超長鉆孔灌注樁基礎(chǔ)群樁效應(yīng)分析

陳志平 朱永珠 薛寒冰

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，樁基礎(chǔ)的設(shè)計、施工水平都得到了很大提高，主要體現(xiàn)在:超長、大直徑和大規(guī)模三個方面。其應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在大型橋梁工程中，如有名的東海大橋、杭州灣跨海大橋、蘇通大橋等，都采用了大規(guī)模的群樁基礎(chǔ)。對于群樁基礎(chǔ)而言，最突出的問題就是群樁效應(yīng)問題，而目前關(guān)于超長鉆孔灌注樁的群樁效應(yīng)的研究并不多見，因此，深入研究超長鉆孔灌注樁的群樁效應(yīng)是必要的。

1 群樁效應(yīng)的基本概念

群樁基礎(chǔ)受豎向荷載作用后，由于承臺、樁、土的相互作用使其樁側(cè)摩阻力、樁端阻力、沉降等性狀發(fā)生變化而與單樁明顯不同，這種效應(yīng)稱之為群樁效應(yīng)［1，2］。群樁效應(yīng)的出現(xiàn)，會使中心樁的沉降大于周邊樁的沉降，中心樁的軸力小于周邊樁的軸力。

群樁效應(yīng)通常采用群樁效應(yīng)系數(shù)［3］來衡量，群樁效應(yīng)系數(shù)是指群樁的極限承載力與群樁中各樁按獨立單樁考慮的極限承載

其中，η為群樁效應(yīng)系數(shù);Fm為群樁的極限承載力;n為群樁樁數(shù);Fs為單樁極限承載力。

2 群樁效應(yīng)的數(shù)值分析

為了研究超長鉆孔灌注樁的群樁效應(yīng)，本文以位于長江中下游的某大型跨江大橋為依托，通過有限元法分析超長鉆孔灌注樁群樁效應(yīng)的影響因素，主要分析樁間距和樁數(shù)的影響。

模型幾何尺寸以及參數(shù)均參照依托工程。樁長109 m，樁徑2．7 m，基樁采用線彈性本構(gòu)模型，彈模取33 GPa，泊松比0．168，密度2 400 kg/m3。土體采用鄧—肯張模型［4］，模型參數(shù)如表1所示。樁土之間設(shè)摩擦接觸。樁距2．4d時的有限元網(wǎng)格見圖1。

表1 土層參數(shù)

圖1 有限元網(wǎng)格

圖2 不同樁間距條件下樁頂荷載與沉降P—S曲線

圖3 不同樁距下的極限側(cè)阻力值

1)樁間距影響。不同樁間距條件下的樁頂荷載與沉降P—S計算曲線如圖2所示。在相同的軸向荷載作用下，樁間距小的群樁基礎(chǔ)沉降較大。樁間距越大，群樁的平均沉降越小，P—S曲線越平緩，這也表明隨著樁間距增加，群樁基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性增強了，發(fā)生整體破壞的趨勢減弱。不同樁距條件下的極限側(cè)阻如圖3所示，從圖3中可以看出，樁距越小，極限側(cè)阻越大，這主要是由于，樁距越小，樁間土體受樁的側(cè)向擠壓力越大，土體也就越密實，其極限側(cè)阻力也就越大。

不同樁間距條件下的群樁效應(yīng)系數(shù)如表2所示。從表中可以看出，隨著樁距的增加，群樁效應(yīng)系數(shù)越來越大，也就是群樁效應(yīng)越來越弱，當(dāng)樁徑大于6倍直徑時，群樁效應(yīng)就基本不存在了。

表2 群樁效應(yīng)系數(shù)表

圖4 不同樁數(shù)條件下樁頂荷載與沉降P—S曲線

2)樁數(shù)的影響。為研究樁數(shù)對群樁效應(yīng)的影響，分別建立了多個有限元模型，樁數(shù)分別為1，4，7，9，16。樁頂荷載與沉降 P—S曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，在相同的荷載作用下，樁數(shù)越多，其沉降值越大。隨著樁數(shù)的增加，荷載—沉降曲線更加平滑，這說明樁數(shù)越多，基樁穩(wěn)定性越強。

由不同樁數(shù)條件下的群樁效應(yīng)系數(shù)可以看出，在相同樁距的條件下，樁數(shù)越多，也就是群樁基礎(chǔ)的規(guī)模越大，群樁效應(yīng)越明顯。

3 結(jié)語

利用有限元法分析了群樁效應(yīng)的影響因素，主要表現(xiàn)在以下兩方面:1)樁距越小，群樁效應(yīng)越大，當(dāng)樁間距大于6倍直徑時，群樁效應(yīng)基本不存在;2)樁數(shù)越多，群樁效應(yīng)越大。

［1］ Gandhi，Shailesh R．Group effect on driven piles under lateral load［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123(8):702-709．

［2］ 劉金礪．豎向荷載下的群樁效應(yīng)和群樁基礎(chǔ)概念設(shè)計若干問題［J］．土木工程學(xué)報，2004，37(1):78-83．

［3］ 謝 濤，袁文忠，姚 勇．超大群樁豎向承載群樁效應(yīng)試驗研究［J］．公路交通科技，2003，20(5):61-63．

［4］ 錢家歡，殷宗澤．土工原理與計算［M］．第2版．北京:中國水力水電出版社，1996．