桩距对大直径超长钻孔灌注群桩竖向承载性能的影响

纪 静

(广东 深圳 518000)

0 引言

凡以机械回转钻进成孔，然后向孔中灌注混凝土或钢筋混凝土所成的桩，叫做钻孔灌注桩[1]。相对于预制桩，钻孔灌注桩有其明显的的优势：1)施工时基本无噪声、无振动、无地面隆起或侧移，因此对环境和周边建筑物危害小；2)大直径超长钻孔灌注桩直径大、入土深，可选择的范围大；3)对于桩穿透的土层可以在孔中作原位测试，以检测土层的性质。随着科学技术日新月异的发展，钻孔灌注桩在高层、超高层的建筑物和重型构筑物中被广泛应用[2]。

ABAQUS可以根据实际情况建立合理的桩—土相互作用模型，能解决由于试桩困难及实测费用大而无法大量进行的问题。本文建立了不同桩间距(Sa=3D,4D,6D)下3×3群桩三维桩土相互作用模型，分析了不同桩间距对荷载—沉降曲线、桩顶荷载分布、桩身轴力分布、桩侧阻力分布的影响，得出不同桩间距下群桩受荷传递机理，为完善大直径超长钻孔灌注群桩的设计方法提供借鉴。

1 大直径超长钻孔灌注群桩ABAQUS有限元计算模型

1.1 计算参数

桩体材料参数、土体材料参数分别如表1,表2所示。

表1 桩体材料参数

表2 土体材料参数

1.2 有限元计算模型

在群桩基础结构中，钢筋混凝土的刚度远远大于土体弹性模量，群桩基础体系中桩体的变形更多的会体现出其弹性性质，因此可认为其变形特征满足线弹性本构的情况[3]。故本文选取线弹性模型作为桩体的本构模型，土体均采用Mohr-Coulomb(摩尔库仑)模型，分析桩土共同作用时采用面—面接触，将桩体作主控面(master surface)，土体作为从属面(slave surface)。由于其属于轴对称结构，为了简化计算模型，建模时采用1/4结构进行计算，桩和土单元均采用C3D8R，桩侧土取10倍的桩径，竖向取2倍的桩长[4]，见图1～图4。

模型中采用的假设如下[5]：

1)承台为刚性，承台与土体脱空，不受土反力作用；

2)桩的截面为圆形，桩身具有良好的垂直度；

3)群桩只承受竖向荷载，且荷载不偏心。

2 计算结果分析

本部分通过位移加载的方式对群桩进行竖向加载，分析了不同桩间距群桩的承载性状，即对不同桩间距下荷载—沉降曲线、桩顶荷载分布曲线、桩身轴力分布曲线、桩侧阻力分布曲线进行了分析。

2.1 荷载—沉降(P—S)曲线

图5和图6分别为不同桩间距下的群桩P—S曲线和单桩平均P—S曲线。

由图5和图6可知：

1)增加桩间距能提高相同沉降下的桩顶荷载，使承载力得到提高，并且有利于减小群桩效应对群桩承载性能产生的影响。因此在工程中，应该适度提高群桩基础的桩间距，增加桩间距能使群桩基础的承载力得到更好的发挥。

2)在相同的沉降下，单桩平均承载力随桩间距的增大而增大。由此，群桩基础中桩间距不宜过小，否则会限制单桩承载力的有效发挥。

2.2 桩顶荷载分布

图7～图9分别为不同桩间距下群桩桩顶荷载分配曲线。

由图7～图9可知：

1)在一定的桩顶沉降下，角桩承担的荷载最大，边桩居中，中桩最小。这是由于中桩受到来自周桩的影响最多，应力叠加现象最为明显，由此发生相同沉降所需的荷载最小。

2)随着桩间距的增大，中桩承担的桩顶荷载逐渐大于边桩。所以桩间距越大，不同位置基桩的荷载分担差别越小，桩顶的荷载分配越均匀，因此适当增加桩间距，可以使桩顶反力分布更加均匀，更好的发挥桩的承载力。

2.3 桩身轴力分布

由图10～图13可知：

1)桩间距Sa≥4D的情况下，角桩、中桩、边桩的轴力差距并不明显。产生这种现象的原因是随着桩间距的不断增加，群桩内部的桩体间距也随之增大，从而桩身与桩周土体的相互作用不断减小，中心桩的承载力可以得到更好的发挥，所以这三桩的桩身轴力相差很小。

2)桩身轴力沿桩身呈迅速减少的趋势，表明桩顶荷载沿桩身向下传递，桩身产生竖向压缩，桩与桩侧土体之间产生相对位移，导致桩侧土体对桩身产生向上的侧阻力，桩侧阻力分担了桩顶荷载，使轴力逐渐减少。并且随着深度增加，轴力衰减速率加快，桩身下部的轴力很小，几乎都接近于0，这也是超长桩的荷载传递特性，也充分体现了摩擦桩的特性。

2.4 桩侧阻力分布

由图14～图19可知：

1)随着桩间距的增大，角桩、边桩、中桩的桩侧阻力大小差距也慢慢减小，桩间距为6D的时候，三条桩侧阻力曲线基本重合，因为此时桩间距增大，群桩效应几乎可以忽略，所以群桩各桩都能充分的发挥桩侧阻力。

2)桩间距为3D时，桩侧阻力一直随着沉降值的增大在增大，桩间距为4D时，桩侧阻力加载值分界线为200 mm，在达到200 mm之前，桩侧阻力随着沉降增加一直在增大，后期桩侧阻力几乎稳定不变。桩间距为6D时，桩侧阻力的加载值分界线为150 mm，在这之前，桩侧阻力随着沉降的增大而增大，后期无太大的变化。因为桩间距越大，桩基越能充分尽早的发挥桩侧阻力。

3 结语

增加桩距会增加群桩中的单桩平均承载力，群桩效应系数也会增大，当桩间距Sa=6D的时候，基本可以忽略群桩效应的影响；桩间距越大，不同位置基桩的荷载分担差别越小，桩顶的荷载分配越均匀，角桩、中桩、边桩的轴力差距也随着桩间距增大而减小，桩基的桩侧阻力也能充分的发挥。

参考文献:

[1] 马 晔.超长钻孔灌注桩桩基承载性能的研究[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[2] 唐风华,嵇小海,毛益佳.大直径钻孔灌注桩的承载力发挥特性研究[J].现代交通技术,2010(5):23-24.

[3] 吴 鹏,龚维明,梁书亭.用三维有限元法对超长单桩桩端承载力的研究[J].岩土力学,2006(10):78-79.

[4] I.Shooshpasha,M.Afzali Rad.Study on Bearing Capacity of Pile in Liquefiableand Unliquefiable Soil Layers[J].Geo-Frontiers Congress,2011(11):6-9.

[5] Houxiang Liu,Xue Liao,Jianren Zhang.Numerical Analysis of Bearing Capacity of Pile Foundation Due to Urban Metro Tunneling[J].Geotechnical Special Publication,2011(215):38-39.