地基预压对桩基承载性状影响分析

蔡晨雨，苏俊剑

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

引言

当天然地基上的浅基础所提供的承载力不能满足设计要求或沉降过大时，往往采用桩基础。桩基础的应用历史悠久，我国古代许多著名建筑如秦代的渭桥、隋朝的郑州超化寺、五代的杭州湾海堤以及上海的龙华寺等都是应用桩基的典范[1]。在近现代，随着科学技术和经济建设的飞速发展，高层、超高层建筑和大跨度桥梁以及大型的水利水运工程迅速增多，桩基础更是得到了广泛的应用。

桩基在施工和使用阶段，往往会承受各种各样不同的工况。比如许多港口、码头、道路堆场施工前期都会对地基进行预压处理，若地基处理后再进行桩基布置，势必会对桩基础的承载力造成较大的影响。针对此问题，本文基于有限元软件ABAQUS对单桩及群桩在地基预压工况下的竖向受力进行模拟分析。通过堆载预压地基的范围和堆载大小来研究超长桩在竖向荷载作用下承载力、桩顶Q-S 曲线、桩侧摩阻力的变化。

1 模型的建立

本文基础模型为桩长 L 为 70 m，桩径 d 为 850 mm 的有限元模型，模型的尺寸、材料数据及模型验证数据分别参考上海地区的实际工程试桩的尺寸、材料及试验结果数据[2-4]。具体桩、土参数、模型建立方法、模型正确性验证结果和单桩模型图见文献[5-8]。群桩模型网格图见图1。

图1 群桩有限元模型网格图Fig.1 Mesh of the soil and piles

本文进行预压地基时不考虑土体的固结。对单桩直接在桩周土体表面施加不同大小的压强模拟堆载，堆载范围为边长D 的取值分别为10 m、20 m、30 m，堆载q 的取值分别为50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，示意图如图2 所示。

图2 单桩预压地基模型图示Fig.2 Preloaded subgrade model of single pile

对群桩堆载范围边长D 的取值分布为20 m、40 m、60 m 堆载q 的取值分布为50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，示意图如图3 所示。

图3 群桩预压地基模型图示Fig.3 Preloaded subgrade model of group piles

堆载的施加在地应力步完成后进行，堆载预压完成后再进行桩顶荷载的施加。由于土体在进行堆载预压后桩基承载力有所提高，计算时将桩顶最大荷载施加至22 000 kN。

2 计算结果分析

2.1 单桩模型计算结果

1）桩顶荷载沉降Q-S 曲线分析

图4 为推载q=100 kPa 时，不同堆载范围边长情况下预压地基中桩基的桩顶Q-S 曲线对比图。桩顶荷载较小时，堆载预压对桩顶沉降影响较小，当桩顶荷载逐渐增加时，可以看出预压明显减少了桩顶沉降，且在预压堆载大小相同时，堆载范围越大，桩顶沉降减少量越多。

图4 不同堆载范围边长情况下桩的Q-S 曲线对比图Fig.4 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload side

图5 为不同堆载大小情况下，预压地基中桩基的桩顶Q-S 曲线对比图。其中图5（a）、图5（b）、图5（c）分别对应的堆载范围边长D 为10 m、20 m、30 m。从图中看出，当堆载范围的边长固定时，对土体施加的堆载压力越大，桩顶的Q-S 曲线越平缓，即桩基的承载性能越好。当桩顶荷载水平较低时，预压对桩顶沉降的影响较小，随着桩顶荷载的增加，可以看出堆载对桩顶沉降的减少作用也越明显。对比普通桩和各等级堆载大小下桩基极限沉降时的桩顶荷载：对于图5（a），堆载每增加50 kPa，桩顶荷载分别增加为普通桩桩顶荷载的8.98 %、11.47 %、12.83 %、14.26 %；对图5（b），相应的比例为 10.76 %、13.38 %、15.54 %、17.34 %；对图 5（c），该比例为 13.22 %、16.18 %、18.75 %、20.72 %，说明堆载范围边长较小时，堆载大小的增加对桩顶沉降的减小作用较不明显，随着堆载范围边长的增加，堆载大小的增加对桩顶沉降减小的作用越来越明显，即对土体进行预压时要合理的配置堆载的范围和堆载大小。

图5 不同堆载大小下桩的荷载沉降曲线对比图Fig.5 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload

2）桩侧摩阻力曲线分析

堆载对土体的影响一般随着深度的加大而减弱，因此预压地基对桩基础承载力的影响主要体现在对桩体上段桩侧摩阻力的影响上。图6 为堆载范围边长D=20 m，堆载大小q=100 kPa 时各级桩顶荷载下对应的桩侧摩阻力分布图。

图6 各级荷载下预压地基桩侧摩阻力分布图Fig.6 Distribution of preloaded pile’s skin friction under different axial load

从图中可以看出，对土体进行预压后，在土体表面附近桩侧摩阻力明显得到提升，在土体深度7 m 到15 m 处，桩侧摩阻力的强化效果明显减弱，从第三章建模时采用的土体参数可知，该深度处的土体性质较差，说明预压效果受土体性质影响较大。将上图中桩顶荷载v=16 200 kN 时的侧摩阻力曲线和普通桩在同样桩顶荷载时的桩侧摩阻力曲线作对比如图7 所示。图7 在该荷载下，普通桩的桩侧摩阻力已达到极限值，而承受相同荷载时，预压地基后桩基的侧摩阻力在桩身下部还没有完全发挥，虽然桩身上段桩侧摩阻力也达到了极限值，但明显经过预压处理后桩身上段的极限侧摩阻力得到了提高，这部分高出的侧摩阻力就是桩基沉降减少的原因。

图7 v=16 200 kN 时预压桩和普通桩侧摩阻力对比图Fig.7 Comparison of preloaded and normal pile under load v=16 200 kN

图8为桩顶荷载v=16 200 kN，预压堆载q=100 kPa 时，堆载范围边长D 不同时的桩侧摩阻力对比图。此时桩体上部的侧摩阻力都以达到极限值，从图中可以看出，在堆载相同时，堆载范围越大，对桩身上段极限桩侧摩阻力的值提高越大，而随着深度的加深，堆载预压对桩侧摩阻力的强化相应逐渐减弱，在桩身中部预压地基中的桩和普通桩的桩侧摩阻力力极限值相同。在桩身下部，堆载范围边长D 越大桩侧摩阻力越小，即桩侧摩阻力可以抵抗更高的桩顶荷载。

图8 不同预压范围下桩侧摩阻力对比图Fig.8 Comparison of pile’s skin friction under different preload area

图9 为桩顶荷载v=16 200 kN，堆载范围边长D=20 m 时，不同预压堆载q 对应的的桩侧摩阻力对比图。从图中可以看出，堆载q 越大，对桩身上段桩侧摩阻力极限值提高幅度越大，尤其是在较浅土层，堆载对桩侧摩阻力的提高作用非常明显。随着土体深度加深，该增强效应逐渐减弱。而且在土体性质较差的土层处侧摩阻力加强效应明显减弱。在桩身下段，由于桩体上部平衡了较大的桩顶荷载，所以下侧摩阻力仍有较大发挥余地。

图9 不同堆载大小下桩侧摩阻力对比图Fig.9 Comparison of pile’s skin friction under different surcharge

2.2 群桩模型计算结果

图10 为D=40 m，q=100 kPa 时堆载预压地基后桩与土体的竖向位移云图。可以看出在堆载范围内及其外围一定距离区域，由于堆载的作用土体的发生了明显的下沉，说明图中应力较初始状态有所增加，从而桩侧摩阻力也会受到影响。

图10 堆载预压地基的竖向位移云图Fig.10 The vertical displacement contours of preload subgrade

1）桩顶荷载沉降Q-S 曲线分析

图11 为桩距w=3 d，q=100 kPa 时不同堆载范围边长情况下预压地基中桩基的桩顶Q-S 曲线对比图，图11（a）、图11（b）、图11（c）分别为角桩、边桩、中桩的桩顶Q-S 曲线。对角桩和边桩，在同一预压荷载下，堆载范围的边长越大，桩基的Q-S 曲线越平缓，即承载性能越好，当桩顶沉降S=60 mm 时，未进行地基预压和地基预压范围边长D=20 m、40 m、60 m 时，角桩的桩顶荷载分别为14 850 kN、15 860 kN、16 490 kN、16 925 kN，相应增长率分别为6.8 %、11.04 %、13.97 %；相应条件下边桩的桩顶荷载为14 215 kN、14 865 kN、15 460 kN、15 780 kN，增长率分别为4.57 %、8.76 %、11.01 %，所以堆载范围变化对角桩的影响明显强于边桩。从图11（c）可以看出，预压堆载范围边长的变化对中桩桩顶Q-S 曲线几乎没有影响。

图11 不同堆载范围边长情况下群桩的Q-S 曲线对比图Fig.11 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload side

图12 为桩距w=3 d，堆载范围边长D=40 m 时，不同堆载大小情况下预压地基中群桩的桩顶Q-S 曲线对比图。由图中可以看出，桩顶沉降s=60 mm，堆载大小分别为q=50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa 时，角桩承受荷载分别为15 635 kN、16 080 kN、16 335 kN、16 630 kN，相较未进行地基预压中的桩顶荷载分别增加5.29 %、8.28 %、10 %、11.99 %；边桩承受荷载分别为14 800 kN、5 190 kN、15 460 kN、15 835 kN，相较未进行地基预压中的桩顶荷载分别增加4.15 %、6.9 %、.8 %、11.44 %，所以预压堆载的增加对角桩和边桩的承载力均有一定程度的增大作用，同时在相同堆载增加情况下，角桩承载力的提高程度要高于边桩。由图(c)可以看出，对于中桩而言，堆载大小的变化所对应的桩顶Q-S 曲线与未进行堆载预压的Q-S 曲线基本重合，说明堆载大小变化对中桩的承载力几乎没有影响。

图12 堆载大小不同时群桩桩顶荷载沉降曲线对比Fig.12 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload

2）桩侧摩阻力曲线分析

图13 为桩距w=3 d，桩顶荷载v=14 400 kN时，未进行地基预压的群桩基础和地基预压范围边长D=40 m，堆载q=100 kPa 的预压地基中的群桩的桩侧摩阻力对比图。从图中可以看出，地基预压后角桩和边桩在桩身上段的桩侧摩阻力较未进行地基预压的角桩和边桩的桩侧摩阻力明显增加。而对于中桩而言，地基预压后其桩侧摩阻力的发挥程度反而有所减小，说明地基预压对角桩和边桩的桩侧摩阻力有增强作用，而对中桩影响较小。

图13 未预压地基和预压地基中的群桩桩侧摩阻力对比图Fig.13 Comparison of pile’s skin friction of piles in unpreloaded subgrade and preloaded subgrade

图14 为桩距w=3 d，桩顶荷载v=14 400 kN，预压堆载q=100 kPa 时，堆载范围边长D 不同时的群桩角桩桩侧摩阻力对比图。可以看出堆载范围越大，桩身上段25 m 范围内的桩侧摩阻力极限值越大，而深度继续加深时地基预压对桩侧摩阻力则不再有增强的效果。

图14 不同预压范围下角桩桩侧摩阻力对比图Fig.14 Comparison of corner pile’s skin friction under different preload area

图15 为桩距w=3 d，桩顶荷载v=14 400 kN，堆载范围边长D=40 m 时，不同大小堆载q 对应的群桩角桩桩侧摩阻力对比图。从图中可以看出，堆载q 越大，桩身上段桩侧摩阻力极限值太高越大，且在土体浅层桩侧摩阻力提高程度非常明显。堆载范围和堆载量的增加无论为群桩还是单桩都明显的提高了桩身上段的桩侧摩阻力，但分别对比图8与图14，图9 与图15 可发现，堆载预压对单桩桩侧摩阻力的提高程度要强于群桩，说明群桩效应的存在减弱了堆载预压地基对桩承载力提高的作用。

图15 不同堆载大小下角桩桩侧摩阻力对比图Fig.15 Comparison of corner pile’s skin friction under different surcharge

3 结语

本文利用ABAQUS 有限元软件对地基预压后的桩基承载性状进行研究，得出结论如下：

1）堆载预压地基可以提高桩基承载力，提高程度随着堆载大小和堆载范围的增大而增大。堆载范围边长较小时，堆载大小的增加对桩顶沉降的减小作用较不明显，随着堆载范围边长的增加，堆载大小的增加对桩顶沉降减小的作用越来越明显。

2）堆载预压地基后，桩侧摩阻力会因桩周土体应力增加而得到明显强化，但预压对桩侧摩阻力的增大效果受到土体性质的影响，且堆载对土体的影响一般随着深度的加大而减弱，因此预压地基对桩基础承载力的影响主要体现在对桩体上段桩侧摩阻力的影响上。

3）地基经过预压后，群桩的角桩和边桩的承载性能有所提高，而预压地基对中桩的承载力几乎没有影响；堆载范围边长和预压堆载的增加会明显提高群桩桩身上段的桩侧摩阻力，但与单桩相比，群桩效应的存在减弱了堆载预压地基对桩侧摩阻力的提高作用。