高承台桩基竖向沉降及荷载传递研究

郑 巧 鱼

(山西省阳泉公路分局盂县公路管理段，山西 阳泉 045100)

0 引言

桩基具有承载力高、沉降小及抗震等特点，广泛应用于桥梁、建筑物基础、基坑围护结构和边坡防护工程中，桩基可以将上部荷载传递到周围岩土体和桩端持力层中，可以有效地提高桩基上部结构的稳定性[1]。尤其是在群桩基础中，群桩和单桩基础的承载力是否是简单的叠加关系，群桩桩基的竖向承载力和沉降也是目前工程中广泛关注的一个重要问题[2,3]。

针对软土地区公路铁路桥梁桩基承载问题，Ilamparuthi等[4]利用数值模拟与现场试验相结合的研究方法对桩基荷载的传递机理、单桩与群桩的沉降量进行了深入的研究。杨明辉等[5]基于荷载传递法分析了超长桩的荷载传递规律，同时建立了软土地区群桩有效桩长的计算方法。Tomlinson等[6]根据桩基周围土体强度，结合成层软土地基在桩基加载过程中排水固结的影响，提出软土地基预处理后桩基的承载力提高值的计算方法。钱建固等[7]通过离心模型试验对桩周注浆接触面的桩侧摩阻力进行了深入分析，研究表明桩侧注浆可以显著提高桩的抗拔刚度。

通过模型试验与数值模拟对高承台群桩桩基的受荷响应以及桩体竖向沉降等进行研究，得出了桩周土体固结对桩体轴力的影响，同时分析荷载增加对桩端沉降的影响，可为后续的桩基沉降计算、基桩周土体固结对于桩基的影响提供参考。

1 高承台桩基沉降计算方法

现场试验可以得到桩基的真实沉降数据，对于群桩而言，应该考虑桩—土—承台之间的相互影响所产生的沉降，所以在计算高承台群桩的竖向位移时应该考虑相邻桩基的影响。对于高承台桩基础，由于承台地面位于地面之上，上部传递的荷载将全部由桩土之间的侧摩阻力与桩端的地基反力来承担，由此对高承台桩进行受力分析，高承台桩基的受力如图1所示。各个桩体之间对上部荷载进行一定的分配[8，9]，在刚性承台下，各个桩体受到的荷载是相同的，因此桩基的沉降应该与承受的荷载有关，采用单向压缩分层总和法计算土层沉降，并计入桩身压缩se，桩基最终沉降量按式(1)、式(2)计算[10]：

(1)

(2)

2 数值模拟与模型试验

2.1 模型试验

基于理论分析桩基的竖向沉降量，可通过模型试验进行验证，其中模型箱净空尺寸为长1 500 mm，宽度为700 mm，模型箱高度为1 000 mm(见图2)。模型试验土层参数如表1所示，模型实验中通过百分表测量不同深度处桩周土层的竖向沉降量，应变片安装在桩基左右两侧，两个相邻应变片间距为10 mm，用以监测桩基的轴力变化。模型实验桩体直径为4 cm，桩长为1 m，桩间距为14 cm。在桩端设置土压力盒用以分析桩端反力。实验加载通过上部和砝码确定，采用逐级加载的方式进行加载，每级加载100 N，从100 N逐级加载到900 N。

表1 模型试验土层参数

2.2 数值模拟

本次计算使用国际通用有限差分软件FLAC3D，可专门用于岩土工程的变形及受力分析，数值模拟相关的参数见表2。由于模型试验桩体属于对称桩体，因此在数值模拟过程中为了提高计算效率，取模型试验的1/4进行数值模拟研究，图3为数值模拟模型。其中数值模拟土层分布与模型试验保持一致，图3为数值模拟模型。

表2 土层及桩体参数

主要分析桩基试验过程中地层及桩应力应变情况。做出如下假定：

1)土层材料采用理想弹塑性模型，使用摩尔库仑屈服准则，采用大应变变形模式结构材料均采用线弹性本构模型；2)假定地表面和各土层均呈均质水平层状分布；3)不考虑土体的构造应力场，只考虑自重应力场。

3 高承台桩基受荷响应

3.1 高承台群桩Q—S曲线

图4为模型试验与数值模拟桩体的Q—S曲线图，从图中可以看出在桩尖荷载逐级增大的情况下，桩体的竖向沉降量明显增加，而且模型试验实测的桩尖沉降量稍大于数值模拟结果，分析其中的原因是模型试验干扰较大，对桩体产生一定的扰动，导致模型试验桩体的沉降大于数值模拟结果。图5为承台荷载从ph1荷载增加到ph9荷载时桩侧摩阻力变化曲线，其中ph1对应承台加载到100 N，ph9对应承台加载到900 N。从图5中可以看出随着桩体埋深的增加，桩侧摩阻力逐渐增大，但在桩端位置处的桩侧摩阻力减少，分析其中的原因是桩端发生了刺入破坏，导致桩端附近的侧摩阻力减小。

3.2 桩周土体固结

图6为承台加载到600 N情况下桩周土层固结数值模拟与模型试验结果的对比图，从图6中可以看出随着土体固结时间的增加，各个土层的竖向沉降量明显增大，在固结超过200 h后土体的固结速率变慢，土体固结逐渐趋于稳定。图6b)为数值模拟桩周土体固结曲线，对比模型试验与数值模拟土体固结曲线可以看出，模型试验在0.2 m深度处土层的沉降最终稳定在1.5 mm左右，数值模拟0.2 m深度处土层的固结沉降量为1.5 mm，在0.8 m埋深位置处模型试验土体的固结沉降量为4.5 mm，而数值模拟的结果为2.8 mm，模型试验沉降值稍大于数值模拟。

3.3 桩体力学响应

图7为数值模拟与模型实验桩基在竖向加载后轴力随深度和固结时间的变化曲线，对模型实验加载后1 d～10 d的桩基轴力进行监测，桩体承台加载600 N。从图7a)可以看出模型试验中桩基的轴力随着埋深是先增大后减小，在桩基埋深为0.5 m时，桩体的轴力达到最大值。模型试验槽内土体达到固结1 d后桩体的最大轴力为210 N，在土体固结10 d后，桩体的最大轴力增长到260 N，说明随着固结天数的增长，桩体的轴力也出现了显著的增长，分析其中的原因是随着固结天数的增加，土体中的孔隙水在桩端位置处逐渐排出，桩侧土体出现固结沉降，从而导致施加在桩侧的负摩阻力逐渐增长，导致桩体的轴力随着土体固结天数的增加而逐渐增长。数值模拟桩体轴力的变化规律与模型试验相同，桩体轴力的最大点出现在埋深0.5 m位置处，这与模型试验轴力变化规律相同，但是模型试验桩体轴力最大值小于模型试验结果是因为模型试验在填土和加载过程中土体的初始地应力平衡导致的。

模型试验与数值模拟轴力均在桩体埋深0.5 m位置处达到最大值，说明该位置为桩体的中性点，在中性点以上位置处桩侧土体对桩基产生上下的负摩阻力，从而引起桩基产生附加沉降，同时随着土体的排水固结，导致中性点以上的负摩阻力逐渐增大，引起桩体轴力逐渐增大。在中性点以下桩周土体对桩体产生向上的正摩阻力，从而降低了桩体自身的轴力。

图8a)为ph1为100 N荷载下土体与桩基的竖向位移云图，从图8a)中可以看到在100 N加载下桩体与周围土体的竖向沉降接近，仅在桩端位置处桩体与周围土体的竖向沉降存在差异，可以看到桩端位置处的沉降量大于周围土体的沉降，说明在桩端位置处桩体产生了刺入破坏。在荷载增加到ph9为900 N后(见图8b))，桩端的沉降量显著大于桩端周围土体，可以看到两个桩体之间的土体出现明显的竖向位移分层。图9为桩在不同荷载下桩体的竖向位移曲线，从图9中可以看出，在ph1加载下桩基的竖向沉降量约-0.1 mm，在桩端位置处桩体的沉降量迅速增加在桩端位置处，桩体的竖向沉降增大到-0.2 mm，说明随着荷载的增大，桩端刺入到砂土层，在砂土逐渐排水固结情况下产生的下拽力引起桩端出现大于桩体的竖向沉降。

4 结论

1)桩基试验是与实际工作条件最为接近的试验方法，通过模型试验和数值模拟对高承台群桩的沉降与受荷响应进行分析。

2)增加桩周土体的摩阻力也随之增大，随着荷载增加桩端土体发生刺入破坏，桩端土体提供的侧摩阻力逐渐减小。

3)随着土体固结时间的增加，桩基的轴力也逐渐增大，是因为土中孔隙水逐渐排出引起的。