群桩基础

刘选民 顾彦峰

群桩基础受竖向荷载后，承台、桩群、土形成一个相互作用，共同工作的体系，其变形和承载力，受相互作用的影响和制约，因此，它的荷载传递模式比单桩复杂得多，主要有以下几个特点。

1 荷载传递模式不统一

高层建筑桩基通常为低承台式，承台在地基土上浇筑，因此在建造初期，荷载经由桩体和承台底面两条路径传给地基土;在长期荷载下的传递路径则与多种因素有关，诸如桩周土的压缩性，持力层的刚度，应力历史以及荷载水平等，或者保持原来的传递路径，或者可仅由桩传递。当桩顶(承台)下沉量小于承台底面土的下沉量(例如由于打桩的超孔隙水压力消散土体固结，桩周为欠固结土地下水位下降、自重湿陷性黄土浸水下沉等)时，土与承台脱开，荷载将全部由桩传给地基土;如果提高设计荷载，迫使桩产生足够的刺入变形，即使桩周土比较软弱，仍可使承台底面保持与土接触并传递荷载。但是，对于端承桩基础来说，由于持力层刚硬，桩不可能发生刺入变形，桩顶沉降仅为桩身与持力层的弹性压缩，其数值远小于桩间土得以发挥承载作用所需的压缩量，故地基不能与承台保持紧密接触，荷载将全部通过桩传递。同时，由于持力层实际上不可压缩(微小的弹性压缩也是“瞬时”完成的)，即不存在沉降问题，这意味着端承桩之间的相互影响已失去意义，因此，端承桩群中各桩的荷载传递和工作性状基本上与单桩相同，群桩的承载力由单桩承载力叠加，而沉降则等同于单桩。所以，以下关于群桩效应的讨论单指非端承桩。

2 地基土的应力状态

群桩基础的地基包括桩间土桩群外一定范围内的土体及桩端以下对桩基承载力和变形有影响的土体。群桩地基中的应力包含三部分:自重应力，附加应力和施工应力。

施工应力指挤土桩沉桩过程引起的挤压应力和超静水孔压，挤压应力将随着土体的松弛而消失，孔隙水压力会随着固结过程而消散。施工应力是暂时的，但它对群桩的工作性状都有一定的影响;孔压的消散使有效应力增大，从而使桩的承载力增大，但桩间土固结下沉又使承台底面脱空，并对桩产生负摩阻力。

附加应力来自承台底面接触压力和桩侧摩阻力以及桩底压力，在常规桩距(3d～4d)下，应力互相叠加，从而使桩周土和桩底土中的应力都大大超过单桩，其影响深度和压缩层厚度均成倍乃至十几倍地增加，从而使群桩承载力降低，沉降加剧。

群桩的地基应力有以下特点:

1)群桩桩端平面的应力可分为两部分;桩间区域的应力系由桩侧摩阻力的影响叠加而来，在桩长、桩距不变的条件下，其值随桩数增加而增大;桩底应力应在上述桩间应力上再叠加一项单桩的桩底应力。2)群桩的影响深度大，超过单桩，桩群的平面尺寸越大，影响深度亦越大，而且应力随着深度而收敛得越慢。3)桩间土的应力情况比较复杂。单桩的周围有轻微的附加拉应力;桩数不很多的桩群在桩间土的上部和中部仍存在一些附加拉应力，但比土自重应力小得多，故实际上不会造成土体的拉应力状态，大群桩的桩间土中则不再出现拉应力。4)桩群的影响宽度亦大大超过单桩，而且桩数越多，扩散角 β也越大，即影响宽度也越大。5)桩群的影响深度随桩数增加而增加。

桩身摩阻力与桩端阻力的分配:由于应力迭加的影响，群桩桩端平面的竖向应力比单桩的要增加很多，故群桩中每根桩的单桩端阻力也较单桩增大。此外，由于摩阻力的削弱，使得群桩中端阻力占桩顶总荷载的比例亦高于单桩，桩越短，这种情况越显著。

3 群桩竖向承载力计算

群桩的竖向承载力实际上包含了两种意义。首先，是指将群桩和一定范围内的土体看作整体时所能承受的竖向总荷载;当桩下存在软弱下卧层时应校核其强度;群桩中各桩均应正常工作，即对单桩承载力进行校核。其次，是指其所产生的沉降量应小于允许的沉降量。所以对于它的承载力计算有以下几种方法:

1)单桩承载力的简单累加法:这是最简单的计算方法，是将单桩承载力之和视为群桩的承载力，但仅适用于端承桩和符合如下条件的摩擦桩:

a.桩数n＜9;b.条形基础下的桩不超过两排。

从以上两条件可看出，大多数高层摩擦桩基不能采用简单累加法。

2)群桩效率系数法(规范法):桩基或复合基桩的侧阻力、端阻力、承台土阻力各具特定的群桩效应，故分别以侧阻群桩效应系数ηs，端阻群桩效应系数 ηp，承台土阻力群桩效应系数 ηc表征;另外，同一种方法的桩基，其侧阻、端阻、承台土阻力又各自具有一定的变异性，故分别以侧阻分项系数Rs，端阻分项系数Rp，承台土阻力分项系数Rc表征，因此，其桩或复合基桩承载力设计值的统一表达式为:

规范根据桩型、桩数、土层和作用的变化，以及单桩承载力的确定方法的变化，分别给出了不同的计算式，详见桩基规范5.2.2-1～5.2.2-4。

3)实体深基础计算方法。这是将桩群连同周围土体视为一个整体，作为一个实体深基础来分析的方法，其计算模式有两种，一种认为实体深基础的极限承载力 Qn由桩群周边上的极限承载力组成，另一种考虑了ψ/4的护散角(ψ为桩间土层的内摩擦角)，将桩端平面上扩大了的面积上的极限承载力称作 Qu。与这两种模式对应的计算公式分别为:

其中，N为上部结构传来的竖向荷载;P为桩承台及其上覆土的重量(常年地下水位以下按有效重度);G为桩及桩间土的总重(常年地下水位以下取有效重度);K为安全系数，取2～3，视Tu和Pu的取值可靠而定;Tu为桩身穿过土平均单位不排水抗剪强度;Pu为桩端处土层的单位极限承载力;A，B分别为群桩外围的长度和宽度;A1，B1分别为考虑扩散有 ψ/4后在桩端平面上的实体基础底面尺度;L为自承台起至桩端的长度。

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