隔离桩对群桩负摩阻力的作用分析

王 寅 蔡 勇 吴朝峰

（1.国网温州供电公司， 浙江 温州 325000； 2.国网浙江省电力有限公司， 浙江 杭州 310007；3.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司， 浙江 杭州 310007）

0 引言

近年来,城市发展对空间的需求日益强烈，高层、超高层结构快速发展，建筑基础也同样向着深基础方向发展。桩侧摩阻力由桩土之间发生相对位移所引起，当桩周土体相对于桩身产生向下位移时，土体在桩侧产生向下的负摩阻力。负摩阻力的出现导致桩基承载能力损失，对结构产生安全隐患。相比浅基础，深基础中的长桩和超长桩产生较大的负摩阻力，不能再被忽视。

为控制桩侧负摩阻力对桩基可能造成的不良后果，在桩基外布设隔离桩是一种常用的处理方法。隔离桩之间存在土拱效应，土体应力传递通过被动拱时会被隔离削弱，并改变了桩后主动区应力的分布形式，能有效地减小内侧桩基的负摩阻力[1]。在大堆载作用下，减少负摩阻力的影响，保证桩基承载力的发挥。相比其他处理方法，该方法具有工艺简单、工期短、不会对环境造成污染的优点。

当前对隔离桩的研究较少，翟杰群等[2]认为隔离桩桩长达到一定的长度，满足刚度要求才能起到隔离保护作用。李建设等[3]针对隔离桩提出了一种较为实用的计算方法，同时认为合理的布置隔离桩能够有效地避免工程质量问题，并建议不宜采用沉管振拔桩类型的隔离桩。目前国内规范并没有对隔离桩的设计进行规定，有关的理论研究较少，隔离桩设计大多根据工程经验。

本文将对隔离桩的设置方法和应用效果进行分析研究。隔离桩法中，有较多因素会对隔离桩的隔离能力产生影响，其中较主要的因素是隔离桩距群桩外部基桩的桩间距、隔离桩桩长。利用有限元软件能很好地模拟桩和土之间的相互作用。本文基于大型有限元程序ABAQUS，分析了以上两个因素对隔离桩保护效果的影响，为群桩的设计与施工提供参考。

1 数值模型

选用ABAQUS有限元软件对模型的桩基和土体进行数值模拟分析，建立3×3群桩模型，设有隔离桩的桩体平面布置图见图1。群桩中单桩桩长为0=20m、截面外直径 =0.5m，内直径 =0.3m，群桩桩间距为 =2.0m，承台长×宽×高=5m×5m×0.5m根据已有资料，桩体与土体材料设置参数见表1和表2，模型地基采用两种土体：桩周淤泥质粉质黏土层厚20m，桩端以下为20m的含砾粉质黏土，不考虑地下水影响。

图1 设有隔离桩3×3群桩示意图

表1 土层模型参数

表2 桩体模型参数

1.1 计算模型

采用ABAQUS三维模型建立有限元模型，模型如图2所示，模型中土体长×宽×高=75m×75m×40m，土体本构模型选用Mohr-Coulomb模型，桩体选用弹性模型本构关系[4]。

图2 有限元模型图

桩基与土体之间设置为面—面接触，桩基设置为C3D8实体单元，土体设置为C3D8P实体单元[5][6]。在模型位移边界条件设置时，对土体底面采用全约束，四周土体采用法向约束。

1.2 计算荷载

桩的计算荷载分为桩顶承受的等效荷载和结构自重两部分，其中土层上的堆载均布载荷为100kPa。

2 有限元分析

2.1 隔离桩对群桩的影响分析

为揭示群桩各基桩负摩阻力降低的程度，因此定义负摩阻力遮挡效应系数[7]：

在上述有限元模型中分别对单桩所受到的下拉荷载和无隔离桩计算，其中隔离桩与群桩最外侧桩间距为1L（2m），计算结果如表3。

表3 单桩和群桩中各桩体下拉荷载与负摩阻力遮挡效应系数

对比上表数据可知，设置隔离桩时各桩受到的下拉荷载均远小于无隔离桩条件，其中角桩下降程度最大达到了49.26%。无隔离桩时各桩平均受到779.38kN下拉荷载，有隔离桩时各桩平均受到407.17kN下拉荷载，说明隔离桩的设置对桩基具有显著作用。过大的地表堆载会导致桩侧负摩阻力的产生，隔离桩对其外侧堆载起到一定的隔离作用，该模拟计算表明隔离桩是削弱桩基负摩阻力的一种有效的处理方法。

2.2 隔离桩桩长对群桩负摩阻力削弱的影响分析

为分析隔离桩桩长对群桩负摩阻力的削弱效果影响，隔离桩桩长分别设置为0倍群桩桩长（无隔离桩）、0.5倍群桩长（10m）、0.75倍群桩长（15m）、1.0倍群桩桩长（20m）、1.25倍群桩桩长（25m）、1.5倍群桩桩长（30m）。提取各模型桩身下拉荷载计算结果见表4。

由表4可知随着隔离桩桩长的增加，群桩中的角桩、边桩、中间桩的下拉荷载都有不同程度的下降，说明隔离桩桩长对群桩负摩阻力有明显的影响。隔离桩桩长小于1倍桩基长度时，各桩受到的下拉荷载有不同程度下降，但是下降程度较小；隔离桩桩长在1倍到1.25倍桩基长度范围内时，桩受到的下拉荷载出现大幅度的下降。

表4 桩体下拉荷载与负摩阻力遮挡效应系数

图3为隔离桩长不断增大时，各桩负摩阻力遮挡效应系数变化曲线。结合图1遮挡效应系数的曲线分析，隔离桩桩长从0变化到1倍桩基长度的过程中，各桩负摩阻力遮挡效应系数变化不大，说明在这个范围内不同隔离桩长度对群桩的保护能力相差不大。当隔离桩桩长大于1倍桩基长度时，各桩负摩阻力遮挡效应系数出现明显的增长，说明在这个范围内增大隔离桩长度能够形成隔离帷幕，起到隔离堆载，减小桩侧负摩阻力的作用。在设计与施工中应尽量使隔离桩长度略长于群桩桩基长度，这样可以在有较好经济效益的同时，保证隔离桩对群桩负摩阻力控制效应的发挥。

图3 不同隔离桩长下桩基的遮挡效应系数

2.3 隔离桩与群桩最外侧桩间距对群桩负摩阻力削弱的影响分析

为分析隔离桩与群桩最外侧桩间距对群桩负摩阻力的削弱效果影响，隔离桩与群桩最外侧桩间距分别设置为2m、4m、8m、12m、16m、24m。提取各模型桩身下拉荷载计算结果如表5。

表5 桩体下拉荷载与负摩阻力遮挡效应系数

由表5可知随着隔离桩与群桩最外侧桩间距的增加，群桩中的角桩、边桩、中间桩的下拉荷载都出现较大的下降，说明该间距对群桩负摩阻力有明显的影响。隔离桩与群桩最外侧桩间距小于6L（12m）时，各桩受到的下拉荷载随着间距增大出现较大幅度上升；该间距大于6L（12m）时，下拉荷载也随着间距增大而上升，但是变化并不明显。

图4为隔离桩与群桩最外侧基桩桩间距不断增大时，各桩负摩阻力遮挡效应系数变化曲线。结合图4遮挡效应系数的曲线分析，隔离桩与群桩最外侧桩间距从1L（2m）变化到6L（12m）的过程中，各桩负摩阻力遮挡效应系数变化较大，说明在12m范围内隔离桩对群桩的保护能力受该间距的影响较大，隔离桩越靠近群桩，对桩基础保护能力越强。当隔离桩与群桩最外侧基桩桩间距超过6L（12m）后，遮挡效应系数的下降率减小，这个范围与已有的室内试验研究结果相近[8]，即隔离桩对群桩各桩的保护作用可以忽略。

图4 隔离桩与群桩最外侧桩间距下桩基的遮挡效应系数

在设计与施工中，隔离桩与群桩最外侧基桩的间距在条件允许范围内，应尽量选择小间距，且该间距不应大于六倍桩间距。

3 结束语

本文使用ABAQUS有限元模拟软件，研究了采用隔离桩减小桩基负摩阻力时，隔离桩对群桩负摩阻力的削弱效果，分析不同隔离桩的长度与群桩最外侧基桩之间的桩间距对群桩保护作用的差异性，根据有限元模拟结果，得到了以下结论：

（1）隔离桩长度在群桩长度1～1.25倍之间，起到了显著的隔离作用。建议在设计和施工过程中，为保证工程经济性和结构安全性，隔离桩长度应略长于群桩桩基长度。

（2）隔离桩与群桩外侧基桩的桩间距越小，隔离桩的保护作用越明显，当该间距大于6倍桩间距时，隔离桩失去保护作用。建议在设计和施工过程中，为同时保证工程经济性和结构安全性，应尽量缩小隔离桩与群桩最外侧基桩的间距。