群桩承载力及抗震设计分析

陈海洋

摘 要：桩基础在工程建设当中得到广泛地应用，从安全性上考虑，对群桩承载力的研究尤为重要。结合工程实践经验对桥梁工程中的群桩承载力及抗震设计进行分析探讨，为今后类似工程提供设计、施工及质量控制等参考资料。

关键词：桥梁工程；群桩承载力；抗震性能；分析

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.1672 3198.2016.22.098

1 概述

桩基础凭借着其承载力高、受力合理、安全可靠的优点，在基础工程中得到了广泛地应用。鉴于此，对桩基础承载力的研究显得尤为必要。对单桩承载力的确定已经有相对成熟的方法，但是在高层建筑基础设计中经常会用到群桩，由于桩土的相互作用使得群桩对群桩承载力的确定尚需要进一步探讨。尽管群桩由许多单桩组成，然而，群桩特性并不等于所有独立的单桩特性的总和。群桩特性比单桩特性更加复杂，这是由于桩的组合作用、桩群内桩之间相互作用和桩帽效应。例如，桩末端以下的某深度，由单桩加载引起的土压力是没有意义的。然而，在某深度，由于有很大的沉陷，或某支座性能失效，特别是下面是软土层，所有相邻的桩的压应力水平就会提高。通常，由于桩彼此相隔为直径的7至8倍，桩之间相互作用的影响会减弱。基于此，对群桩的轴向和横向承载力及其对应的沉陷和横向挠度及抗震进行了研究。

2 群桩承载力分析

2.1 群桩沉降

单桩的应力水平相当小，然而邻近桩的安装应力能提高桩尖下面的应力水平。增加应力水平对群桩沉降有两种作用。对应影响范围很大的群桩，沉降的幅度必然也大。在一个单桩上加载，此时下面的强压缩层并非处于受力状态，群桩的沉降将是非常大的。计算群桩的沉降常常用群座方法。如果基础底部不是很深的话，群桩可以简化为一个等效的块状伸展的底座基础。根据群桩周边的桩，可绘出等效底座的平面面积。对于柱桩或摩擦桩，其底座底面的假设是不同的。对于柱桩，底座底面位于桩尖附近；对于摩擦桩，底座底面位于桩尖以上全部埋入长度的1/3处。在群桩设计中，常常把等效沉降作为一个重要的参数。

2.2 群桩横向承载力与挠度分析

在横向荷载作用下，群桩的性能是不明确的。根据上节的介绍，群桩横向弯矩承载力大于群桩的全部单桩横向弯矩承载力之和，因为通过桩帽作用，这些桩的轴向抗力形成耦合作用。然而，由于桩之间的相互作用，群桩抵抗横向荷载的承载力，通常小于单桩独自抵抗横向荷载的承载力之和。在横向荷载作用下分析群桩的综合且切实可行的方法。应用有限差分法模拟基础单元的结构性能。通过刚性桩帽，桩与桩连接。根据所有桩的轴向和横向形变，建立力和弯矩的平衡。用一系列固定的、非线性的轴向和横向弹簧表示土反力。

3 抗震设计分析

桥梁深基础的抗震设计是一个重要的问题。设计方法随不同的基础类型而重点有所不同。桥梁深基础的最普通的类型是群桩，它包括沉人桩和现浇钻孔桩，群桩抗震设计至少要满足下面的目标：（1）在横向抗震荷载作用下，求出基础的承载力和挠度；（2）通过对整体桥梁结构的动力分析提供基础刚度参数；（3）抵抗液化作用，以及倾斜和摇晃等地面运动，确保群桩的完整性。

3.1 群桩抗震横向承载力设计

抗震横向承载力设计首先根据基础平面以上的许多附属桥梁结构，估计上部结构的抗震横向力与抗震弯矩、重心位置的加速度和地面加速度强度。此外，施加在桩帽上的抗震力和弯矩如同静力作用，检算每个桩的挠度和最大应力，并与容许设计值比较。由于抗震力是瞬变的自然现象，所以，抗震荷载抗力需要的安全系数小于静载的。规定抗震承载力比静态承载力高出33%值得注意的是，在本质上，以上方法是假静态的。通过忽略桩帽的性能，仅研究上部结构的抗震力和抗震动作用。根据群桩对静态横向荷载的响应，在整个抗震期间，群桩的响应是不同的。当抗震波经过土层时，会引起土层横向运动，因为受力，桩随着周围的介质运动。除极短的桩以外，在任意弯矩作用下，桩帽和桩尖可在不同的方向运动。这种运动导致桩的弯矩和应力增大。根据抗震动的强度和土层特征，对于桩的结构完整性，这种作用比来自上部结构的横向荷载更加危险。大量现场测量及震后调查均证明了桩的最大响应取决于抗震的地面运动。最危险的情况是，土的纵断面由模量较其他层大的刚性层夹着软弱层组成。在这种情况下，靠近软弱层与坚硬层界面的桩截面的局部抗震弯矩应力，几乎高出由来自上部结构的横向抗震荷载引起的弯矩应力。如果现场调查显示的地下土纵断面是这种类型，桥梁会有大的危险，至少用一个易于建立土与桩体系的动力耦合模型的高级计算机程序进行全面的动力分析。

3.2 求解群桩弹性常数

桥梁抗震设计的一个重要的观点是，通过动力分析求解桥梁结构的抗震力和弯矩的大小及分布状态。为了达到这个目的，必须用一个适当的分析模型来研究桥梁的基础特性。在目前的工程设计中，在分析模型中，把桩基础的力—位移关系简化为一个刚度矩阵，或一组可移动和转动的弹簧。弹簧特性取决于群桩里各桩端的刚度和桩的几何形状。根据桩外形尺寸和土纵断面，单桩端部的竖向或横向刚度。通过计算桩端对应单位力的位移，求出这些值。对于许多桥梁基础假设桩帽是刚性的。

3.3 抵抗土液化桩基设计分析

在地震过程中疏松土层产生的液化作用对群桩基础造成很大的危险，在地震期间，土的液化作用对群桩和上部结构的性能是有影响的。抗震强度和可液化的疏松土层的相关位置对引起液化作用有重要意义。如果疏松层靠近地表面，以及抗震强度适中，疏松层液化作用的主要效应是提高基础结构系统的基本周期，引起群桩和上部结构的重要的横向位移。对于高强度抗震，特别是坚硬土层中间夹着疏松层，疏松层的液化作用常常会导致桩产生裂纹和断裂，以及基础完全失去承载力，这样，上部结构就会破坏。

4 结束语

4.1 压实疏松的、可液化的土层

如果疏松层大部分是砂，用石柱通常可得到满意的效果。其他的研究，包括：射流灌浆，深土与水泥灌浆介质拌和，以及在现场可以采用各种振动压实的方法。靠近地表如果有液化可能的土层，有时候，采用全部开挖，用夯实的工程回填土替换也是可行的。

4.2 从周围的土层隔离群桩

通常的做法是安装一些单独的结构类型，例如套装、隔墙、土一拌合桩等，环绕着基础构成一个围墙。本质上，这种处理方法在桩的周围形成一个大型的砌体，同时增大桩的横向刚度和对剪切变形的抵抗力，以及限制桩周围的土的横向位移。在同一基础上，增加桩的数目和增大轮廓尺寸，由此，抵抗液化土层产生的力的横向抗力增大了。

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