超长群桩基础的有限差分数值分析

摘  要：承台-桩-土的相互作用使群桩基础的受力变形特性复杂，而超长桩由于桩身很长，加深了这种相互作用的复杂性。本文通过有限差分数值软件FLAC对承台标高不同、桩端土层不同及桩距不同的超长群桩基础进行了分析。计算结果表明，低承台对群桩基础的受力更有利。超长群桩因为桩身弹性压缩引起的沉降不容忽视。桩距越大，群桩效应的影响越小，但基桩桩顶的差异沉降越大力。本文采用有限差分数值软件FLAC计算，为超长群桩的设计计算提供了一种新的途径，计算结果对工程实际具有指导意义。

关键词：超长群桩基础;高承台;低承台;数值计算

中图分类号：U455.4    文献标识码：A         文章编号：2096-6903（2019）04-0000-00

0 引言

超长群桩由于桩侧摩阻力和桩端阻力不是同时发挥，当桩端的承载力充分发挥时需要相当大的桩顶沉降，可能导致上部结构对沉降的要求不能满足。因此，超长群桩基础的和一般桩长的群桩基础的承载性状是不同的，其设计理论也亟待改进。

本文借用岩土专用有限差分数值软件FLAC，分别对承台高和低、桩端土层差异、桩距不同等情况引起的超长群桩基础轴力和沉降等进行分析，以找出它们的不同和规律。

1 数值建模

岩土采用摩尔-库伦本构关系，桩和承台采用弹性模型。

岩土性质和分层采用表1的参数，土体建模采用110 m×110 m×115 m的实体。每层土的垂直地应力通过手算获得，垂直地应力梯度为相应土层的土体重度;水平地应力和梯度取垂直地应力和梯度的0.67倍。

超长桩取桩长90 m，桩直径1.5 m的混凝土桩。群桩基础由9根桩组成，布置见图1。桩采用程序内置的结构桩单元模拟。桩材料为C30，弹性模量3.0×10Pa，泊松比0.20。

承台材料参数与桩基础一致，取实体单元。土层表面标高为±0.0 m。分别进行如下几种情况的数值分析：

（1）取承台底部标高-2.0 m（低承台）、±0.0 m和2.0 m（高承台）三种情况进行计算。承台材料与桩相同尺寸为10.0m×10.0m×2.0m，低承台与土之间采用接触面单元。

（2）调整承台尺寸，取桩间距分别为2 d（承台尺寸10 m×10 m）和2.5 d（承台尺寸10 m×10 m）、3 d（承台尺寸13 m×13 m）、4 d（承台尺寸16 m×16 m）和6 d（承臺尺寸22 m×22 m）进行群桩效应的分析，d为桩直径。

（3）对桩端土层分别为粘土、砂土和圆砾三种情况进行分析。土层参数及分层情况见表2。

2  计算结果

在承台表面墩身范围内作用相当于每根基桩桩顶分配5×10  kN的荷载的均布力。

2.1 承台高度不同

轴力和沉降结果分别如图4和图5。

由图2可以看出，在承台顶受力相同的情况下，低承台桩基的各桩受力最小。承台搁置在土体表面的桩和离开土体的高承台的桩受力很接近。三种承台中，都是角桩受力最大，中心桩受力最小。

低承台桩基中，各基桩轴力在桩顶部有个先减小后增大的过程，表明此处产生了负摩阻。这是由于承台对台底土的压实作用，使该处的土体沉降大于基桩的沉降所致。

由图3可以看出，高承台对应的各基桩沉降要比另两种形式的承台大，低承台对应的各基桩沉降最小。

同种承台基础中各基桩桩顶的差异沉降很小，其中，角桩略大于其它两类桩，中心桩最小。

桩顶和桩底的沉降差最小的也接近0.5 mm，占桩顶沉降的35.8%，因此，桩身弹性压缩引起的桩顶沉降不容忽视。

2.2 桩距不同

轴力和沉降计算结果如图4和图5。

由图4（a）可看出，可以看出，角桩桩距越大，桩顶轴力越小;图4（b）中，桩距2 d边桩桩顶轴力最大，其次是桩距6 d，和角桩不同的是，桩顶轴力最小的是桩距4 d和2.5 d的;图4（c）显示，中心桩情况比较复杂，桩距6 d桩顶轴力最大，其次是桩距3 d，桩距2.5 d最小，桩距2 d居中。由于角桩承受的桩顶轴力最大，因此，从基桩桩身安全角度看，桩距越大越安全。

由图5可以看出，桩距2 d的基桩沉降最大，桩距6 d最小，即桩顶沉降随着桩距的增大而减小，即桩距越大桩基沉降越小。

桩距2 d及2.5 d时，各桩桩顶的差异沉降最小;当桩距3 d以上时，随桩距增大各基桩桩顶差异沉降增大。从超长桩设计的消除桩顶差异沉降角度考虑，本算例中的最佳桩距为2.0～2.5 d。

各基桩桩顶沉降都是中心桩最大，角桩最小。

2.3 桩端土层不同

取承台底标高-2.0 m，桩端土层分别为黏土、砂土和圆砾，计算结果如图6和图7。

由圖6可看出，桩顶轴力，以桩端为圆砾的最大，砂土的略小。各种桩端土层对应的桩基，都是角桩轴力最大，边桩次之，中心桩最小。

由图7可以看出，角桩、边桩和中心桩的桩顶沉降，都是桩端为黏土时最大，桩端为圆砾时与为砂土时很接近。因此，为了减小桩顶沉降，桩基应尽量进入持力层好的土层。各基桩桩顶差异沉降很小，其中，角桩桩顶沉降最大，中心桩的最小。

3 结论

通过以上研究，可得出以下结论：

（1）在承台顶荷载相同情况下，采用高承台群桩基础要比采用承台全部埋入土中的低承台基础的各桩轴力大。因此，低承台对群桩基础的受力是有利的。

（2）群桩桩顶的差异沉降很小，一般是角桩的桩顶沉降最大，其次是边桩，中心桩最小。超长群桩因为桩身弹性压缩引起的沉降不容忽视。

（3）桩距越大，群桩效应的影响越小。桩距越大，桩基桩顶的差异沉降越大。

（4）从控制桩顶差异沉降考虑，最佳桩距为2.0～2.5 d之间。

参考文献

[1]赵明华，何俊翘，曹文贵等.基桩竖向荷载传递模型及承载力研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2005，32（10）：37-42.

[2]阳吉宝.超长桩的荷载传递机理[J].岩土工程学报，1998，20（6）：108-112.

[3] 建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）[S].2011.

收稿日期：2019-06-10

作者简介：刘少成（1985—），男，湖北宜昌人，工学硕士，工程师，研究方向：地基基础试验检测。

Research of Effects on Super-long Group Piles Foundation by Different Elevations of Cushion Caps

LIU Shaocheng

（1.China Railway Bridge Science Research Institute，Ltd.，Wuhan Hubei 430034;2.State Key Laboratory for Health and Safety of Bridge Structures，Wuhan  Hubei 430034）

Abstract： Interaction of cushion caps-piles-soil make that bearing and deformation characters of group piles foundation are complex. Moreover， super-long group piles deepen the complexity of the interaction. By using the software of finite difference in this paper， cushion caps with different elevations are analyzed. The results show that when same forces act on cushion caps， axial forces of each pile and settlements of piles caps of low elevations cushion caps are less than high elevations cushion caps. So using low elevation cushion caps is more conducive to super-long group piles foundation.

Keywords：super-long group piles foundation;high elevation cushion cap;low elevation cushion cap;numerical calculation