竖向荷载作用下复杂群桩的变形及荷载分布

邓小雪，李龙起，张 帅，何 川，李昌林

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

群桩基础是指由2根以上桩通过承台联成一体组成的桩基础。在竖向荷载作用下，承台、土、桩三者形成一个工作体系共同承担上部荷载，变形和承载性状相互制约，来自上部的竖向荷载在桩侧和桩端平面形成应力叠加，因此往往与外界条件和分析方法相同的单根桩存在较大差别。近年来，尤其是一些软弱地基、桥梁、码头、东南沿海地区等广泛使用该类桩基，在湿陷性黄土、淤泥质土等一些特殊土地区的应用还比较滞缓，研究资料也相对缺乏。由于群桩受力特性、基础设计和施工都相对复杂，工程理论指导还不完善，实际的工程情况与现有理论还存在一定差别。因此，探讨群桩基础在复杂地基的工作性状和荷载分布具有实际的工程意义。

近年来，众多学者针对桩基础在竖向荷载作用下的工作性状进行试验研究，取得了相应的成果。张海超[1]通过测量桩身应变及单桩桩顶和群桩承台的沉降数据，结合MIDAS/GTS研究分析了单桩及2种不同角桩桩距条件下群桩基础的承载性能和沉降变形特征；杜思义等[2]通过物理模型试验及FLAC 3D分析研究了桩间距和单桩长径比对群桩整体承载力的影响；郑刚等[3]研究了单根桩在不同垂直度时逐级施加荷载作用下桩顶沉降及桩身轴力和弯矩的变化；周淑芬等[4]、欧碧峰等[5]通过分析超长灌注桩的室内模型试验和实测数据，研究了超长群桩的荷载传递机理和承载力特性；李龙起等[6]在室内对不同倾角的桩基进行了物理试验，得出基桩倾角是导致竖直桩基和倾斜桩基竖向承载特性显著不同的主要原因之一；赵明华等[7]对软土地区超长大直径灌注桩进行了竖向承载力试验研究；刘福春[8]对黄土地区群桩性状进行了分析，指出因群桩受黄土湿陷性的影响，单纯的数值模拟并不能准确分析桩身轴力及沉降情况，需要考虑桩基础的负摩阻力。上述一系列研究多基于单桩的工作性状和室内群桩模型试验，就桥梁群桩基础工作性状及沉降分析作了一定研究[9-10]。结合数值模拟[11-13]对桩基础的分析也有一些突破性的进展，然而对以下问题还有待进一步研究：①非均质土层下超长群桩的荷载传递性状还不明确；②基桩中角桩、边桩、中桩的荷载分担性状；③群桩的侧向受力情况，以及平台的偏移量与倾斜角度。

本文以厦深客运专线韩江特大桥潮安县段桩基工程为背景进行群桩基础在逐级加载条件下承载特性分析，由于现场桩基及工程地质条件复杂，现场荷载试验工作量大且造价高，并且在试桩过程的外界因素和实际中也有一定差别，因此选用有限元分析软件ABAQUS模拟此大型群桩基础，研究群桩的荷载传递性状及基桩受力的差异性分布，研究结果为类似桩基工程提供理论依据。

1 有限元模拟

利用有限元分析软件ABAQUS对11根竖直群桩进行模拟，在承台顶部采用12级累次加载，对承台上顶面施加分布力进行均布加载，每级加载为 2 227 kN，加载到 26 724 kN。

1.1 现场工点概况

工点位于厦深客运专线DK188+088—DK205+317段，该区域为海积平原地貌，地形平坦开阔，地表以下存在深厚软土层，地层分布如下：①淤泥质黏土，流塑状，局部含有机质，厚度为32.6 m；②粉质黏土，硬塑状，厚度为12.6 m；③细圆砾土，中密，局部夹5%左右的粉黏土及1.2%左右的云母片，厚度为28.0 m；④黏土，硬塑状，局部含3%～5%粉砂，厚度为8.2 m。场地地层分布图及各层土的物理力学指标分别如图1所示和表1所列。

图1 土层剖面(单位：m)

土层名称密度/(g·cm-3)压缩模量/MPa含水率/%黏聚力/kPa内摩擦角/(°)淤泥质黏土1.571.7967.9210.257.75粉质黏土1.845.1936.4936.5715.34细圆砾土2.0512.1833.608.3540.30黏土1.895.0239.3638.8318.67

现场桥梁采用32 m简支梁桥，墩柱采用矩形双柱墩，基础采用泥浆护壁钻孔灌注桩，桩长71 m，桩径1.25 m。

1.2 有限元模型的建立及参数确定

1)土

土体采用Mohr-Coulomb模型，桩侧与土之间的接触通过接触对来实现，采用库伦摩擦(Coulomb friction)模型来描述接触面间的摩擦行为。通过模拟实验结果与文献[6]对照，不断调整参数，反演得到摩擦因数为0.35。由于桩身刚度比土体刚度大，将桩设为主控面，土体设为从属面。为保证承台与桩体共同作用，将承台与桩体之间连接成整体，采用弹性均质体进行模拟，因此桩端与承台底部未施加接触。有限元模型为三维实体模型，建立模型的边界条件，在土体的底面边界，限制其竖直和水平方向的位移，在土体的两侧，限制其两水平方向上的位移，有限元模拟时土体参数采用现场工点的参数。

2)钢筋混凝土桩

承台尺寸为13.1 m(长)×8.5 m(宽)×2.0 m(高)，采用直径为1.25 m，长度为71 m的圆桩。混凝土为弹性材料，桩身混凝土物理力学参数见表2。桩基础平面布置如图2所示。有限元网格划分采用C3D8R单元，承台与群桩共计 12 768 个单元，地基土共计 175 443 个单元。

表2 桩身混凝土物理力学参数

图2 桩基平面布置示意

2 有限元结果与分析

2.1 承台顶及桩顶荷载沉降特征

图3 不同位置处承台顶荷载沉降曲线

在承台顶逐级加载的过程中，承台顶沉降与承台顶荷载呈线性关系，基本呈“缓变性”，未出现显著的转折点和陡降。不同桩顶荷载时，各基桩沉降见表3。可知,荷载为 13 362 kN 时，中桩、边桩、角桩的最大竖向位移分别为33.61，33.55，33.44 mm，出现在桩顶边缘；最小竖向位移分别为32.05，31.53，30.79 mm，出现在桩端边缘处。荷载为 26 724 kN 时，中桩、边桩、角桩的最大竖向位移分别为78.34，78.18，77.97 mm，出现在桩顶边缘；最小竖向位移分别为75.16，73.90，72.29 mm，出现在桩端边缘处。随着荷载增加，各基桩竖向位移量增加，同一桩体最大位移与最小位移量之差逐渐增大，桩顶沉降量的变化较桩端更明显。

表3 各基桩沉降 mm

2.2 桩身轴力随基桩桩体深度的变化特征

图4为承台顶承受上部逐级加载时基桩的桩身轴力随桩体深度变化曲线。11根基桩的桩身轴力在同一级加载和同一深度处具有一致性，群桩中各基桩的桩身轴力都随上部荷载的增大而增大。基桩桩身轴力沿深度依次递减，在荷载较小时，各基桩在桩端处的荷载均较小。随着上部荷载的增加，各基桩在桩端所承担的荷载也越来越大，说明在竖直群桩中，桩侧阻力先于桩端阻力发挥作用。同时整个桩基表现出端承摩擦桩的性状，在逐级加载的过程中表现越来越明显的是：角桩轴力>边桩轴力>中桩轴力。在超长群桩中，轴力的衰减趋势边桩和角桩基本相同。在桩顶荷载较小时，边桩的桩身轴力比角桩略小，在桩顶荷载较大时，边桩的桩身轴力与角桩的桩身轴力相差较大。由于桩间距是桩径的三倍，属于小桩距布置，所以超长群桩的群桩效应比较明显，同时超长群桩的桩顶荷载出现了较大的不均匀性。由此可以看出，为了避免基桩荷载分担的不均匀性，又能较好地发挥群桩效应，可以在必要时适当的调整间距。

图4 不同位置处桩身轴力随桩体深度变化曲线

2.3 群桩桩侧摩阻力分布情况

图5 不同桩顶荷载时桩侧摩阻力分布

2.4 群桩的竖向变形情况

图6 不同桩顶荷载时群桩变形整体云图(单位：m)

图6为不同桩顶荷载时群桩变形整体云图。可以看出在竖向逐级加载的过程中，各基桩竖直方向上的变形均随桩顶荷载的增加而增大，变形均从桩顶向桩端传递。中桩竖直方向的变形最大，边桩的变形次之，角桩的变形最小，且边桩和角桩的变形相似，与中桩差异较大。这是由于外侧角桩和边桩的 “遮拦作用”，使得群桩内侧土体与基桩的相互作用不明显，导致中桩在竖直方向上的变形与角桩和边桩大不相同。同时，在承台顶上部逐级施加桩顶荷载时，基桩的上部受到压缩而对土产生向下的位移，从基桩上部向基桩下部逐渐产生桩侧摩阻力，摩阻力方向向上，与基桩位移相反，由此生成的桩身摩阻力将桩身所承受的桩顶荷载传递到桩周土周围，导致桩身的压缩变形随深度的增加而逐渐递减。承台顶荷载逐渐增大，桩身位移和压缩逐渐增大，基桩下部和桩周土的摩阻力逐渐发挥其作用，桩端也因此产生压缩变形。

2.5 承台变形情况

图7为不同桩顶荷载时承台位移云图。可知，在荷载为 13 362 kN 时，承台右侧和左侧水平方向的位移分别为0.25,0.26 mm；承台左侧和右侧竖直方向位移分别为33.74,33.45 mm。在荷载为 26 724 kN 时,承台右侧和左侧水平方向的位移分别为0.34,0.36 mm；承台左侧和右侧竖直方向的位移分别为78.58,78.02 mm。由此看出承台在荷载作用下不同位置处在水平向及竖直向的偏移都存在差异性分布。这是由于在非均质土层中，各基桩与土层的接触存在差异，基桩发生不同程度的偏移，在基桩与承台接触的边缘，土对承台的反力也因此存在差异，同时承台也随之倾斜。

图7 不同桩顶荷载时承台位移云图(单位：m)

在实际工程中，为了避免承台的偏移和倾斜过大，应采取相应的措施，如：①预先对不良地基土进行处理；②采取措施增加承台基础的抗弯刚度；③采取合理的布桩形式；④在 施工过程中控制施工误差。

3 结论与建议

2)承台顶部在竖向荷载作用下，各基桩的桩身轴力从桩顶到桩端逐渐递减，角桩、边桩、中桩在衰减的过程中呈一致性变化，衰减速度随桩基深度的变化而变化。本文是小桩距群桩，在桩顶荷载较大时，超长群桩的桩身荷载分布会出现较大的不均匀性，在竖直桩基中桩身轴力角桩最大，边桩次之，中桩最小。由于受群桩效应的影响，角桩与边桩的轴力较接近，中桩与边桩、角桩轴力的差异较大。

3)由于外侧角桩和边桩的“遮拦作用”，使得角桩和边桩在竖直方向上的变形性状相似，与中桩的变形大不相同。

4)对于上部结构具有振动荷载且自重较大的桥梁桩基，在考虑桩土之间的承载性状之外，同时也要确保承台的稳定和安全，不仅要按照桥梁桩基规范，还要切合实地的地质情况。

本文研究非均质土，但ABAQUS采用的是同一个摩擦因数，这与实际情况不太一致，只考虑承台顶上部加载对各基桩的影响，得出各基桩对上部荷载的分担情况。在11根桩的布桩过程中，也均采用了同一种桩间距。施工因素和桩土间的相互作用也存在偶然性和非确定性。因此，需对不同土层采用不同的摩擦因数并调整桩间距，也需对倾斜角度不同的基桩做进一步的受力性状分析。