樁距對大直徑超長鉆孔灌注群樁豎向承載性能的影響

紀 靜

(廣東 深圳 518000)

0 引言

凡以機械回轉(zhuǎn)鉆進成孔，然后向孔中灌注混凝土或鋼筋混凝土所成的樁，叫做鉆孔灌注樁[1]。相對于預制樁，鉆孔灌注樁有其明顯的的優(yōu)勢：1)施工時基本無噪聲、無振動、無地面隆起或側(cè)移，因此對環(huán)境和周邊建筑物危害?。?)大直徑超長鉆孔灌注樁直徑大、入土深，可選擇的范圍大；3)對于樁穿透的土層可以在孔中作原位測試，以檢測土層的性質(zhì)。隨著科學技術(shù)日新月異的發(fā)展，鉆孔灌注樁在高層、超高層的建筑物和重型構(gòu)筑物中被廣泛應用[2]。

ABAQUS可以根據(jù)實際情況建立合理的樁—土相互作用模型，能解決由于試樁困難及實測費用大而無法大量進行的問題。本文建立了不同樁間距(Sa=3D,4D,6D)下3×3群樁三維樁土相互作用模型，分析了不同樁間距對荷載—沉降曲線、樁頂荷載分布、樁身軸力分布、樁側(cè)阻力分布的影響，得出不同樁間距下群樁受荷傳遞機理，為完善大直徑超長鉆孔灌注群樁的設(shè)計方法提供借鑒。

1 大直徑超長鉆孔灌注群樁ABAQUS有限元計算模型

1.1 計算參數(shù)

樁體材料參數(shù)、土體材料參數(shù)分別如表1,表2所示。

表1 樁體材料參數(shù)

表2 土體材料參數(shù)

1.2 有限元計算模型

在群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土的剛度遠遠大于土體彈性模量，群樁基礎(chǔ)體系中樁體的變形更多的會體現(xiàn)出其彈性性質(zhì)，因此可認為其變形特征滿足線彈性本構(gòu)的情況[3]。故本文選取線彈性模型作為樁體的本構(gòu)模型，土體均采用Mohr-Coulomb(摩爾庫侖)模型，分析樁土共同作用時采用面—面接觸，將樁體作主控面(master surface)，土體作為從屬面(slave surface)。由于其屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，為了簡化計算模型，建模時采用1/4結(jié)構(gòu)進行計算，樁和土單元均采用C3D8R，樁側(cè)土取10倍的樁徑，豎向取2倍的樁長[4]，見圖1～圖4。

模型中采用的假設(shè)如下[5]：

1)承臺為剛性，承臺與土體脫空，不受土反力作用；

2)樁的截面為圓形，樁身具有良好的垂直度；

3)群樁只承受豎向荷載，且荷載不偏心。

2 計算結(jié)果分析

本部分通過位移加載的方式對群樁進行豎向加載，分析了不同樁間距群樁的承載性狀，即對不同樁間距下荷載—沉降曲線、樁頂荷載分布曲線、樁身軸力分布曲線、樁側(cè)阻力分布曲線進行了分析。

2.1 荷載—沉降(P—S)曲線

圖5和圖6分別為不同樁間距下的群樁P—S曲線和單樁平均P—S曲線。

由圖5和圖6可知：

1)增加樁間距能提高相同沉降下的樁頂荷載，使承載力得到提高，并且有利于減小群樁效應對群樁承載性能產(chǎn)生的影響。因此在工程中，應該適度提高群樁基礎(chǔ)的樁間距，增加樁間距能使群樁基礎(chǔ)的承載力得到更好的發(fā)揮。

2)在相同的沉降下，單樁平均承載力隨樁間距的增大而增大。由此，群樁基礎(chǔ)中樁間距不宜過小，否則會限制單樁承載力的有效發(fā)揮。

2.2 樁頂荷載分布

圖7～圖9分別為不同樁間距下群樁樁頂荷載分配曲線。

由圖7～圖9可知：

1)在一定的樁頂沉降下，角樁承擔的荷載最大，邊樁居中，中樁最小。這是由于中樁受到來自周樁的影響最多，應力疊加現(xiàn)象最為明顯，由此發(fā)生相同沉降所需的荷載最小。

2)隨著樁間距的增大，中樁承擔的樁頂荷載逐漸大于邊樁。所以樁間距越大，不同位置基樁的荷載分擔差別越小，樁頂?shù)暮奢d分配越均勻，因此適當增加樁間距，可以使樁頂反力分布更加均勻，更好的發(fā)揮樁的承載力。

2.3 樁身軸力分布

由圖10～圖13可知：

1)樁間距Sa≥4D的情況下，角樁、中樁、邊樁的軸力差距并不明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著樁間距的不斷增加，群樁內(nèi)部的樁體間距也隨之增大，從而樁身與樁周土體的相互作用不斷減小，中心樁的承載力可以得到更好的發(fā)揮，所以這三樁的樁身軸力相差很小。

2)樁身軸力沿樁身呈迅速減少的趨勢，表明樁頂荷載沿樁身向下傳遞，樁身產(chǎn)生豎向壓縮，樁與樁側(cè)土體之間產(chǎn)生相對位移，導致樁側(cè)土體對樁身產(chǎn)生向上的側(cè)阻力，樁側(cè)阻力分擔了樁頂荷載，使軸力逐漸減少。并且隨著深度增加，軸力衰減速率加快，樁身下部的軸力很小，幾乎都接近于0，這也是超長樁的荷載傳遞特性，也充分體現(xiàn)了摩擦樁的特性。

2.4 樁側(cè)阻力分布

由圖14～圖19可知：

1)隨著樁間距的增大，角樁、邊樁、中樁的樁側(cè)阻力大小差距也慢慢減小，樁間距為6D的時候，三條樁側(cè)阻力曲線基本重合，因為此時樁間距增大，群樁效應幾乎可以忽略，所以群樁各樁都能充分的發(fā)揮樁側(cè)阻力。

2)樁間距為3D時，樁側(cè)阻力一直隨著沉降值的增大在增大，樁間距為4D時，樁側(cè)阻力加載值分界線為200 mm，在達到200 mm之前，樁側(cè)阻力隨著沉降增加一直在增大，后期樁側(cè)阻力幾乎穩(wěn)定不變。樁間距為6D時，樁側(cè)阻力的加載值分界線為150 mm，在這之前，樁側(cè)阻力隨著沉降的增大而增大，后期無太大的變化。因為樁間距越大，樁基越能充分盡早的發(fā)揮樁側(cè)阻力。

3 結(jié)語

增加樁距會增加群樁中的單樁平均承載力，群樁效應系數(shù)也會增大，當樁間距Sa=6D的時候，基本可以忽略群樁效應的影響；樁間距越大，不同位置基樁的荷載分擔差別越小，樁頂?shù)暮奢d分配越均勻，角樁、中樁、邊樁的軸力差距也隨著樁間距增大而減小，樁基的樁側(cè)阻力也能充分的發(fā)揮。

參考文獻:

[1] 馬 曄.超長鉆孔灌注樁樁基承載性能的研究[D].武漢:武漢理工大學,2008.

[2] 唐風華,嵇小海,毛益佳.大直徑鉆孔灌注樁的承載力發(fā)揮特性研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2010(5):23-24.

[3] 吳 鵬,龔維明,梁書亭.用三維有限元法對超長單樁樁端承載力的研究[J].巖土力學,2006(10):78-79.

[4] I.Shooshpasha,M.Afzali Rad.Study on Bearing Capacity of Pile in Liquefiableand Unliquefiable Soil Layers[J].Geo-Frontiers Congress,2011(11):6-9.

[5] Houxiang Liu,Xue Liao,Jianren Zhang.Numerical Analysis of Bearing Capacity of Pile Foundation Due to Urban Metro Tunneling[J].Geotechnical Special Publication,2011(215):38-39.