群桩水平承载特性数值模拟研究

宋修广，岳红亚，周志东，庄培芝，张宏博

(1．山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061;2．山东省路基安全工程技术研究中心，山东 济南 250061)

群桩水平承载特性数值模拟研究

宋修广1，2，岳红亚1，2，周志东1，2，庄培芝1，2，张宏博1，2

(1．山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061;2．山东省路基安全工程技术研究中心，山东 济南 250061)

针对目前群桩基础水平承载特性研究落后于工程应用的现状，采用数值分析的方法研究了软土地基管桩群桩基础在水平荷载作用下的承载特性。计算结果表明:群桩承受水平荷载时，承台前土体压缩变形范围明显小于承台后受拉变形范围;随着桩间距的增加，群桩侧向影响范围逐渐减小，而深度影响范围和桩顶位置处弯矩逐渐增大;相同水平荷载作用下前桩最大弯矩值明显大于后桩，前排桩桩身剪力零点位置高于后桩;当桩距达到6～8倍桩径时，群桩效应明显降低。

群桩 水平荷载 管桩 承载特性 影响范围

软土地基建筑物尤其是海洋平台、输电塔、岸防工程和大跨度桥梁等，水平荷载成为设计控制因素。软土地基中建筑物的基础一般采用桩基形式，除少数采用大直径单桩基础外，一般采用群桩基础［1-4］。群桩基础受桩—土—承台的共同作用，在承受水平荷载时，土体会产生应力和位移重叠区域，其水平承载特性较单桩复杂，群桩水平承载力并不等于各单桩承载力之和［5-6］。由于桩基属于地下工程，现场试验受限于试验条件、环境、人为等因素的影响，往往只能得出群桩水平承载力水平，难以揭示土体和桩体工作机理，因此很多学者采用数值模拟的手段研究桩基受荷特性。

课题组在文献［7］中通过现场试验和数值计算比较分析，确定了数值计算在管桩单桩水平计算中的合理性和适用性，并分析了管桩单桩水平承载特性的影响因素，明确了各因素的主次关系。基于上述研究，本文通过现场试验和数值模拟的对比分析，明确了数值模拟在群桩水平承载性能研究中的适用性和合理性。并采用数值模拟的手段，主要针对群桩中桩体的桩身位移及弯矩分布情况进行对比分析，以初步揭示群桩中桩—土—承台的荷载传递规律及协调变形特性，可为工程中群桩布置形式的优化提供参考。

1 群桩水平承载特性验证性分析

1.1 现场概况

试验区域位于鲁东地区黄河下游冲积平原，勘测揭露地层主要为第四系全新统冲击层(Q)，及第四系上更新统冲积层(Q)，岩性为粉土、粉质黏土和粉砂，局部地段分布有少量人工填土。物理性能指标见表1。

预应力管桩类别为AB桩，外径为600 mm、壁厚130 mm，桩长为25 m，C80混凝土。群桩布置形式为1×2型，桩间距为4D。采用慢速维持荷载法，荷载等级为50 kN。由于试验桩为工程桩，为避免本次试验影响桩体以后工作性能，试验控制水平位移为10 mm。

1.2 数值计算模型的选取

采用有限差分程序FLAC3D进行计算分析，建立与试验桩相同尺寸的计算模型。桩体和承台采用弹性模型;土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，模型的长、宽、高分别为40，20和50 m;桩—土界面采用Interface命令，允许滑移和分离;用 FLAC3D软件自带 History命令对不同荷载作用下桩身水平位移进行跟踪监测［8-9］。

1.3 试验结果对比分析

受现场试验条件的限制，现场试验仅测量桩顶位移曲线，见图1。

由图1可知现场试验和数值计算吻合度较高，同一水平荷载作用下数值计算对应桩顶水平位移较小，数值计算6 mm位移对应水平承载力为370 kN，为现场试验结果的1.06倍。通过比较分析，数值计算结果与现场试验结果具有较高的吻合度，数值计算模型选取和计算参数较合理，能够满足群桩效应综合系数的分析精度要求。

图1 荷载—位移曲线

2 数值计算模型建立

数值计算过程中假定承台与桩顶固结，并通过提高承台模量的方法予以反映。承台边缘与桩体最小距离等于0.5倍桩径，沿荷载方向模型长度为40 m;竖向深度50 m;垂直荷载方向保证承台边缘至模型边界距离大于10倍桩径。选用桩型为PHC-600(130)-ABLb型(桩径600 mm、壁厚130 mm、桩长29.0 m)，计算参数取值见表2。采用分级加载的方式，每级荷载取预估水平承载力的1/10～1/15［10］，1×2型群桩单级荷载为60 kN。

表2 群桩计算标准工况参数取值

3 计算结果及分析

3.1 土体影响范围

本文选取3D和9D桩间距计算工况，研究分析加载到10级荷载即600 kN时土体水平方向和深度方向影响范围，加载示意如图2。

图2 加载示意

表3为桩土影响范围结果汇总表，可以看出:①相同水平荷载时随着桩间距的增大，群桩侧向影响范围逐渐减小;②沿着荷载方向，承台前土体压缩变形范围明显小于承台后受拉变形范围，后者约为前者的1.3～2.5倍;③随着桩间距的增大，前后桩深度影响范围逐渐增大。前桩的深度影响范围小于后桩，但两者相差不大，600 kN荷载作用下位移影响深度约为10倍桩径。

表3 桩土影响范围汇总 m

3.2 前、后桩承载力不均匀性分析

由图3可知，600 kN水平荷载作用下，1×2桩型时，前桩最大弯矩值明显大于后桩，根据材料力学的基本理论可知前排桩所受剪力(即桩前土体抗力)值大于后桩。桩距为3倍桩径时前桩桩顶弯矩(39.1 kN· m)为后桩(5.63 kN·m)的6.9倍，而桩距为9倍桩径时前桩桩顶弯矩(69.7 kN·m)仅为后桩(29.5 kN·m)的2.4倍。前桩最大弯矩截面高于后桩，即前排桩桩身剪力零点位置高于后桩。

图3 前、后桩桩身弯矩对比

3.3 桩间距对群桩承载特性的影响分析

图4为不同桩间距对应桩身位移对比图。分析图4可知:相同水平荷载作用下，桩顶位移随桩距的增大不断减小;桩距为9倍桩径时桩顶位移(4.12 mm)仅为3倍桩径时(5.38 mm)的76%，表明随着桩间距的增大，群桩效应逐渐减弱，群桩的水平承载力逐渐提高。本文在数值计算的过程中，由于不考虑承台变形，故相同水平荷载作用下前、后桩桩顶处位移一致。

图4 1×2型群桩不同桩距下桩身位移对比

图5为不同桩距下桩身弯矩对比图。由图5可知:①相同水平荷载作用下，随着桩间距的增加，桩顶位置处弯矩逐渐增大，9D桩间距下前、后桩桩顶0.5 m处弯矩分别为3D桩间距的1.78和5.24倍，桩身最大弯矩随桩间距的增加逐渐减小;②由图5(c)可知，相同水平荷载作用下前桩弯矩明显大于后桩弯矩;前、后桩上部桩身弯矩变化规律基本一致，首先随桩距的增大而明显增大，变化速率逐渐趋向平缓，当桩距达到6～8倍桩径时，弯矩基本保持不变。对比图5(a)，5(b)中7D和9D桩身弯矩曲线，两者基本重合，表明两者承载特性基本一致。随着桩间距的增大，群桩效应影响逐渐减弱，当桩间距大于7D时，可不考虑群桩效应的影响。

图5 不同桩距下桩身弯矩对比

4 结论

本文通过数值计算对水平荷载作用下1×2型群桩基础受力特性进行分析研究，揭示了群桩前后桩影响范围和受力不均匀性以及桩间距对承载特性的影响规律，得出主要结论如下:

1)群桩承受水平荷载时，承台前土体压缩变形范围明显小于承台后受拉变形范围;随着桩间距的增加，1×2型群桩侧向影响范围逐渐减小，而前后桩深度影响范围逐渐增大，前桩的深度影响范围小于后桩，但两者相差不大。

2)相同水平荷载作用下前、后桩荷载分布不均匀，前桩最大弯矩值明显大于后桩，且前桩最大弯矩截面高于后桩，即前排桩桩身剪力零点位置高于后桩。

3)相同水平荷载作用下，随着桩间距的增加，桩顶处弯矩逐渐增大，9D桩间距下前、后桩桩顶0.5 m位置处弯矩分别为3D桩间距的1.78和5.24倍;0.5 m处桩身弯矩随桩间距增加变化速率逐渐趋向平缓，当桩间距达到6～8倍桩径时，弯矩基本保持不变，群桩效应影响减弱。

［1］孟凡丽，卢成原，汤丽君．水平荷载作用下群桩—土—结构共同作用分析［J］．浙江工业大学学报，2005(33):434-437．

［2］陶学俊，丁选明．水平荷载作用下PCC桩群桩效应数值分析［J］．防震减灾工程，2010(30):287-292．

［3］汤斌，陈晓平．群桩效应有限元分析［J］．岩土力学，2005 (26):299-302．

［4］蔡亮，鲁子爱，韩洁．横向荷载群桩效应分析［J］．水运工程，2003(1):4-7．

［5］周洪波，杨敏，茜平一．水平荷载作用下群桩相互作用的弹塑性数值分析［J］．水文地质工程地质，2003(3):29-34．

［6］汤斌，王月香，雷学文．承台底土阻力群桩效应系数有限元分析［J］．岩土力学与工程学报，2004(5):804-808．

［7］庄培芝，亓乐，周志东．水平荷载作用下单桩承载力影响因素分析［J］．公路，2013(8):12-18．

［8］马志涛．混凝土管桩水平受力性状有限元分析［J］．山东科技大学学报(自然科学版)，2009(5):30-34．

［9］张华华．水平荷载桩的现场试验与数值模拟分析［D］．扬州:扬州大学，2007．

［10］中华人民共和国交通部．JGJ 94—2008 建筑桩基技术规范［S］．北京:人民交通出版社，2008．

Numerical simulation study on horizontal load-bearing characteristics of group of piles

SONG Xiuguang1，2，YUE Hongya1，2，ZHOU Zhidong1，2，ZHUANG Peizhi1，2，ZHANG Hongbo1，2
(1．School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan Shandong 250061，China;2．Shandong Engineering＆Technology Research Center for Subgrade Safety，Jinan Shandong 250061，China)

As current studies on horizontal load-bearing characteristics of group of piles can not yet meet the engineering reality，the paper takes the foundation of pipe pile group that locates on soft soil base as the study object and applies numerical simulation in its research．T he results indicate that as horizontal loading imposes，soil in front of the bearing platform deforms within an evidently more limited scope than that behind the platform．As the pile interval goes up，the lateral scope of influence falls gradually，while the vertical scope of influence and the bending moment at pile tip rise．Under equal horizontal loading，the maximum bending moment of the front pile largely exceeds that of the back pile，as the null point of shear force locates higher on the front pile than that of the back pile．As the pile interval raises to 6～8 times of the pile diameter，group of piles effect is evidently weakened．

Group of piles;Horizontal loading;Pipe pile;Load-bearing characteristics;Influence scope

TU473.1+1

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．28

(责任审编 赵其文)

2014-12-09;

:2015-06-03

国家自然科学基金项目(41372300，51208284);山东省科技发展计划项目(2013GSF11603)

宋修广(1966— )，男，山东威海人，教授，博士。

1003-1995(2015)08-0097-04