边载作用下的负摩阻力和群桩效应研究

谷复光,王 卓

吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118

0 引言

进入21世纪以来,伴随我国城镇化水平迅速提升,建筑行业的快速发展,基础工程也发展迅速.其中,桩基础在软土地基、道路桥梁、高层建筑中发挥了重要的作用.在实际工程中,边荷载的存在会对桩基础以及上部建筑产生不利影响,会降低桩基的承载力,有可能使建筑发生不均匀沉降,出现墙体裂缝、道路塌陷、桥梁偏移等严重后果.

针对边载下群桩负摩阻力的问题已有诸多学者对其进行了研究.邢博然等[1]人对堆载作用下的群桩侧摩阻力情况以及中性点位置变化进行了研究;范孟华等[2]人发现堆载变化导致桩身轴力的变化规律,桩身上部出现负摩阻力,下部出现的正摩阻力也随之变大;王鸣宇[3]重点研究了桥梁基础中桩基的应用以及桩基侧摩阻力的分布与变化趋势,在桩径改变的前提下侧摩阻力的变化情况;范孟华等[4]人使用模拟软件对边载下桩基的侧摩阻力、桩身轴力的变化趋势及中性点位置的变化进行了研究;冯彪[5]研究了在不改变桩周土与上部荷载的情况下,改变施工顺序对桩基沉降的影响以及桩基负摩阻力的变化情况;周为[6]研究了在新近填土中桩身负摩阻力的变化情况;王军等[7-8]人研究了堆载下桩身受力的变化情况,单桩情况下堆载会降低桩基承载力;马学宁等[9-10]人重点研究了围载作用下桩身轴力、侧摩阻力的变化情况以及中性点位置的变化规律,研究了施工过程中桩载、堆载施加顺序不同对桩基承载力产生的影响.

现阶段对单桩基础的研究已较为成熟,但对于应用较为广泛的群桩基础研究尤其是群桩中的中桩、边桩、角桩等不同位置桩的负摩阻力研究还有待深入;对堆载作用下桩基负摩阻力变化的研究已经比较充分,但对边载状况下桩基负摩阻力的变化还有待研究.其中,由桩-土相对位移引起的负摩阻力问题,采用有限元软件可以直接对实际情况进行研究.ABAQUS是一款功能强大的模拟软件,能模拟材料性能并分析土体变形、位移、应力变化等问题.基于此模拟软件,本文拟对在不同边载等级、桩间距等条件下群桩负摩阻力的变化进行研究.

1 群桩效应作用机理

群桩效应就是指群桩基础承受一定竖向荷载后,由于受到承台、桩、土的相互作用影响,使其桩侧阻力、桩端摩擦力、沉降量等特征发生变化并与单桩有明显差异,承载力通常不小于相同数量单桩承载力之和.

群桩效应受到土承受的荷载、桩距、桩数、桩身的长径比、桩高与基础承面宽度比、成桩形式和排列方法等多种因素的综合作用影响.当群桩间距处在合理范围时,相同数量单桩总负摩阻力明显大于群桩下的负摩阻力,原因是群桩效应此时在起作用,导致群桩的负摩阻力减小.群桩效应系数计算公式如下:

(1)

式中,η为群桩效应系数;Fn为单桩下拉荷载,kPa;n为组成群桩的基桩个数;Fni为群桩桩基的下拉荷载,kPa.

负摩阻力的群桩效应系数能够反应出每根桩负摩阻力变化情况,但是桩在基础中的位置变化也会影响到负摩阻力的变化,例如中桩、边桩、角桩等不同位置桩受到的负摩阻力亦不同.为了更准确表达每个位置桩负摩阻力变化情况,特采用负摩阻力遮挡系数来表示,公式如下:

(2)

式中,Fr为负摩阻力遮挡系数;Fng为群桩条件下的基桩受到的下拉荷载,kPa;Fns为独立桩基作用时受到的下拉荷载,kPa.其中,Fr的大小反应了遮挡效应的强弱.当Fr越大时,遮挡效应发挥越好,各桩的负摩阻力变小,群桩效应也就越强.

2 边载下群桩模型的建立

建立群桩模型(如图1所示),模型为3×3群桩基础,可以分析不同参数条件下的桩基负摩阻力.

图1 群桩平面布置图

模型为混凝土桩,桩长设置为20 m,群桩直径为0.5 m,桩侧土体水平长度和宽度均设置为60 m,深度沿z轴设置为40 m,混凝土采用C30,桩身混凝土模型参数见表1,桩周土体模型参数见表2.

表1 桩身混凝土模型参数

表2 桩周土体模型参数

土体模型采取摩尔-库仑模型,桩体采用弹性模型,桩土之间的接触面选取面与面接触,设置刚度较大的桩侧,桩底为主表面,从属面定位刚度较小的土表面,法向接触设置为硬接触,桩土之间的摩擦系数取0.3,其中土体的水平方向选择法向约束,土底设置全约束,在群桩的外侧施加边荷载,如图2,图3所示.

3 边载作用下群桩负摩阻力的数值模拟分析

3.1 边载作用下桩身轴力变化情况

对该模型进行模拟计算,除边载等级外,其它参数如桩间距、桩长、桩径、摩擦系数等均保持不变,当边载等级采用30 kPa,60 kPa,90 kPa,120 kPa时,不同位置桩的桩身轴力变化如图4所示.随着边载等级的增加,负摩阻力不断增大,桩身轴力出现增大趋势,且是从柱顶向下逐渐增大,当达到中性点位置以后,桩身轴力达到峰值,再往下由于桩侧产生正摩阻力,桩身轴力随着深度增加出现递减的趋势,当到达中性点以下时桩身轴力降低明显,因为此时正摩阻力不断变大.

(a) 边载30 kPa

从图4中还能看出,当边载等级加大时,中性点出现下降的趋势,两者密切相关,且中性点的深度不仅与边载等级有关,还与桩周土的性质、土层情况、桩的自身材料等因素有关.

在边载相同的前提下分析各个位置桩的轴力变化情况.首先角桩的轴力是最大的,因为其最先受到边载的影响,分担的土载最大,且群桩效应的效果与其他位置的桩基相比较差,所以导致其桩身轴力较大;其次是边桩,与角桩一样因为直接受到边载的影响,边桩的轴力也较大,但是群桩效应的效果略优于角桩,这点在计算群桩的负摩阻力效应系数和遮挡效应系数中有所体现;最后是中桩,由于边载引起的土载被边桩、角桩承担较多,中桩周围的土体沉降更小,群桩效应得以最大程度发挥,故中桩的轴力与边桩和角桩相比小很多.

3.2 下拉荷载与群桩效应系数、遮挡系数的关系

根据负摩阻力群桩效应系数计算式(1)和遮挡系数计算式(2),求得群桩效应系数和遮挡系数,可以用来分析边载条件下各位置桩基下拉荷载的变化和群桩效应的关系,也可以看出边载等级改变时群桩效应的强弱变化,其结果见表3.

表3 桩基下拉荷载、群桩效应系数及遮挡系数

由表3可以看出,在边载等级不断增大的前提下,边载作用下的群桩效应系数呈现降低的趋势,说明此时单桩的下拉荷载相对于群桩增加的更多.此时,受到群桩效应的影响,群桩的负摩阻力变低.在相同边载条件下,群桩遮挡效应系数呈现中桩>边桩>角桩的趋势,中桩的遮挡系数最大,遮挡效果最好,承受的负摩阻力最小.当边载增大时,遮挡效应系数也呈现增大的趋势,代表群桩效应也在不断增强.随着边载等级的增加,角桩与边桩的下拉荷载增长率接近,且大于中桩,说明增加边载对内侧桩基的负摩阻力影响较小,对外侧桩基的影响较大.

3.3 不同桩间距对群桩负摩阻力的影响

为考虑桩间距改变的情况下对桩基负摩阻力的影响,在模拟软件中设置固定90 kPa的边载等级,桩径、桩长、桩身材料等参数不变,设置2d,3d,4d,5d(d为桩身直径)的桩间距,观察不同桩间距下桩身轴力的变化情况,统计各个位置桩的下拉荷载,通过式(1)、式(2)求出负摩阻力群桩效应系数和群桩遮挡系数,分析各桩负摩阻力变化情况,见表4.

表4 桩基下拉荷载、群桩效应系数及遮挡系数

由表4可以看出,当桩间距不同时,各桩下拉荷载产生了显著的变化,中桩的下拉荷载从2倍桩间距时的403.6 kPa增加到5倍桩间距时的505.9 kPa,增加了102.3 kPa,反观此时的边桩和角桩,下拉荷载分别增加了412.1 kPa,379.9 kPa,增加幅度远超中桩,角桩的下拉荷载依然保持最大.此时群桩效应系数涨幅明显,从2倍桩间距时的0.518增大到5倍桩间距时的0.788,其随着桩间距的增大而增大,同时群桩桩基的下拉荷载也明显上升,而负摩阻力遮挡系数则随桩间距增大出现减弱态势,对于单桩时的下拉荷载降低的程度较小,这是因为桩间距增加导致的群桩效应减弱.

4 结论

本文利用ABAQUS软件模拟分析了在边载作用下群桩基础中桩基负摩阻力的变化情况,通过计算负摩阻力群桩效应系数得到各参数变化下群桩效应的强弱变化情况,由此得出以下结论:

(1) 与常见的堆载问题不同,当边载增大时,群桩效应系数不断减小,说明此时群桩效应发挥更好;群桩遮挡系数在增大,说明此时群桩的遮挡效果更好.在相同边载下,遮挡效应系数中桩>边桩>角桩,说明中桩受遮挡效果最好,桩身的负摩阻力最小.

(2) 当群桩的桩间距增大时,各位置桩的下拉荷载均呈增大趋势,中桩、边桩、角桩等不同位置桩的群桩遮挡效应系数都在减小,群桩的遮挡效果变差,各桩承受的负摩阻力变大,群桩效应明显降低.