群桩中斜直交替桩布置对群桩承载力的影响研究

李 杨

(中冀建勘集团有限公司,河北 石家庄 050050)

0 引言

微型桩是一种直径较小的桩基础。其直径一般小于400 mm,长细比不小于30。具有施工简便、占地面积小计布置形式灵活等特点。被广泛用于工民建基坑工程以及建构筑物的加固抗震等工程中。实际工程应用中,如何提高群桩基础的承载力是桩基础工程研究的重点和难点之一。既有研究表明,设置倾斜桩可以提高群桩的承载力。王孝哲和刘林林[1]基于FLAC 3D研究了倾斜微型桩群加固堆积层边坡稳定性。研究结果表明,倾斜桩的支护效果随桩倾角的增大而先增大后减小,倾角为60°时,加固方案是最优形式。张勇等[2]基于观测数据分析了管微型桩对倾斜楼房进行加固效应。结果表明,钢管微型桩具有较好的纠偏加固效果。郭景琢等[3]基于三维有限元数值模拟和现场实测结果,系统的分析了基坑斜直组合倾斜桩支护结构设计计算方法。结果表明,采用文中提出的计算方法与有限元计算结果吻合度很高,证明文中模型在结构设计与计算中的合理性。周海祚等[4]数值模拟研究了倾斜桩在基坑开挖过程中变形及破坏过程。结果表明,当桩的倾斜角度小于20°时桩的破坏为倾倒式,桩的稳定性随插入比和土体强度的增大而显著增强。郑刚等[5]基于物理模型试验研究了基坑倾斜桩支护性能,结果表明,斜桩的主动土压力比悬臂桩要小。在内外排桩夹角相同的条件下,内斜直组合结构形式的支护效果优于外斜直情况。郑刚等[6]基于大型深基坑工程,研究了倾斜桩支护结构的工作性能和基坑稳定性。结果表明,倾斜桩支护结构能够显著改善结构变形,提高基坑的稳定性。

本文采用数值模拟方法,开展微型群桩中斜桩布置形式对群桩承载力的影响,详细量化了斜桩分别在2×2、3×3和4×4群桩中提高群桩承载力的百分比。本文的研究可为相关工程设计及施工提供借鉴。

1 数值模型

1.1 模型建立

基于大型有限元软件Plaxis软件进行建模与分析。模型地层由上至下分别为粉质黏土、黏土和基岩层(图1)。粉质黏土和黏土厚度分别为21 m和9 m。土体材料模型采用摩尔伦理本构模型。岩土体及桩体的物理力学参数见表1和表2所示。其中桩的本构模型为线弹性,桩身材料为各向同性材料,且假定桩在变形过程中满足弹性变形。

表1 岩土体物理力学参数

表2 桩体物理力学参数

图1 数值模型示意图

1.2 模拟工况

为了研究不同群桩形式下,斜桩对群桩承载力的影响,本文考虑了2×2群桩、3×3群桩和4×4群桩形式下的承载性能。图2为群桩中斜桩的布置形式。其中2×2群桩在无斜桩时两根桩均是直立布置,有斜桩时两桩呈一定角度相交;3×3群桩在无斜桩时三根桩均是直立布置,有斜桩时两根斜向布置,一根直立布置;4×4群桩在无斜桩时四根桩均是直立布置,有斜桩时两根斜向布置,两根直立布置。数值计算中,荷载的施加主要考虑采用位移加载后换算为极限荷载。表3为不同群桩形式下施加的极限荷载。

表3 施加荷载工况 kN

图2 斜桩布置形式

2 计算结果与分析

2.1 2×2群桩效应分析

图3为受压荷载作用于2×2群桩下,布置斜桩和不布置斜桩的群桩沉降曲线。结果表明,布置斜桩后,桩群的承载力有显著的提高。Q-S曲线的斜率逐渐减缓。假定本文中,10 mm沉降对应的承载力为极限承载力。可以看到,布置斜桩后的极限承载力比不布置斜桩的极限承载力提高了近30%。总体来看,斜桩可以显著提高群桩的抗压承载力。

图3 受压荷载下桩的沉降规律

图4为受拉拔荷载作用于2×2群桩下,布置斜桩和不布置斜桩的群桩沉降曲线。结果表,布置斜桩后,桩群的抗拉拔承载力有显著的提高。Q-S曲线的斜率逐渐减缓。假定本文中,10 mm沉降对应的承载力为极限抗拉承载力。可以看到,布置斜桩后的极限抗拉承载力比不布置斜桩的极限承载力提高了近50%。总体来看,斜桩可以显著改善提高群桩的抗压承载力。

图4 受拉拔荷载下桩的沉降规律

图5为受水平荷载作用于2×2群桩下,布置斜桩和不布置斜桩的群桩沉降曲线。结果表,布置斜桩后,桩群的水平承载力有显著的提高。Q-S曲线的斜率逐渐减缓。假定本文中,10 mm沉降对应的承载力为水平极限承载力。可以看到,布置斜桩后水平极限承载力比不布置斜桩的水平极限承载力提高了近25%。因此,斜桩可以显著提高群桩的水平极限承载力。

图5 受水平荷载下桩的沉降规律

2.2 3×3群桩效应分析

图6为受压荷载作用于3×3群桩下,布置斜桩和不布置斜桩的群桩沉降曲线。结果表,布置斜桩后,桩群的承载力有显著的提高。Q-S曲线的斜率逐渐减缓。假定本文中,10 mm沉降对应的承载力为极限承载力。可以看到,布置斜桩后的极限承载力比不布置斜桩的极限承载力提高了近30%。总体来看,斜桩可以显著改善提高群桩的抗压承载力。

图6 受压荷载下桩的沉降规律

图7为受拉拔荷载作用于3×3群桩下,布置斜桩和不布置斜桩的群桩沉降曲线。结果表,布置斜桩后,桩群的抗拉拔承载力有显著的提高。Q-S曲线的斜率逐渐减缓。假定本文中,10 mm沉降对应的承载力为极限抗拉承载力。可以看到,不布置斜桩的群桩已接近破坏,而布置斜桩的群桩仍然完好。对于3×3群桩来说,布置斜桩提高的抗拉拔承载力比2×2群桩更显著。

图7 受拉拔荷载下桩的沉降规律

图8为受水平荷载作用于3×3群桩下,布置斜桩和不布置斜桩的群桩沉降曲线。结果表,布置斜桩后,桩群的水平承载力有显著的提高。Q-S曲线的斜率逐渐减缓。假定本文中,10 mm沉降对应的承载力为水平极限承载力。可以看到,布置斜桩后水平极限承载力比不布置斜桩的极限承载力提高了近15%。总体来看,对于3×3群桩来说,布置斜桩提高群桩的抗水平承载力比2×2群桩要稍弱。

图8 受水平荷载下桩的沉降规律

2.3 4×4群桩效应分析

图9为受压荷载作用于4×4群桩下,布置斜桩和不布置斜桩的群桩沉降曲线。结果表,布置斜桩后,桩群的承载力有显著的提高。Q-S曲线的斜率逐渐减缓。假定本文中,10 mm沉降对应的承载力为极限承载力。可以看到,布置斜桩后的极限承载力比不布置斜桩的极限承载力提高了28%。总体来看,斜桩可以显著提高群桩的抗压承载力。

图9 受压荷载下桩的沉降规律

图10为受拉拔荷载作用于4×4群桩下,布置斜桩和不布置斜桩的群桩沉降曲线。结果表,布置斜桩后,桩群的抗拉拔承载力有显著的提高。Q-S曲线的斜率逐渐减缓。假定本文中,10 mm沉降对应的承载力为极限抗拉承载力。结果表明,不布置斜桩的群桩已接近破坏,而布置斜桩的群桩仍然完好。因此,对于4×4群桩来说,布置斜桩提高的抗拉拔承载力比2×2群桩更显著。

图10 受拉拔荷载下桩的沉降规律

图11为受水平荷载作用于4×4群桩下,布置斜桩和不布置斜桩的群桩沉降曲线。结果表,布置斜桩后,桩群的水平承载力有显著的提高。Q-S曲线的斜率逐渐减缓。假定本文中,10 mm沉降对应的承载力为水平极限承载力。可以看到,布置斜桩后水平极限承载力比不布置斜桩的极限承载力提高了近15%。总体来看,对于4×4群桩来说,布置斜桩提高群桩的抗水平承载力比2×2群桩要弱,但和3×3群桩的承载力效应基本相同。

图11 受水平荷载下桩的沉降规律

3 结语

本文基于Plaxis软件,开展了群桩中斜桩布置形式对群桩承载力的影响研究,得到如下加点结论:

(1)在2×2群桩中布置斜桩比不布置斜桩的抗压承载力提高30%、抗拔承载力提高50%及水平承载力提高25%。

(2)在3×3群桩中布置斜桩比不布置斜桩的抗压承载力提高30%、抗拔承载力提高40%及水平承载力提高25%。

(3)在4×4群桩中布置斜桩比不布置斜桩的抗压承载力提高30%、抗拔承载力提高40%及水平承载力提高15%。

综合来看,2×2群桩中布置斜桩对群桩的承载力提高最显著,3×3群桩的提高效应次之,4×4群桩承载力提高程度最差。