竖向荷载作用下群桩承载力及变形特性研究

朱育平 王文波 程 毅 李 刚 廖海权

（中建八局第二建设有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

随着我国经济建设的快速发展，各类建筑物对基础的要求越来越高。由于群桩基础承载力高和变形小的优点被广泛应用于基础工程建设中。目前，关于群桩基础的研究主要集中于桩的承载力和变形方面。杨德锋等[1]、杜思义等[2]综合采用承载力试验和数值模拟研究了群桩变形特性。结果表明，群桩的沉降随桩心距增加而增大，当桩心距大于5 倍直径时，沉降增加不再显著，当长径比为20~30 时，桩的承载力随桩长增大而增加。杜家庆等[3]基于有限元研究了群桩-土-承台相互作用。结果表明，当竖向荷载大于一般的群桩极限承载力时，群桩对桩间土的夹持作用减少，侧壁摩阻力增大。为了安全，通常可采用群桩沉降达到5%倍桩径时的荷载作为群桩的竖向极限承载力。

该文采用数值模拟方法，开展竖向荷载作用下群桩承载力及变形特性研究，讨论了桩的参数对群桩承载力及变形的影响。研究结果可为群桩工程设计及施工提供借鉴。

1 工程概况

G322G358 南宁至宾阳至黎塘公路工程位于广西壮族自治区南宁市兴宁区、宾阳县境内，项目起于南宁市兴宁区五塘镇，接已建成南宁市昆仑大道南宁至五塘段，往东，沿现有国道 G322 布设至昆仑镇，折向东北经宾阳县高田、河田，从宾阳县城规划区南面绕行至大桥镇接回国道 G358，随后往东沿 G358 布设，经王灵镇、黎塘镇，终于南宁市与贵港市界。路线全长89.135 km，共设置大桥18座，中桥26 座，小桥10 座，其中跨贵隆高速大桥下部基础采用群桩基础。

2 模型建立

2.1 有限元模型建立

跨河段设置桥梁跨越，其中徒骇河特大桥下部基础采用群桩基础。采用FLAC 进行建模，其中土体为典型的粉质黏土。群桩模型是由9 根低承台桩组成的。桩径为0.4m，桩长均为10m，桩间距为3 倍桩径，承台尺寸为3.6m×3.6m。建立的数值分析模型如图1 所示。桩基础加载方式采用分级加载。土体采用摩尔库伦本构模型，桩基础采用线弹性本构模型。模型的边界条件为四周约束水平和竖直方向的位移，底部为固定约束。计算中桩的转动位移也进行约束。

图1 数值模型示意图

2.2 计算参数选取

数值计算中将承台等效为刚体，并与桩采用刚性连接。桩土界面采用弹簧模拟，弹簧刚度取值为500 MPa。模型网格尺寸为0.1 m，网格数共3522 个。在数值计算中，具体的地基以及桩基础的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 长细比对承载力和变形的影响

计算得到的荷载-沉降曲线如图2 所示，Q-S曲线是典型的缓降型曲线，当荷载达到15MN 时，对应的沉降值约为110mm。证明桩的破坏属于刺入型破坏。

图2 荷载-沉降曲线

桩的长细比对桩的承载力影响如图3 所示。桩的长细比对桩的承载力影响较大。曲线平缓程度随桩长细比增大而增大。当荷载等于6MN 时，不同长细比对应的桩顶沉降分别为10mm、11mm、20mm 和38mm。由此可见，当桩的长度或者长细比增大到一定程度时，侧壁摩阻力更多的部分将传递到地基中，导致桩的承载力增大，沉降减少。此时，如果继续增大荷载，可能发生刺入破坏。随着长细比增大，桩逐渐由端承型向摩擦型转变。当长细比达到40时，桩的承载力完全由摩擦力提供。

图3 长细比对桩的承载力影响

3.2 桩间距对承载力的影响

桩间距对承载力的影响如图4 所示。桩顶的沉降量随荷载增大先缓慢增大，随后急剧增大。在其他条件不变的情况下，当桩间距从2d增至6d时，Q-S曲线变得越来越平缓。当桩间距为2d时，Q-S曲线的斜率最大。当桩间距减少时，群桩效应明显，桩土界面滑移量较小，桩的沉降主要表现在桩端土的整体压缩变形。当桩间距增大时，曲线趋于平缓，证明桩间土的压缩占主要因素。群桩效应减少，基桩可以充分发挥自身的承载力，群桩承载力近似等于单桩承载力之和。在实际工程中，合适的桩径比是充分发挥群桩承载力的重要因素。

图4 桩间距对承载力的影响

3.3 桩端土压缩强度对承载力的影响

桩端土压缩强度对承载力的影响如图5 所示。桩的端阻力随着桩端土弹性模量的提高而提高。在其他条件相同时，相同的沉降量下桩的承载力较大。当不考虑桩端土强度时，Q-S曲线表现出陡降型曲线。当桩端土强度达到8 MPa和10 MPa 时，Q-S曲线变的比较缓和，相应的承载力也大幅提高，沉降量减少。当不考虑桩端土的压强时，在不同荷载级别下，对应的沉降分别为10 mm、23 mm、48 mm 和96 mm，当桩端土强度到10 MPa 时，对应的沉降值为6 mm、10 mm、13 mm 和17 mm。因此在实际工程中，考虑桩端土强度的影响，应尽可能地将土质良好的地基作为桩的持力层，从而提高桩的承载力。在地基软弱的情况下，可采用地基处理的方式对地基进行加固。

图5 桩端土压缩强度对承载力的影响

3.4 承台刚度对承载力的影响

图6 为承台刚度对桩承载力的影响。结果表明，随着承台刚度的增大，Q-S曲线由陡变缓，在相同的荷载时，承台刚度越大，桩顶位移越小。这是因为承台可以承担一部分荷载。当承台刚度为15 G 时，在不同荷载级别下对应的沉降值分别为11 mm、20 mm、40 mm 和65 mm。当承台刚度为25G 时，在不同荷载级别下对应的沉降值分别为7mm、15mm、33mm 和69mm。当承台刚度为35G 时，在不同荷载级别下对应的沉降值分别为6mm、13mm、27mm 和55mm。当承台刚度为100G 时，在不同荷载级别下对应的沉降值分别为4mm、8mm、20mm 和40mm。此外，当承台刚度增大到一定程度时，桩的承载力基本保持不变。实际工程中，盲目增大承台刚度会导致材料浪费。

图6 承台刚度对承载力的影响

3.5 承台布置方式对承载力的影响

承台的布置方式对桩的承载力有一定的影响。对低承台来说，在不同的荷载级别下，对应的沉降分别为11mm、30mm 和62mm。而对高承台而言，对应的沉降分别为19mm、46mm 和88mm。这是由于，对高承台来说，由于承台和桩土之间分离，承台不承受竖向荷载，因此对应的Q-S曲线比较陡，对低承台来说，由于承台和土出现接触，承台会分担部分外荷载，因此桩的承载力主要由桩侧摩阻力和端阻力共同组成。承台分担的外荷载随着地基土沉降的增大而增大。

3.6 桩的弹性模量对承载力的影响

桩的弹性模量分别为15GPa、25GPa 和35GPa 工况下桩的Q-S曲线。桩顶沉降随桩的弹性模量的增大而减少。但当弹性模量增大到一定程度时，桩的弹性模量改变对承载力和沉降的影响越来越小。当桩的弹性模量为15GPa，加载大小为12MN 时，对应的沉降最大值为70mm，而当桩的弹性模量为35GPa，加载大小为12MN 时，对应的沉降最大值为64mm，两者的相对误差为8.5%。导致这一现象的主要原因是当桩模量增大到一定程度时，桩身压缩量减少，导致基础的沉降主要是由承台土、桩周土和桩端土形成的沉降，从而对桩的承载力影响变小。因此，在实际工程中，提高桩的强度或混凝土标号主要是保证桩身强度，但不可过分考虑桩的刚度对桩的承载力和变形的影响。

4 结论

该文基于FLAC 数值模拟，开展竖向荷载作用下群桩承载力及变形特性研究，讨论了桩的参数对群桩承载力及变形的影响，如长细比、桩间距、承台刚度以及桩身强度等参数，得到以下4 个结论：1）桩的长细比对桩的承载力影响较大。当桩的长度增大到一定程度时，侧壁摩阻力更多的部分将传递到地基中，导致桩的承载力增大，沉降减少。随着长细比的增大，桩逐渐由端承型向摩擦型转变。当长细比达到40 时，桩的承载力基本完全由摩擦力提供。2）当桩间距减少时，群桩效应明显，桩土界面滑移量较小，桩的沉降主要表现在桩端土的整体压缩变形。当桩间距增大时，群桩效应减少，群桩承载力近似等于单桩承载力之和。在实际工程中，合适的桩径比是充分发挥群桩承载力的重要因素。3）承台刚度越大，桩顶位移越小。当承台刚度增大到一定程度时，桩的承载力基本保持不变；与低承台相比，高承台由于承台和桩土之间分离，承台不承受竖向荷载，因此对应的Q-S曲线比较陡。4）桩顶沉降随桩的弹性模量的增大而减少。但是当弹性模量增大到一定程度时，桩的弹性模量对承载力和沉降的影响越来越小。