樁端土層性質(zhì)不同對超長群樁的影響分析

宋 阮 余 昆 付 軍

（1.中鐵大橋局集團武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063）

普通樁根據(jù)樁端和樁側(cè)土分擔(dān)的樁頂荷載比例，可以分為端承樁、摩擦端承樁、端承摩擦樁和摩擦樁幾種形式。但對于超長群樁而言，樁土位移比較大，即使樁端土層很剛硬，樁側(cè)摩阻力也不可忽視，不能將其簡單地分為摩擦型或端承型［1－2］。另外，超長樁由于樁側(cè)摩阻力和樁端摩阻力不是同時發(fā)揮，而要樁端的承載力充分發(fā)揮就需要相當(dāng)大的樁頂位移，可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)對沉降的要求不能滿足［3］。

本文采用數(shù)值計算方法，分析樁端土性質(zhì)不同情況下對高低承臺群樁基礎(chǔ)的承載性狀的影響，并考慮承臺－樁－土共同作用，為合理設(shè)計樁基承臺提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值建模

樁端土層分別取黏土、砂土和圓礫進行對比計算，見表1。土體模型尺寸為110m×110m×115m。

超長樁樁長90m，樁直徑1.5m。樁混凝土材料的彈性模量為3.0×107kPa，泊松比取0.2，群樁基礎(chǔ)由9根基樁組成。

承臺尺寸為10.0m×10.0m×2.0m，材料和樁基礎(chǔ)一致。在承臺表面作用0.488kPa的均布力。針對不同土層，分別取承臺下表面在土表面下2.0m 的低承臺和土表面上2.0 m 的高承臺2種情況進行分析。

表1 樁端不同土層參數(shù)

2 不同樁端土層對低承臺的影響

取承臺底低于土體表面2.0m 的低承臺，樁端土層分別為黏土、砂土和圓礫進行計算，結(jié)果見圖1～圖4。

圖1 群樁軸力對比圖

圖2 不同樁端土層樁基各樁軸力對比圖

由圖1和圖2可見，當(dāng)樁端為砂土和圓礫時，角樁和邊樁樁頂附近的軸力有先減小后增大的過程。樁端為圓礫時，各基樁軸力曲線最陡，在靠近樁端位置處有突變，表明樁底分擔(dān)的荷載最大。這是因為本算例中，土層上部為淤泥，剪切模量非常低，樁側(cè)摩阻力很小。當(dāng)承臺和樁受壓沉降、樁端為黏土?xí)r，樁底支撐很小，樁端土被壓縮，樁和淤泥一起下沉；而樁端為砂土和圓礫時，樁底的支撐要大得多，樁端土的沉降很小，淤泥在受力相同的情況下，下沉比樁大，在樁側(cè)產(chǎn)生負摩阻力。

從圖1和圖2還可看出，樁端為黏土、砂和圓礫時，角樁分別承受平均樁頂荷載的179%，167%和134%；邊樁承受平均樁頂荷載的92%，97%和100%；中心樁則承受平均樁頂荷載的29%，36%和67%，表明樁端土層越堅硬，樁頂軸力在各基樁的分配越均勻。

圖3 群樁位移對比圖

由圖3可見，角樁、邊樁和中心樁的位移都是樁端為圓礫最小，砂土其次，黏土最大。因此，樁基應(yīng)盡量進入持力層好的土層。

圖4 不同樁端土層樁基各樁樁身位移對比圖

圖4中，樁端為黏土的樁基，樁頂未出現(xiàn)差異沉降。而樁端為砂土?xí)r樁頂差異沉降為0.5 mm，樁端為圓礫時差異沉降為0.64mm，即樁端持力層越好，差異沉降越大。各種樁端土層情況下均為角樁樁頂位移最大，中心樁最小。沿樁身向下，各樁樁身位移出現(xiàn)分離，都是角樁樁身位移最小，邊樁其次，中心樁最大［4－5］。

3 不同樁端土層對高承臺的影響

取承臺底標(biāo)高于土體表面2.0 m，樁端土層分別為黏土、砂土和圓礫進行計算，結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 群樁軸力對比圖

圖6 不同樁端土層樁基各樁樁身軸力對比圖

由圖5可見，樁端為圓礫時邊樁和中心樁的樁頂軸力最大，但角樁的樁頂軸力3種樁端土層很接近，樁端為圓礫的角樁樁頂軸力要比樁端為黏土和砂土的略小。

樁端為黏土、砂和圓礫時，角樁分別承受平均樁頂荷載的177%，169%和158%；邊樁承受平均樁頂荷載的92%，94%和97%；中心樁則承受平均樁頂荷載的31%，37%和45%，表明樁端土層越堅硬，樁頂軸力在各基樁的分配越均勻。

圖6表明，不同樁端土的樁基，都是角樁樁頂軸力最大，中心樁最小。

將圖5、圖6和低承臺的圖1、圖2對比可以看出，高承臺各樁的樁頂附近均未出現(xiàn)負摩阻力，這是因為高承臺不與土接觸，不存在臺底土也受壓的現(xiàn)象。

圖7 群樁位移對比圖

圖8 不同樁端土層樁基各樁樁身位移對比圖

由圖7可見，樁端土層為黏土樁身位移最大，砂土其次，圓礫最小。表明樁端巖土層越軟弱，樁頂位移越大。

圖8表明，不同樁端土層，樁頂部位均有微小差異沉降。沿樁身向下，各樁樁身位移出現(xiàn)分離，都是角樁樁身位移最小，邊樁其次，中心樁最大。這是因為深度增加，樁側(cè)土體作用加大，承臺的作用減弱。中心樁樁側(cè)土受應(yīng)力疊加的影響最大，變形最大；而角樁樁側(cè)土受應(yīng)力疊加影響最小，變形最小。因此角樁軸力最大但變形最小，而中心樁受力最小但變形最大。

4 結(jié)論

（1）樁端為圓礫時，各基樁軸力曲線最陡，在靠近樁端突變，表明樁底分擔(dān)的荷載最大。低承臺樁基，當(dāng)樁端為砂土和圓礫時，角樁和邊樁的樁頂附近軸力先減小后增大，出現(xiàn)了負摩阻力。高承臺樁基則在樁頂附近沒有產(chǎn)生負摩阻力。

（2）無論低承臺樁基還是高承臺樁基，不同樁端土都是角樁樁頂軸力最大，中心樁最小。

（3）無論低承臺樁基還是高承臺樁基，角樁和邊樁在樁端附近都是樁端圓礫端阻力最大，黏土次之，砂土最小。

（4）無論是高承臺還是低承臺樁基，都是樁端巖土層越剛硬，各樁樁頂和樁基整體位移越小。因此，基樁應(yīng)盡可能到達堅硬土層。

（5）低承臺樁基，樁端為黏土，各樁樁頂無差異沉降。而樁端為砂土和圓礫則有差異沉降，樁端持力層越好，差異沉降越大；高承臺樁基，不同樁端土層，樁頂部位均有微小差異沉降［6］。沿樁身向下，各樁樁身位移出現(xiàn)分離，都是角樁樁身位移最小，邊樁其次，中心樁最大。差異沉降中，都是角樁樁頂位移最大，中心樁最小。

［1］JGJ94－2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］方鵬飛.超長樁承載性狀研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2003.

［3］鄧友生，龔維明，李卓球.超長大直徑群樁荷載傳遞特性研究［J］.公路，2007，（11）：17－20.

［4］蔣澤中，謝 濤.超大群樁基樁豎向承載力試驗研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2003，29（1）：47－50.

［5］姜春林，高永濤.傾角對復(fù)合錨固樁水平承載力影響淺析［J］.交通科技，2007（6）：37－40.

［6］馬遠剛，陳開利，楊春和.自平衡試驗等效轉(zhuǎn)換的附加壓縮量修正［J］.交通科技，2009（5）：13－16.