布樁形式；④在 施工過程中控制施工誤差。

3 結(jié)論與建議

2)承臺頂部在豎向荷載作用下，各基樁的樁身軸力從樁頂?shù)綐抖酥饾u遞減，角樁、邊樁、中樁在衰減的過程中呈一致性變化，衰減速度隨樁基深度的變化而變化。本文是小樁距群樁，在樁頂荷載較大時，超長群樁的樁身荷載分布會出現(xiàn)較大的不均勻性，在豎直樁基中樁身軸力角樁最大，邊樁次之，中樁最小。由于受群樁效應(yīng)的影響，角樁與邊樁的軸力較接近，中樁與邊樁、角樁軸力的差異較大。

3)由于外側(cè)角樁和邊樁的“遮攔作用”，使得角樁和邊樁在豎直方向上的變形性狀相似，與中樁的變形大不相同。

4)對于上部結(jié)構(gòu)具有振動荷載且自重較大的橋梁樁基，在考慮樁土之間的承載性狀之外，同時也要確保承臺的穩(wěn)定和安全，不僅要按照橋梁樁基規(guī)范，還要切合實地的地質(zhì)情況。

本文研究非均質(zhì)土，但ABAQUS采用的是同一個摩擦因數(shù)，這與實際情況不太一致，只考慮承臺頂上部加載對各基樁的影響，得出各基樁對上部荷載的分擔(dān)情況。在11根樁的布樁過程中，也均采用了同一種樁間距。施工因素和樁土間的相互作用也存在偶然性和非確定性。因此，需對不同土層采用不同的摩擦因數(shù)并調(diào)整樁間距，也需對傾斜角度不同的基樁做進(jìn)一步的受力性狀分析。