软土地区群桩基础受力特性研究

徐圣钦

摘 要：本文章主要介绍针对目前桥梁桩基工程设计时采用的m法的不足，对软土地区的群桩水平受力特性进行模型试验研究，分析各因素对横向受荷桩的荷载传递及桩土变形的影响规律。

关键词：软土；群桩基础

一、项目背景

我国东南沿海地区广泛分布着软土，这种软土通常是指抗剪强度较低，压缩性较高，渗透性较小的淤泥和淤泥质土等。工程桩是深入土层的柱型构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础。其作用是将上部结构的荷载，通过较弱的地层传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。桩基础具有承载力大、稳定性好、沉降小而均匀、沉降速率收敛快的特点。常用于竖向荷载大而集中、受大面积地面荷载影响的结构和在沉降方面有较高要求的建筑物等。桩基可以承受一定的竖向荷载和抗拔力，可用于高耸结构物超负荷和地下建筑或构筑物的抗浮要求，此外，还用于振动对结构的影响以及作为地震区的一种结构抗震重要措施。 在荷载作用下建筑物引起地基沉降，水平向偏移或不均匀沉降超过相应的允许值，将引起上部结构的变形。沉降是造成墙身开裂的主要原因，表现为倾斜、弯曲及空间扭曲，从而影响到建筑和构筑物的正常使用，严重的会威胁建筑物的安全，在软土地区产生此类现象的建筑物不少，有些建成后没两年，就需要进行加固处理。在以这类土质为地基的桥梁工程中主要采用群桩基础。在水平荷载作用下桩的受力性状是一个非常复杂的桩土相互作用过程。地基系数m法是国内比较盛行的计算横向受桩桩身水平位移和内力的方法。但众多的实践经验表明，m法对软土地区横向受荷群桩基础进行设计并不能达到预期的效果。本项目以沪通高铁为工程依托，作为“软土地区群桩基础侧向抗力m值取值研究”的主要内容之一，针对典型的深厚软土，开展横向受荷桩的大比例三维地质模型试验。

二、研究目的

本项目以沪通高铁为依托：①针对典型的深厚软土，开展横向受荷桩的大比例三维地质模型试验，研究桩长、桩径、桩的刚度、群桩效应、荷载大小等因素对横向受荷桩的荷载传递及桩土变形的影响规律；②在室内土工试验和地质力学模型试验的基础上，采用数值模拟和理论分析等方法，建立适用于软土地区的桩-土相互作用力学模型，研究桩土水平荷载传递规律。导出典型软土的m值与横向受荷桩主要影响参数之间的关系式，最终得到用来计算水平推力桩的m值，为工程设计提供依据，还可以降低经济成本、提高施工效率和安全度，并用于指导其它类似工程实践。

三、研究内容

1.搜集资料，进行理论分析。

2.开展横向受荷桩的大比例三维地质模型试验：（1）通过室内土工试验得到相关物理力学参数。（2）进行多组大比例三维地质模型试验：a、改变桩数，讨论群桩效应对群桩基础水平受荷特性的影响；b、根据不同的加载大小，研究水平荷载大小与群桩基础水平受荷特性之间的关系。

3.对比模型试验和理论计算得出的桩身弯矩、水平位移。并将模型试验结果与理论计算的结果相互比较，得出荷载-位移曲线，分析水平荷载-水平变位的关系，研究得出横向受荷群桩内力、变形规律。

四、研究方法

1.收集现场地质水文资料并进行整理，分析软土地区群桩基础主动受荷下受力 的特性。

2.根据国内工程所采用群桩基础的埋深、承台几何尺寸及桩土体应力影响范围的关系，考虑边界效应，根据试验本身可行性确定试验域，从而确定试验槽的尺寸。

3.通过室内土工试验获得相关物理力学参数，根据相似理论和实验室现有设备条件以及试验的可实现性，确定几何相似比。

4.按照刚度相似的控制条件确定采用有机玻璃管制作模型桩，混凝土制作承台，再根据用π定理计算出的几何相似比确定桩长、桩径，并确定群桩布桩形式为最简单的2*2。土体材料采用原型土。

5.模型试验水平加载沿线路纵向施加荷载，采用单向多循环加、卸载方法，加载时的最大荷载约为竖向设计荷载的80%，并取预估水平极限承载力的1/10～1/15作为每级加载增量。

6.采用沿桩身每隔10-15厘米对称布设电阻应变片的方法来测试水平荷载作用下桩身曲率变化。实际测量时所有应变片均采用半桥连接式，应变片的温度补偿采用一一对应式的同类材料补偿。采用两块大量程百分表测量桩的水平位移，并依靠两块百分表的的度数差和表间距计算出桩顶的转角。采用拉力传感器测试水平荷载的大小。

7.根据处理模型试验所得数据绘制水平荷载-水平位移关系曲线、水平荷载-承台转角关系曲线、荷载-桩身弯矩关系曲线，还可以根据各级水平荷载和相应的水平位移反算m 值，最后分析群桩效应、荷载大小等因素与横向受荷桩的荷载传递及桩土变形之间的关系。

五、试验结果

根据桩顶水平位移与水平力的关系曲线可得单桩临界荷载 为10N，极限荷载 为17.5N；群桩临界荷载 为60N，极限荷载 为100N

由单桩和群桩两组曲线不难得出：（1）同一荷载作用下，桩身水平位移随桩身深度的增加而减小；（2）相同桩身位置，桩身水平位移随荷载增加而增加；且在相同位置，相同荷载作用下，单桩的桩身水平位移大于群桩的桩身位移；（3）群桩由于群桩效应，在较小荷载作用下，桩身水平位移变化不大，且均小于单桩。

根据试捡所测得的桩身各测试断面测点处的拉应变和压应变 后，即可由该断面的弯曲应变 来计算相应截面的弯矩：

（1）同一荷载作用下，桩身弯矩在0cm-7cm范围内为负，且随深度增加而减小，7cm-20cm范围内随着深度增加而增加，20cm-50cm范围内随着深度增加而减小，当深度大于50cm后，弯矩约为0；（2）同一深度，桩身弯矩随荷载增加而增大；在20cm处，弯矩变化程度最大。（3）对比群桩与单桩的桩身弯矩图可得：相同大小荷载作用下，同一深度的单桩桩身弯矩大于群桩的桩身弯矩。

将理论计算所得的结果与试验结果相比较，分析如下：⑴在同样大小荷载作用下，试验所得的地面水平位移均小于理论计算结果。初步分析是由于试验土体为软土，具有泌水性，地表淤积较多水分，使得试验所用土体较工程实地土体更软，在相同荷载作用下，会产生更大的水平位移；⑵理论计算所得結果表明相同荷载相同深度的桩身水平位移，群桩小于单桩，这与试验结果一致。

六、结论

在桩身弯矩方面，由m法理论计算所得到的弯矩的最大值要大于实际试验的弯矩最大值，理论计算所得的桩身最大弯矩位置桩深要低于实际试验时最大弯矩出现的桩深，而两者间的差距不大。在桩身的底部出现了负弯矩，在m法中无法体现。而在位移方面，由m法理论计算所得到的桩身地面处的水平位移要小于实际试验所得桩身地面处的水平位移值，而两者间的差距较大。由此可见，用m计算所得的弯矩与实际试验比较接近，而且大于实际试验时的弯矩，因此是偏于安全的。而在地面处的水平位移方面，m法计算所得的水平位移要小于实际试验时的数据，且差别较大。因此，m法计算水平位移是比较不准确的，且是偏于不安全的。