桩端土层性质不同对超长群桩的影响分析

2013-07-10宋阮余昆付军

交通科技 2013年3期

宋阮余昆付军

（1.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司武汉 430034；2.武汉理工大学交通学院武汉 430063）

普通桩根据桩端和桩侧土分担的桩顶荷载比例，可以分为端承桩、摩擦端承桩、端承摩擦桩和摩擦桩几种形式。但对于超长群桩而言，桩土位移比较大，即使桩端土层很刚硬，桩侧摩阻力也不可忽视，不能将其简单地分为摩擦型或端承型［1－2］。另外，超长桩由于桩侧摩阻力和桩端摩阻力不是同时发挥，而要桩端的承载力充分发挥就需要相当大的桩顶位移，可能导致上部结构对沉降的要求不能满足［3］。

本文采用数值计算方法，分析桩端土性质不同情况下对高低承台群桩基础的承载性状的影响，并考虑承台－桩－土共同作用，为合理设计桩基承台提供理论依据。

1 数值建模

桩端土层分别取黏土、砂土和圆砾进行对比计算，见表1。土体模型尺寸为110m×110m×115m。

超长桩桩长90m，桩直径1.5m。桩混凝土材料的弹性模量为3.0×107kPa，泊松比取0.2，群桩基础由9根基桩组成。

承台尺寸为10.0m×10.0m×2.0m，材料和桩基础一致。在承台表面作用0.488kPa的均布力。针对不同土层，分别取承台下表面在土表面下2.0m 的低承台和土表面上2.0 m 的高承台2种情况进行分析。

表1 桩端不同土层参数

2 不同桩端土层对低承台的影响

取承台底低于土体表面2.0m 的低承台，桩端土层分别为黏土、砂土和圆砾进行计算，结果见图1～图4。

图1 群桩轴力对比图

图2 不同桩端土层桩基各桩轴力对比图

由图1和图2可见，当桩端为砂土和圆砾时，角桩和边桩桩顶附近的轴力有先减小后增大的过程。桩端为圆砾时，各基桩轴力曲线最陡，在靠近桩端位置处有突变，表明桩底分担的荷载最大。这是因为本算例中，土层上部为淤泥，剪切模量非常低，桩侧摩阻力很小。当承台和桩受压沉降、桩端为黏土时，桩底支撑很小，桩端土被压缩，桩和淤泥一起下沉；而桩端为砂土和圆砾时，桩底的支撑要大得多，桩端土的沉降很小，淤泥在受力相同的情况下，下沉比桩大，在桩侧产生负摩阻力。

从图1和图2还可看出，桩端为黏土、砂和圆砾时，角桩分别承受平均桩顶荷载的179%，167%和134%；边桩承受平均桩顶荷载的92%，97%和100%；中心桩则承受平均桩顶荷载的29%，36%和67%，表明桩端土层越坚硬，桩顶轴力在各基桩的分配越均匀。

图3 群桩位移对比图

由图3可见，角桩、边桩和中心桩的位移都是桩端为圆砾最小，砂土其次，黏土最大。因此，桩基应尽量进入持力层好的土层。

图4 不同桩端土层桩基各桩桩身位移对比图

图4中，桩端为黏土的桩基，桩顶未出现差异沉降。而桩端为砂土时桩顶差异沉降为0.5 mm，桩端为圆砾时差异沉降为0.64mm，即桩端持力层越好，差异沉降越大。各种桩端土层情况下均为角桩桩顶位移最大，中心桩最小。沿桩身向下，各桩桩身位移出现分离，都是角桩桩身位移最小，边桩其次，中心桩最大［4－5］。

3 不同桩端土层对高承台的影响

取承台底标高于土体表面2.0 m，桩端土层分别为黏土、砂土和圆砾进行计算，结果见图5～图8。

图5 群桩轴力对比图

图6 不同桩端土层桩基各桩桩身轴力对比图

由图5可见，桩端为圆砾时边桩和中心桩的桩顶轴力最大，但角桩的桩顶轴力3种桩端土层很接近，桩端为圆砾的角桩桩顶轴力要比桩端为黏土和砂土的略小。

桩端为黏土、砂和圆砾时，角桩分别承受平均桩顶荷载的177%，169%和158%；边桩承受平均桩顶荷载的92%，94%和97%；中心桩则承受平均桩顶荷载的31%，37%和45%，表明桩端土层越坚硬，桩顶轴力在各基桩的分配越均匀。

图6表明，不同桩端土的桩基，都是角桩桩顶轴力最大，中心桩最小。

将图5、图6和低承台的图1、图2对比可以看出，高承台各桩的桩顶附近均未出现负摩阻力，这是因为高承台不与土接触，不存在台底土也受压的现象。

图7 群桩位移对比图

图8 不同桩端土层桩基各桩桩身位移对比图

由图7可见，桩端土层为黏土桩身位移最大，砂土其次，圆砾最小。表明桩端岩土层越软弱，桩顶位移越大。

图8表明，不同桩端土层，桩顶部位均有微小差异沉降。沿桩身向下，各桩桩身位移出现分离，都是角桩桩身位移最小，边桩其次，中心桩最大。这是因为深度增加，桩侧土体作用加大，承台的作用减弱。中心桩桩侧土受应力叠加的影响最大，变形最大；而角桩桩侧土受应力叠加影响最小，变形最小。因此角桩轴力最大但变形最小，而中心桩受力最小但变形最大。