超长钻孔灌注桩基础群桩效应分析

陈志平 朱永珠 薛寒冰

近年来，随着科学技术的发展，桩基础的设计、施工水平都得到了很大提高，主要体现在:超长、大直径和大规模三个方面。其应用也越来越广泛，尤其是在大型桥梁工程中，如有名的东海大桥、杭州湾跨海大桥、苏通大桥等，都采用了大规模的群桩基础。对于群桩基础而言，最突出的问题就是群桩效应问题，而目前关于超长钻孔灌注桩的群桩效应的研究并不多见，因此，深入研究超长钻孔灌注桩的群桩效应是必要的。

1 群桩效应的基本概念

群桩基础受竖向荷载作用后，由于承台、桩、土的相互作用使其桩侧摩阻力、桩端阻力、沉降等性状发生变化而与单桩明显不同，这种效应称之为群桩效应［1，2］。群桩效应的出现，会使中心桩的沉降大于周边桩的沉降，中心桩的轴力小于周边桩的轴力。

群桩效应通常采用群桩效应系数［3］来衡量，群桩效应系数是指群桩的极限承载力与群桩中各桩按独立单桩考虑的极限承载

其中，η为群桩效应系数;Fm为群桩的极限承载力;n为群桩桩数;Fs为单桩极限承载力。

2 群桩效应的数值分析

为了研究超长钻孔灌注桩的群桩效应，本文以位于长江中下游的某大型跨江大桥为依托，通过有限元法分析超长钻孔灌注桩群桩效应的影响因素，主要分析桩间距和桩数的影响。

模型几何尺寸以及参数均参照依托工程。桩长109 m，桩径2．7 m，基桩采用线弹性本构模型，弹模取33 GPa，泊松比0．168，密度2 400 kg/m3。土体采用邓—肯张模型［4］，模型参数如表1所示。桩土之间设摩擦接触。桩距2．4d时的有限元网格见图1。

表1 土层参数

图1 有限元网格

图2 不同桩间距条件下桩顶荷载与沉降P—S曲线

图3 不同桩距下的极限侧阻力值

1)桩间距影响。不同桩间距条件下的桩顶荷载与沉降P—S计算曲线如图2所示。在相同的轴向荷载作用下，桩间距小的群桩基础沉降较大。桩间距越大，群桩的平均沉降越小，P—S曲线越平缓，这也表明随着桩间距增加，群桩基础的整体稳定性增强了，发生整体破坏的趋势减弱。不同桩距条件下的极限侧阻如图3所示，从图3中可以看出，桩距越小，极限侧阻越大，这主要是由于，桩距越小，桩间土体受桩的侧向挤压力越大，土体也就越密实，其极限侧阻力也就越大。

不同桩间距条件下的群桩效应系数如表2所示。从表中可以看出，随着桩距的增加，群桩效应系数越来越大，也就是群桩效应越来越弱，当桩径大于6倍直径时，群桩效应就基本不存在了。

表2 群桩效应系数表

图4 不同桩数条件下桩顶荷载与沉降P—S曲线

2)桩数的影响。为研究桩数对群桩效应的影响，分别建立了多个有限元模型，桩数分别为1，4，7，9，16。桩顶荷载与沉降 P—S曲线如图4所示。从图4中可以看出，在相同的荷载作用下，桩数越多，其沉降值越大。随着桩数的增加，荷载—沉降曲线更加平滑，这说明桩数越多，基桩稳定性越强。

由不同桩数条件下的群桩效应系数可以看出，在相同桩距的条件下，桩数越多，也就是群桩基础的规模越大，群桩效应越明显。

3 结语

利用有限元法分析了群桩效应的影响因素，主要表现在以下两方面:1)桩距越小，群桩效应越大，当桩间距大于6倍直径时，群桩效应基本不存在;2)桩数越多，群桩效应越大。

［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］ 刘金砺．竖向荷载下的群桩效应和群桩基础概念设计若干问题［J］．土木工程学报，2004，37(1):78-83．

［3］ 谢 涛，袁文忠，姚 勇．超大群桩竖向承载群桩效应试验研究［J］．公路交通科技，2003，20(5):61-63．

［4］ 钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［M］．第2版．北京:中国水力水电出版社，1996．