邊載作用下的負摩阻力和群樁效應研究

谷復光,王 卓

吉林建筑大學 測繪與勘查工程學院,長春 130118

0 引言

進入21世紀以來,伴隨我國城鎮(zhèn)化水平迅速提升,建筑行業(yè)的快速發(fā)展,基礎工程也發(fā)展迅速.其中,樁基礎在軟土地基、道路橋梁、高層建筑中發(fā)揮了重要的作用.在實際工程中,邊荷載的存在會對樁基礎以及上部建筑產(chǎn)生不利影響,會降低樁基的承載力,有可能使建筑發(fā)生不均勻沉降,出現(xiàn)墻體裂縫、道路塌陷、橋梁偏移等嚴重后果.

針對邊載下群樁負摩阻力的問題已有諸多學者對其進行了研究.邢博然等[1]人對堆載作用下的群樁側摩阻力情況以及中性點位置變化進行了研究;范孟華等[2]人發(fā)現(xiàn)堆載變化導致樁身軸力的變化規(guī)律,樁身上部出現(xiàn)負摩阻力,下部出現(xiàn)的正摩阻力也隨之變大;王鳴宇[3]重點研究了橋梁基礎中樁基的應用以及樁基側摩阻力的分布與變化趨勢,在樁徑改變的前提下側摩阻力的變化情況;范孟華等[4]人使用模擬軟件對邊載下樁基的側摩阻力、樁身軸力的變化趨勢及中性點位置的變化進行了研究;馮彪[5]研究了在不改變樁周土與上部荷載的情況下,改變施工順序?qū)痘两档挠绊懸约皹痘撃ψ枇Φ淖兓闆r;周為[6]研究了在新近填土中樁身負摩阻力的變化情況;王軍等[7-8]人研究了堆載下樁身受力的變化情況,單樁情況下堆載會降低樁基承載力;馬學寧等[9-10]人重點研究了圍載作用下樁身軸力、側摩阻力的變化情況以及中性點位置的變化規(guī)律,研究了施工過程中樁載、堆載施加順序不同對樁基承載力產(chǎn)生的影響.

現(xiàn)階段對單樁基礎的研究已較為成熟,但對于應用較為廣泛的群樁基礎研究尤其是群樁中的中樁、邊樁、角樁等不同位置樁的負摩阻力研究還有待深入;對堆載作用下樁基負摩阻力變化的研究已經(jīng)比較充分,但對邊載狀況下樁基負摩阻力的變化還有待研究.其中,由樁-土相對位移引起的負摩阻力問題,采用有限元軟件可以直接對實際情況進行研究.ABAQUS是一款功能強大的模擬軟件,能模擬材料性能并分析土體變形、位移、應力變化等問題.基于此模擬軟件,本文擬對在不同邊載等級、樁間距等條件下群樁負摩阻力的變化進行研究.

1 群樁效應作用機理

群樁效應就是指群樁基礎承受一定豎向荷載后,由于受到承臺、樁、土的相互作用影響,使其樁側阻力、樁端摩擦力、沉降量等特征發(fā)生變化并與單樁有明顯差異,承載力通常不小于相同數(shù)量單樁承載力之和.

群樁效應受到土承受的荷載、樁距、樁數(shù)、樁身的長徑比、樁高與基礎承面寬度比、成樁形式和排列方法等多種因素的綜合作用影響.當群樁間距處在合理范圍時,相同數(shù)量單樁總負摩阻力明顯大于群樁下的負摩阻力,原因是群樁效應此時在起作用,導致群樁的負摩阻力減小.群樁效應系數(shù)計算公式如下:

(1)

式中,η為群樁效應系數(shù);Fn為單樁下拉荷載,kPa;n為組成群樁的基樁個數(shù);Fni為群樁樁基的下拉荷載,kPa.

負摩阻力的群樁效應系數(shù)能夠反應出每根樁負摩阻力變化情況,但是樁在基礎中的位置變化也會影響到負摩阻力的變化,例如中樁、邊樁、角樁等不同位置樁受到的負摩阻力亦不同.為了更準確表達每個位置樁負摩阻力變化情況,特采用負摩阻力遮擋系數(shù)來表示,公式如下:

(2)

式中,Fr為負摩阻力遮擋系數(shù);Fng為群樁條件下的基樁受到的下拉荷載,kPa;Fns為獨立樁基作用時受到的下拉荷載,kPa.其中,Fr的大小反應了遮擋效應的強弱.當Fr越大時,遮擋效應發(fā)揮越好,各樁的負摩阻力變小,群樁效應也就越強.

2 邊載下群樁模型的建立

建立群樁模型(如圖1所示),模型為3×3群樁基礎,可以分析不同參數(shù)條件下的樁基負摩阻力.

圖1 群樁平面布置圖

模型為混凝土樁,樁長設置為20 m,群樁直徑為0.5 m,樁側土體水平長度和寬度均設置為60 m,深度沿z軸設置為40 m,混凝土采用C30,樁身混凝土模型參數(shù)見表1,樁周土體模型參數(shù)見表2.

表1 樁身混凝土模型參數(shù)

表2 樁周土體模型參數(shù)

土體模型采取摩爾-庫侖模型,樁體采用彈性模型,樁土之間的接觸面選取面與面接觸,設置剛度較大的樁側,樁底為主表面,從屬面定位剛度較小的土表面,法向接觸設置為硬接觸,樁土之間的摩擦系數(shù)取0.3,其中土體的水平方向選擇法向約束,土底設置全約束,在群樁的外側施加邊荷載,如圖2,圖3所示.

3 邊載作用下群樁負摩阻力的數(shù)值模擬分析

3.1 邊載作用下樁身軸力變化情況

對該模型進行模擬計算,除邊載等級外,其它參數(shù)如樁間距、樁長、樁徑、摩擦系數(shù)等均保持不變,當邊載等級采用30 kPa,60 kPa,90 kPa,120 kPa時,不同位置樁的樁身軸力變化如圖4所示.隨著邊載等級的增加,負摩阻力不斷增大,樁身軸力出現(xiàn)增大趨勢,且是從柱頂向下逐漸增大,當達到中性點位置以后,樁身軸力達到峰值,再往下由于樁側產(chǎn)生正摩阻力,樁身軸力隨著深度增加出現(xiàn)遞減的趨勢,當?shù)竭_中性點以下時樁身軸力降低明顯,因為此時正摩阻力不斷變大.

(a) 邊載30 kPa

從圖4中還能看出,當邊載等級加大時,中性點出現(xiàn)下降的趨勢,兩者密切相關,且中性點的深度不僅與邊載等級有關,還與樁周土的性質(zhì)、土層情況、樁的自身材料等因素有關.

在邊載相同的前提下分析各個位置樁的軸力變化情況.首先角樁的軸力是最大的,因為其最先受到邊載的影響,分擔的土載最大,且群樁效應的效果與其他位置的樁基相比較差,所以導致其樁身軸力較大;其次是邊樁,與角樁一樣因為直接受到邊載的影響,邊樁的軸力也較大,但是群樁效應的效果略優(yōu)于角樁,這點在計算群樁的負摩阻力效應系數(shù)和遮擋效應系數(shù)中有所體現(xiàn);最后是中樁,由于邊載引起的土載被邊樁、角樁承擔較多,中樁周圍的土體沉降更小,群樁效應得以最大程度發(fā)揮,故中樁的軸力與邊樁和角樁相比小很多.

3.2 下拉荷載與群樁效應系數(shù)、遮擋系數(shù)的關系

根據(jù)負摩阻力群樁效應系數(shù)計算式(1)和遮擋系數(shù)計算式(2),求得群樁效應系數(shù)和遮擋系數(shù),可以用來分析邊載條件下各位置樁基下拉荷載的變化和群樁效應的關系,也可以看出邊載等級改變時群樁效應的強弱變化,其結果見表3.

表3 樁基下拉荷載、群樁效應系數(shù)及遮擋系數(shù)

由表3可以看出,在邊載等級不斷增大的前提下,邊載作用下的群樁效應系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢,說明此時單樁的下拉荷載相對于群樁增加的更多.此時,受到群樁效應的影響,群樁的負摩阻力變低.在相同邊載條件下,群樁遮擋效應系數(shù)呈現(xiàn)中樁>邊樁>角樁的趨勢,中樁的遮擋系數(shù)最大,遮擋效果最好,承受的負摩阻力最小.當邊載增大時,遮擋效應系數(shù)也呈現(xiàn)增大的趨勢,代表群樁效應也在不斷增強.隨著邊載等級的增加,角樁與邊樁的下拉荷載增長率接近,且大于中樁,說明增加邊載對內(nèi)側樁基的負摩阻力影響較小,對外側樁基的影響較大.

3.3 不同樁間距對群樁負摩阻力的影響

為考慮樁間距改變的情況下對樁基負摩阻力的影響,在模擬軟件中設置固定90 kPa的邊載等級,樁徑、樁長、樁身材料等參數(shù)不變,設置2d,3d,4d,5d(d為樁身直徑)的樁間距,觀察不同樁間距下樁身軸力的變化情況,統(tǒng)計各個位置樁的下拉荷載,通過式(1)、式(2)求出負摩阻力群樁效應系數(shù)和群樁遮擋系數(shù),分析各樁負摩阻力變化情況,見表4.

表4 樁基下拉荷載、群樁效應系數(shù)及遮擋系數(shù)

由表4可以看出,當樁間距不同時,各樁下拉荷載產(chǎn)生了顯著的變化,中樁的下拉荷載從2倍樁間距時的403.6 kPa增加到5倍樁間距時的505.9 kPa,增加了102.3 kPa,反觀此時的邊樁和角樁,下拉荷載分別增加了412.1 kPa,379.9 kPa,增加幅度遠超中樁,角樁的下拉荷載依然保持最大.此時群樁效應系數(shù)漲幅明顯,從2倍樁間距時的0.518增大到5倍樁間距時的0.788,其隨著樁間距的增大而增大,同時群樁樁基的下拉荷載也明顯上升,而負摩阻力遮擋系數(shù)則隨樁間距增大出現(xiàn)減弱態(tài)勢,對于單樁時的下拉荷載降低的程度較小,這是因為樁間距增加導致的群樁效應減弱.

4 結論

本文利用ABAQUS軟件模擬分析了在邊載作用下群樁基礎中樁基負摩阻力的變化情況,通過計算負摩阻力群樁效應系數(shù)得到各參數(shù)變化下群樁效應的強弱變化情況,由此得出以下結論:

(1) 與常見的堆載問題不同,當邊載增大時,群樁效應系數(shù)不斷減小,說明此時群樁效應發(fā)揮更好;群樁遮擋系數(shù)在增大,說明此時群樁的遮擋效果更好.在相同邊載下,遮擋效應系數(shù)中樁>邊樁>角樁,說明中樁受遮擋效果最好,樁身的負摩阻力最小.

(2) 當群樁的樁間距增大時,各位置樁的下拉荷載均呈增大趨勢,中樁、邊樁、角樁等不同位置樁的群樁遮擋效應系數(shù)都在減小,群樁的遮擋效果變差,各樁承受的負摩阻力變大,群樁效應明顯降低.