群樁中斜直交替樁布置對群樁承載力的影響研究

李 楊

(中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050050)

0 引言

微型樁是一種直徑較小的樁基礎(chǔ)。其直徑一般小于400 mm,長細比不小于30。具有施工簡便、占地面積小計布置形式靈活等特點。被廣泛用于工民建基坑工程以及建構(gòu)筑物的加固抗震等工程中。實際工程應(yīng)用中,如何提高群樁基礎(chǔ)的承載力是樁基礎(chǔ)工程研究的重點和難點之一。既有研究表明,設(shè)置傾斜樁可以提高群樁的承載力。王孝哲和劉林林[1]基于FLAC 3D研究了傾斜微型樁群加固堆積層邊坡穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明,傾斜樁的支護效果隨樁傾角的增大而先增大后減小,傾角為60°時,加固方案是最優(yōu)形式。張勇等[2]基于觀測數(shù)據(jù)分析了管微型樁對傾斜樓房進行加固效應(yīng)。結(jié)果表明,鋼管微型樁具有較好的糾偏加固效果。郭景琢等[3]基于三維有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果,系統(tǒng)的分析了基坑斜直組合傾斜樁支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法。結(jié)果表明,采用文中提出的計算方法與有限元計算結(jié)果吻合度很高,證明文中模型在結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算中的合理性。周海祚等[4]數(shù)值模擬研究了傾斜樁在基坑開挖過程中變形及破壞過程。結(jié)果表明,當樁的傾斜角度小于20°時樁的破壞為傾倒式,樁的穩(wěn)定性隨插入比和土體強度的增大而顯著增強。鄭剛等[5]基于物理模型試驗研究了基坑傾斜樁支護性能,結(jié)果表明,斜樁的主動土壓力比懸臂樁要小。在內(nèi)外排樁夾角相同的條件下,內(nèi)斜直組合結(jié)構(gòu)形式的支護效果優(yōu)于外斜直情況。鄭剛等[6]基于大型深基坑工程,研究了傾斜樁支護結(jié)構(gòu)的工作性能和基坑穩(wěn)定性。結(jié)果表明,傾斜樁支護結(jié)構(gòu)能夠顯著改善結(jié)構(gòu)變形,提高基坑的穩(wěn)定性。

本文采用數(shù)值模擬方法,開展微型群樁中斜樁布置形式對群樁承載力的影響,詳細量化了斜樁分別在2×2、3×3和4×4群樁中提高群樁承載力的百分比。本文的研究可為相關(guān)工程設(shè)計及施工提供借鑒。

1 數(shù)值模型

1.1 模型建立

基于大型有限元軟件Plaxis軟件進行建模與分析。模型地層由上至下分別為粉質(zhì)黏土、黏土和基巖層(圖1)。粉質(zhì)黏土和黏土厚度分別為21 m和9 m。土體材料模型采用摩爾倫理本構(gòu)模型。巖土體及樁體的物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2所示。其中樁的本構(gòu)模型為線彈性,樁身材料為各向同性材料,且假定樁在變形過程中滿足彈性變形。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 樁體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模型示意圖

1.2 模擬工況

為了研究不同群樁形式下,斜樁對群樁承載力的影響,本文考慮了2×2群樁、3×3群樁和4×4群樁形式下的承載性能。圖2為群樁中斜樁的布置形式。其中2×2群樁在無斜樁時兩根樁均是直立布置,有斜樁時兩樁呈一定角度相交;3×3群樁在無斜樁時三根樁均是直立布置,有斜樁時兩根斜向布置,一根直立布置;4×4群樁在無斜樁時四根樁均是直立布置,有斜樁時兩根斜向布置,兩根直立布置。數(shù)值計算中,荷載的施加主要考慮采用位移加載后換算為極限荷載。表3為不同群樁形式下施加的極限荷載。

表3 施加荷載工況 kN

圖2 斜樁布置形式

2 計算結(jié)果與分析

2.1 2×2群樁效應(yīng)分析

圖3為受壓荷載作用于2×2群樁下,布置斜樁和不布置斜樁的群樁沉降曲線。結(jié)果表明,布置斜樁后,樁群的承載力有顯著的提高。Q-S曲線的斜率逐漸減緩。假定本文中,10 mm沉降對應(yīng)的承載力為極限承載力?？梢钥吹?布置斜樁后的極限承載力比不布置斜樁的極限承載力提高了近30%?？傮w來看,斜樁可以顯著提高群樁的抗壓承載力。

圖3 受壓荷載下樁的沉降規(guī)律

圖4為受拉拔荷載作用于2×2群樁下,布置斜樁和不布置斜樁的群樁沉降曲線。結(jié)果表,布置斜樁后,樁群的抗拉拔承載力有顯著的提高。Q-S曲線的斜率逐漸減緩。假定本文中,10 mm沉降對應(yīng)的承載力為極限抗拉承載力。可以看到,布置斜樁后的極限抗拉承載力比不布置斜樁的極限承載力提高了近50%。總體來看,斜樁可以顯著改善提高群樁的抗壓承載力。

圖4 受拉拔荷載下樁的沉降規(guī)律

圖5為受水平荷載作用于2×2群樁下,布置斜樁和不布置斜樁的群樁沉降曲線。結(jié)果表,布置斜樁后,樁群的水平承載力有顯著的提高。Q-S曲線的斜率逐漸減緩。假定本文中,10 mm沉降對應(yīng)的承載力為水平極限承載力。可以看到,布置斜樁后水平極限承載力比不布置斜樁的水平極限承載力提高了近25%。因此,斜樁可以顯著提高群樁的水平極限承載力。

圖5 受水平荷載下樁的沉降規(guī)律

2.2 3×3群樁效應(yīng)分析

圖6為受壓荷載作用于3×3群樁下,布置斜樁和不布置斜樁的群樁沉降曲線。結(jié)果表,布置斜樁后,樁群的承載力有顯著的提高。Q-S曲線的斜率逐漸減緩。假定本文中,10 mm沉降對應(yīng)的承載力為極限承載力?？梢钥吹?布置斜樁后的極限承載力比不布置斜樁的極限承載力提高了近30%?？傮w來看,斜樁可以顯著改善提高群樁的抗壓承載力。

圖6 受壓荷載下樁的沉降規(guī)律

圖7為受拉拔荷載作用于3×3群樁下,布置斜樁和不布置斜樁的群樁沉降曲線。結(jié)果表,布置斜樁后,樁群的抗拉拔承載力有顯著的提高。Q-S曲線的斜率逐漸減緩。假定本文中,10 mm沉降對應(yīng)的承載力為極限抗拉承載力。可以看到,不布置斜樁的群樁已接近破壞,而布置斜樁的群樁仍然完好。對于3×3群樁來說,布置斜樁提高的抗拉拔承載力比2×2群樁更顯著。

圖7 受拉拔荷載下樁的沉降規(guī)律

圖8為受水平荷載作用于3×3群樁下,布置斜樁和不布置斜樁的群樁沉降曲線。結(jié)果表,布置斜樁后,樁群的水平承載力有顯著的提高。Q-S曲線的斜率逐漸減緩。假定本文中,10 mm沉降對應(yīng)的承載力為水平極限承載力?？梢钥吹?布置斜樁后水平極限承載力比不布置斜樁的極限承載力提高了近15%?？傮w來看,對于3×3群樁來說,布置斜樁提高群樁的抗水平承載力比2×2群樁要稍弱。

圖8 受水平荷載下樁的沉降規(guī)律

2.3 4×4群樁效應(yīng)分析

圖9為受壓荷載作用于4×4群樁下,布置斜樁和不布置斜樁的群樁沉降曲線。結(jié)果表,布置斜樁后,樁群的承載力有顯著的提高。Q-S曲線的斜率逐漸減緩。假定本文中,10 mm沉降對應(yīng)的承載力為極限承載力?？梢钥吹?布置斜樁后的極限承載力比不布置斜樁的極限承載力提高了28%?？傮w來看,斜樁可以顯著提高群樁的抗壓承載力。

圖9 受壓荷載下樁的沉降規(guī)律

圖10為受拉拔荷載作用于4×4群樁下,布置斜樁和不布置斜樁的群樁沉降曲線。結(jié)果表,布置斜樁后,樁群的抗拉拔承載力有顯著的提高。Q-S曲線的斜率逐漸減緩。假定本文中,10 mm沉降對應(yīng)的承載力為極限抗拉承載力。結(jié)果表明,不布置斜樁的群樁已接近破壞,而布置斜樁的群樁仍然完好。因此,對于4×4群樁來說,布置斜樁提高的抗拉拔承載力比2×2群樁更顯著。

圖10 受拉拔荷載下樁的沉降規(guī)律

圖11為受水平荷載作用于4×4群樁下,布置斜樁和不布置斜樁的群樁沉降曲線。結(jié)果表,布置斜樁后,樁群的水平承載力有顯著的提高。Q-S曲線的斜率逐漸減緩。假定本文中,10 mm沉降對應(yīng)的承載力為水平極限承載力?？梢钥吹?布置斜樁后水平極限承載力比不布置斜樁的極限承載力提高了近15%?？傮w來看,對于4×4群樁來說,布置斜樁提高群樁的抗水平承載力比2×2群樁要弱,但和3×3群樁的承載力效應(yīng)基本相同。

圖11 受水平荷載下樁的沉降規(guī)律

3 結(jié)語

本文基于Plaxis軟件,開展了群樁中斜樁布置形式對群樁承載力的影響研究,得到如下加點結(jié)論:

(1)在2×2群樁中布置斜樁比不布置斜樁的抗壓承載力提高30%、抗拔承載力提高50%及水平承載力提高25%。

(2)在3×3群樁中布置斜樁比不布置斜樁的抗壓承載力提高30%、抗拔承載力提高40%及水平承載力提高25%。

(3)在4×4群樁中布置斜樁比不布置斜樁的抗壓承載力提高30%、抗拔承載力提高40%及水平承載力提高15%。

綜合來看,2×2群樁中布置斜樁對群樁的承載力提高最顯著,3×3群樁的提高效應(yīng)次之,4×4群樁承載力提高程度最差。