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    豎向荷載作用下螺紋群樁承載特性和群樁效應(yīng)研究

    2022-06-01 09:49:203徐啟鵬張
    關(guān)鍵詞:群樁基樁樁基礎(chǔ)

    3徐啟鵬張 勇

    (1.浙江工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所,浙江 杭州 310023;2.杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司,浙江 杭州 310003;3.重慶華宇集團(tuán)有限公司,重慶 401120)

    隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,樁基得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。實(shí)際工程中的樁基礎(chǔ)通常以群樁形式存在,相較于單樁基礎(chǔ),外荷載作用下群樁基礎(chǔ)中各基樁的承載能力和沉降特性有著明顯的差異。由于承臺(tái)結(jié)構(gòu)的存在,群樁基礎(chǔ)的樁-土荷載分擔(dān)比純粹的單樁基礎(chǔ)要更為合理。但是,由于群樁基礎(chǔ)中承臺(tái)、基樁和樁間土的相互作用,群樁基礎(chǔ)的荷載傳遞和沉降特性比單樁基礎(chǔ)更復(fù)雜。針對(duì)豎向荷載下群樁承載力和群樁效應(yīng)等問(wèn)題,瞿書(shū)舟等[3]依托某實(shí)際工程中的群樁基礎(chǔ),采用Ansys軟件對(duì)其豎向承載特性展開(kāi)研究,得到了群樁基礎(chǔ)的荷載傳遞規(guī)律;杜思義等[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)數(shù)值試驗(yàn)探討了群樁基礎(chǔ)的工作機(jī)理,并指出當(dāng)樁間距超過(guò)5倍樁徑時(shí),群樁承載力基本不再隨樁間距的增大而增大;Chandrasekaran等[5]結(jié)合工程實(shí)例分析了黏性土中群樁的豎向承載機(jī)理,結(jié)果表明黏性土中群樁基礎(chǔ)的位移呈現(xiàn)出明顯的非線性變化規(guī)律;Danno等[6]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值計(jì)算分析了樁間距為1.5倍和5倍樁徑時(shí)群樁基礎(chǔ)的受力特性,指出群樁效應(yīng)存在明顯的時(shí)間效應(yīng);孔綱強(qiáng)等[7]借助室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了砂土地基中低承臺(tái)擴(kuò)底楔形樁的豎向承載群樁效應(yīng),認(rèn)為其群樁效應(yīng)系數(shù)可參照相關(guān)規(guī)范中圓樁按照等面積折算而得;戴國(guó)亮等[8]基于軟土地區(qū)群樁原位足尺試驗(yàn)獲得了群樁中各基樁的荷載分布規(guī)律,并將測(cè)得的群樁效應(yīng)系數(shù)與理論公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

    螺紋樁作為一種異型變截面樁,一方面,螺紋的存在大大增大了樁-土之間的接觸面積,且由于外圍螺紋與樁側(cè)土的機(jī)械咬合,樁側(cè)摩阻力得到很大提高[9],相關(guān)研究表明螺紋樁的單樁承載能力較普通等截面圓樁有很大提高[10-14];另一方面,相較于等直徑圓柱,螺紋樁混凝土用量得到一定程度的節(jié)省,其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著[15]。目前,針對(duì)外力作用下螺紋群樁受力機(jī)理的研究成果較少,其中關(guān)于群樁效應(yīng)方面的研究更是基本處于空白。因此,筆者采用Abaqus商業(yè)分析軟件分析了螺紋群樁的樁數(shù)、樁長(zhǎng)、樁間距、承臺(tái)尺寸和樁周土強(qiáng)度指標(biāo)等因素對(duì)承載力的影響,進(jìn)而分別采用理論計(jì)算法和數(shù)值分析法這兩種方法計(jì)算螺紋樁群樁效應(yīng)系數(shù),并進(jìn)行討論與分析。

    1 螺紋樁群樁承載特性研究

    1.1 數(shù)值分析模型的建立

    螺紋群樁由螺紋基樁與承臺(tái)組成,其中螺紋基樁由內(nèi)部光圓樁芯與外部螺紋組成(圖1)。在數(shù)值建模時(shí),考慮到網(wǎng)格劃分的方便因素,采用Abaqus軟件自帶的三維建模功能分別建立光圓樁芯與外部螺紋結(jié)構(gòu),樁芯用Extrusion命令由圓形拉伸而成,螺紋部分用Revolution命令由梯形旋轉(zhuǎn)而成,并在軟件Interaction模塊中將光圓樁芯與外部螺紋綁定在一起。根據(jù)建筑工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《螺紋樁技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 379—2016)[16]規(guī)定,選取規(guī)范中的6號(hào)螺紋樁作為螺紋基樁,基樁樁身參數(shù)如表1所示。

    D′—外徑;D—內(nèi)徑;B—螺紋寬;S—螺距;Hin—螺紋內(nèi)側(cè)厚度;Hout—螺紋外側(cè)厚度。圖1 螺紋基樁構(gòu)造示意圖Fig.1 Structural diagram of single screw pile

    表1 螺紋基樁幾何尺寸Table 1 Geometric dimension of standard screw pile

    螺紋群樁取9根,3×3布設(shè),整體模型尺寸為18.15 m×18.15 m×32 m。其中樁間距與螺紋樁外徑之比取為4;邊樁中心到承臺(tái)邊緣設(shè)為1.5倍樁外徑;承臺(tái)厚度取0.75 m,平面尺寸為6.05 m×6.05 m;由于實(shí)際工程中土體屬于半無(wú)限體,而有限元分析模型的計(jì)算域是有邊界的,為盡可能降低邊界對(duì)計(jì)算區(qū)域的影響,將土體水平方向尺寸設(shè)置為承臺(tái)的3倍,樁端土體向下拓展1倍樁長(zhǎng)。數(shù)值分析模型、地基土層與樁基參數(shù)分別如圖2和表2所示。在數(shù)值分析時(shí),考慮到螺紋群樁及承臺(tái)在承載過(guò)程中一般只發(fā)生彈性變形,土體在受力后會(huì)發(fā)生彈塑性變形。因此,基樁與承臺(tái)均采用線彈性本構(gòu)模型,而地基土則采用摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行模擬。對(duì)于添加群樁模型荷載,采取在承臺(tái)頂面施加均布荷載,并通過(guò)監(jiān)測(cè)每個(gè)基樁樁頂圓心處的豎向位移來(lái)得到群樁基礎(chǔ)的荷載—沉降曲線。在樁-土-承臺(tái)之間相互作用模擬時(shí),基樁外圍螺紋以及基樁頂部與承臺(tái)之間定義為綁定約束,基樁-土之間定義為接觸,承臺(tái)與地表土通過(guò)接觸單元來(lái)模擬。在樁-土相互作用分析中,采用庫(kù)倫摩擦以模擬其切向相互作用,摩擦系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[17]選取;采用硬接觸以模擬其法向相互作用,并設(shè)定接觸面可以自由分離。設(shè)置邊界條件時(shí),將計(jì)算域底部設(shè)為固定約束,頂部自由,垂直于x方向的兩個(gè)側(cè)面約束其x方向的位移,垂直于y方向的兩個(gè)側(cè)面約束其y方向的位移??紤]到土層由于自重而產(chǎn)生初始地應(yīng)力場(chǎng),可通過(guò)在軟件Load模塊中使用Predefined field命令來(lái)實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力的平衡。

    圖2 有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model

    表2 地基土層、基樁及承臺(tái)參數(shù)

    1.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

    1.2.1 荷載—沉降曲線

    外力作用下螺紋群樁中的中心樁、邊樁和角樁的荷載—沉降關(guān)系如圖3所示。由圖3可知:不同于單樁基礎(chǔ)情況,各基樁的荷載—沉降曲線屬于緩變型,且各基樁中的中心樁、邊樁和角樁的荷載—沉降曲線幾乎完全重合。相較于土體剛度而言,承臺(tái)的剛度要大很多,其對(duì)各螺紋基樁有很明顯的約束作用;同時(shí)由于承臺(tái)的存在,導(dǎo)致基樁-土的荷載分擔(dān)不同于純粹的單樁基礎(chǔ)。如果外力在17.5 MN以內(nèi),則荷載—沉降曲線變化規(guī)律幾乎是線性的;當(dāng)外力繼續(xù)增大后,荷載—沉降曲線逐漸由直線轉(zhuǎn)變?yōu)榍€形式,表現(xiàn)出明顯的非線性特性;在外力由17.5 MN增大到30 MN的過(guò)程中,荷載—沉降曲線的斜率越來(lái)越大,說(shuō)明螺紋群樁的沉降發(fā)展越來(lái)越快,這是由于外力的逐漸增加導(dǎo)致樁周土的塑性區(qū)逐漸增大。

    圖3 螺紋群樁荷載—沉降曲線Fig.3 Load-settlement curves of screw group piles

    1.2.2 樁身軸力

    螺紋群樁中各基樁的樁身軸力隨樁身深度的變化情況如圖4所示。由圖4可知:螺紋群樁中各基樁的樁身軸力傳遞規(guī)律都是相同的,均沿著樁身先增大后減小,這與螺紋單樁的樁身軸力沿深度逐漸減小的情況不同。這是由于螺紋群樁在豎向外荷載作用下樁間土的沉降大于螺紋基樁導(dǎo)致上部基樁產(chǎn)生方向向上的負(fù)摩阻力,上部基樁的軸力變大;當(dāng)離樁頂距離在12 m以內(nèi)時(shí),相同深度處的樁身軸力角樁最大,邊樁次之,中心樁最小;超過(guò)12 m后的3種類(lèi)型基樁的軸力則基本相同。這是因?yàn)槁菁y群樁的承載能力主要是由樁側(cè)土提供,而樁底土貢獻(xiàn)很小。

    圖4 螺紋群樁軸力分布曲線Fig.4 The distribution curves of axial force of screw group piles

    1.2.3 樁側(cè)摩阻力

    考慮到螺紋樁的樁身形狀比較復(fù)雜,可按照靜力平衡原則將螺紋樁的端阻力和側(cè)摩阻力折算成等效側(cè)摩阻力進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[18],表達(dá)式為

    (1)

    式中:τ為樁側(cè)等效側(cè)摩阻力;Q上,Q下分別為上、下斷面的端阻力;h為分析段段長(zhǎng);D′為螺紋基樁的外徑。

    中心樁、邊樁和角樁的等效側(cè)摩阻力分布曲線如圖5所示。由圖5可知:中心樁、邊樁與角樁的等效側(cè)摩阻力分布曲線的趨勢(shì)基本一致,都是在靠近承臺(tái)部位存在負(fù)摩阻力;角樁負(fù)摩阻力出現(xiàn)范圍最小,邊樁次之,中心樁最大,說(shuō)明螺紋群樁中各基樁的負(fù)摩阻力效應(yīng)由小到大依次為角樁、邊樁和中心樁。這主要是由于在外荷載作用下,中心樁樁側(cè)土體的沉降趨勢(shì)較邊樁和角樁的要大;同時(shí),相較中心樁而言,角樁和邊樁在中心樁的四周,處于承臺(tái)邊緣處,受到擾動(dòng)和土體附加應(yīng)力疊加效應(yīng)小。這些原因?qū)е侣菁y群樁各基樁樁側(cè)摩阻力由小到大依次為角樁、邊樁和中心樁。

    圖5 螺紋群樁側(cè)摩阻力分布曲線Fig.5 The distribution curves of lateral friction resistance of screw group piles

    2 影響因素分析

    2.1 樁間距對(duì)螺紋群樁承載力的影響

    為研究螺紋群樁的樁間距對(duì)其豎向承載能力的影響,分別將距徑比Sd/D′設(shè)置為3,4,5,6,其中距徑比指樁間距與樁外徑之比。計(jì)算時(shí),邊樁距承臺(tái)邊緣距離為1.5倍樁外徑,其余參數(shù)保持不變,僅改變距徑比值的大小,其結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:隨著距徑比的增大,螺紋群樁的承載力逐漸增大,當(dāng)距徑比為3時(shí),承載力最小,僅達(dá)到21.498 MN;當(dāng)距徑比為6時(shí),螺紋樁的承載能力最大,是距徑比3時(shí)的1.62倍;當(dāng)距徑比從3增大到4時(shí),承載力提高了18.15%;當(dāng)距徑比從4增大到5時(shí),承載力增幅為26.85%;而距徑比從5增大到6時(shí),承載力增幅僅為9.08%。這是因?yàn)楫?dāng)樁距較小時(shí),群樁、承臺(tái)和土體之間相互影響出現(xiàn)了較強(qiáng)的群樁效應(yīng),樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮受到了影響,群樁基礎(chǔ)的豎向承載力未能得到充分發(fā)揮。由上述數(shù)據(jù)可知:當(dāng)樁徑比為4~5時(shí),群樁極限承載力增幅最明顯;增大螺紋樁的樁間距能在一定程度上提高群樁的極限承載力,但增大樁間距必然會(huì)增加承臺(tái)鋼筋和混凝土用量,進(jìn)而增加工程造價(jià)。因此,工程實(shí)踐中螺紋群樁的距徑比建議值為4~5。

    圖6 不同距徑比下螺紋群樁荷載—沉降曲線Fig.6 Load-settlement curves of screw group piles under different Sd/D′

    2.2 樁身長(zhǎng)度對(duì)螺紋群樁承載力的影響

    增加樁身長(zhǎng)度會(huì)增大螺紋基樁的樁側(cè)表面積,從而增大其側(cè)摩阻力,導(dǎo)致螺紋群樁的承載力相應(yīng)增加。為研究螺紋群樁的承載能力與樁長(zhǎng)間的關(guān)系,同樣保持其余參數(shù)不變,依次將樁長(zhǎng)設(shè)定為8,12,16,20 m,建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算,其結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:隨著樁長(zhǎng)的增加,螺紋群樁的極限承載力相應(yīng)提高。4組不同樁長(zhǎng)情況下螺紋群樁的極限承載力依次為13.439,19.296,25.478,33.382 MN,其豎向極限承載力隨樁身長(zhǎng)度的增加而近似線性增加。當(dāng)樁長(zhǎng)從8 m增加到20 m時(shí),群樁極限承載力增加了19.915 MN,增幅達(dá)147.98%。這是因?yàn)閷?duì)于螺紋樁群樁這類(lèi)摩擦型群樁基礎(chǔ)而言,其豎向承載力主要依賴樁側(cè)阻力的發(fā)揮,而隨著樁長(zhǎng)的增加,樁-土接觸面會(huì)進(jìn)一步增大,樁側(cè)阻力必然會(huì)增大,群樁基礎(chǔ)的沉降隨之降低,承載力得到提高。因此,螺紋樁群樁與端承型等直徑群樁不同,可通過(guò)采用增加樁長(zhǎng)的方法來(lái)大幅度提高螺紋群樁的承載能力。在具體工程實(shí)踐時(shí),對(duì)于較差的地基土可適當(dāng)增大樁身長(zhǎng)度來(lái)提高螺紋群樁的極限承載能力。

    圖7 不同樁長(zhǎng)下螺紋群樁荷載—沉降曲線Fig.7 Load-settlement curves of screw group piles under different pile length

    2.3 樁數(shù)對(duì)螺紋群樁承載力的影響

    樁數(shù)的增加會(huì)減小基樁的荷載分擔(dān),樁數(shù)的改變必然使群樁承載力發(fā)生變化。為研究螺紋群樁的樁數(shù)對(duì)其承載能力的影響,建立了1×1,2×2,3×3,4×4這4組矩形布置形式的群樁數(shù)值模型,模型中邊樁距承臺(tái)邊緣距離均為1.5倍樁外徑,其余參數(shù)保持不變,其荷載—沉降曲線如圖8所示。由圖8可知:4組不同樁數(shù)情況下的螺紋樁極限承載力依次為5.119,15.179,25.476,41.383 MN,其承載能力隨著樁數(shù)增多而線性提高?;鶚?、承臺(tái)以及樁間土共同分擔(dān)外荷載。當(dāng)群樁數(shù)量由單根增加到16根后,其承載力增大了36.198 MN,增加了695.76%。因此,增加基樁數(shù)量必然提高群樁的承載能力。這主要是因?yàn)楫?dāng)上部荷載一定時(shí),隨著樁數(shù)的增加,每根基樁分擔(dān)的荷載減小,樁土相對(duì)位移也減小,從而群樁基礎(chǔ)的沉降也隨之減小。但是,基樁根數(shù)的增加需要注意適應(yīng)量,否則,大量增加螺紋基樁根數(shù)會(huì)擴(kuò)大不同樁之間的應(yīng)力疊加范圍,影響樁側(cè)與樁端阻力的充分發(fā)揮,且基樁數(shù)量過(guò)多會(huì)增加成本,性價(jià)比不高。

    圖8 不同樁數(shù)下螺紋群樁荷載—沉降曲線Fig.8 Load-settlement curves of screw group piles under different number of piles

    2.4 承臺(tái)厚度對(duì)螺紋群樁承載力的影響

    為探究承臺(tái)厚度對(duì)螺紋群樁承載能力的影響,保持其余參數(shù)不變,通過(guò)改變承臺(tái)厚度建立分析模型,獲得不同承臺(tái)厚度下的荷載—沉降關(guān)系,如圖9所示。由圖9可知:隨著承臺(tái)厚度的不斷增大,螺紋群樁的豎向極限承載力逐漸減小。當(dāng)承臺(tái)厚度由0.5 m增加到0.75 m時(shí),豎向承載力減小了2.636 MN,減幅為9.01%;當(dāng)承臺(tái)厚度從0.75 m增加到1 m時(shí),豎向極限承載力減少了3.12%;當(dāng)承臺(tái)厚度從1 m增加到1.25 m時(shí),豎向極限承載力減少了2.89%。這說(shuō)明螺紋群樁的豎向極限承載力隨承臺(tái)厚度的增加而逐漸減小,且其減小幅度越來(lái)越小;當(dāng)承臺(tái)厚度超過(guò)0.75 m后,繼續(xù)增加承臺(tái)厚度對(duì)螺紋群樁的豎向極限承載力影響很小。承臺(tái)厚度影響螺紋群樁承載能力的主要原因:一方面,承臺(tái)厚度增加會(huì)導(dǎo)致群樁基礎(chǔ)自重的增加,對(duì)群樁基礎(chǔ)的承載力會(huì)有一定影響;另一方面,承臺(tái)自身并非完全剛性體,在上部荷載的作用下也會(huì)產(chǎn)生壓縮變形,從而間接影響群樁基礎(chǔ)的沉降,進(jìn)而影響其豎向承載力。

    圖9 不同承臺(tái)厚度下螺紋群樁荷載—沉降曲線Fig.9 Load-settlement curves of screw group piles under different platform thickness

    2.5 樁側(cè)土性質(zhì)對(duì)螺紋群樁承載力的影響

    影響螺紋群樁承載力的因素,除了樁長(zhǎng)、樁數(shù)、樁間距和承臺(tái)厚度,還有一個(gè)重要影響因素是樁周土強(qiáng)度??紤]到實(shí)際地層通常呈水平成層分布,對(duì)各層土強(qiáng)度指標(biāo)按厚度進(jìn)行加權(quán)平均以便計(jì)算[19],即

    (2)

    式中:Zi為第i層土的彈性模量、內(nèi)摩擦角或黏聚力;hi為第i層土厚度。

    根據(jù)式(2)對(duì)表2中各土層的彈模、黏聚力及內(nèi)摩擦角按厚度進(jìn)行加權(quán)平均,得到土體彈模、內(nèi)摩擦角以及黏聚力的特征值依次為32 MPa,13°,25 kPa。分別設(shè)樁側(cè)土彈模為16,24,32,40 MPa,黏聚力為15,20,25,30 kPa,而內(nèi)摩擦角分別為3°,8°,13°,18°,樁端土仍采用表1中第3層土?;鶚?、承臺(tái)等其余參數(shù)均保持不變,計(jì)算得到不同樁側(cè)土參數(shù)下螺紋群樁的荷載—沉降曲線,其結(jié)果如圖10所示。

    圖10 不同強(qiáng)度樁周土下螺紋群樁荷載—沉降關(guān)系Fig.10 Load-settlement curves of screw group piles under different strengths of surrounding soil

    由圖10(a)可知:螺紋樁樁側(cè)土的彈模對(duì)其承載力有很大影響;螺紋樁的承載力隨樁側(cè)土彈模的增大而增大,這是由于樁側(cè)土彈模越大,土的工程性質(zhì)就越好,附加應(yīng)力引起的土層變形量就越小,因而螺紋群樁的沉降就越小。由圖10(b,c)可知:樁側(cè)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)同樣對(duì)承載力有顯著影響,這是由于群樁基礎(chǔ)的承載力達(dá)到極限時(shí),部分樁側(cè)土發(fā)生剪切破壞,而土體的抗剪強(qiáng)度主要取決于內(nèi)摩擦角及黏聚力這兩個(gè)指標(biāo)。樁側(cè)土的黏聚力與內(nèi)摩擦角越大,螺紋樁群樁的豎向承載力也越大。

    2.6 樁底土性質(zhì)對(duì)螺紋群樁承載力的影響

    類(lèi)似地,分析樁底土性質(zhì)對(duì)螺紋群樁承載能力的影響時(shí),令其余兩個(gè)參數(shù)保持不變,依次分別取樁底土的彈模為26,34,42,50 MPa,粘聚力為20,25,30,35 kPa,內(nèi)摩擦角為5°,10°,15°,20°,計(jì)算不同樁底土層參數(shù)下螺紋群樁的荷載—沉降曲線,其結(jié)果如圖11所示。在計(jì)算時(shí),樁側(cè)土參數(shù)特征值采用第2.5節(jié)中按厚度加權(quán)平均的方法得到,基樁和承臺(tái)的參數(shù)均保持不變。

    圖11 不同樁底土體參數(shù)下螺紋群樁荷載—沉降曲線Fig.11 Load-settlement curves of screw piles under different parameters of pile tip soil

    由圖11(a)可知:隨著樁底土彈模的增大,螺紋群樁的豎向承載力也隨之增大。這是由于當(dāng)外荷載一定時(shí),樁底土彈模越大,樁底土層的端阻力越大,其抵抗變形的能力越強(qiáng),從而減小了樁基的沉降,提高了其承載能力。由圖11(b,c)可知:樁底土不同黏聚力下的荷載—沉降曲線幾乎重合,不同內(nèi)摩擦角下的荷載—沉降曲線略有不同,說(shuō)明樁底土黏聚力對(duì)樁基承載力和沉降無(wú)影響,內(nèi)摩擦角則略有影響。當(dāng)外力較小時(shí),不同內(nèi)摩擦角下的荷載—沉降曲線幾乎重合在一起;當(dāng)外力較大時(shí),提高樁底土內(nèi)摩擦角會(huì)相應(yīng)提高螺紋樁的承載能力,但提高幅度不大,表明僅改善樁底土對(duì)提高螺紋樁的承載能力效果不佳。

    3 群樁效應(yīng)分析

    3.1 群樁效應(yīng)系數(shù)計(jì)算方法

    在外荷載作用下的基樁、樁間土和承臺(tái)之間存在相互作用和相互影響,導(dǎo)致群樁基礎(chǔ)的承載機(jī)理非常復(fù)雜,群樁基礎(chǔ)的樁側(cè)阻、端阻以及樁基沉降和破壞形式等與單樁相比存在明顯的不同,其群樁承載力不能簡(jiǎn)單地將各基樁的承載力進(jìn)行相加,這種現(xiàn)象稱(chēng)為群樁效應(yīng)。群樁效應(yīng)大小可用群樁效應(yīng)系數(shù)來(lái)衡量[20],表達(dá)式為

    (3)

    式中:η為群樁效應(yīng)系數(shù);Pu,Qu分別為群樁和基樁的豎向極限承載力;n為樁數(shù)。

    一般來(lái)說(shuō),群樁效應(yīng)與基樁數(shù)量、樁間距、樁身長(zhǎng)度、承臺(tái)類(lèi)別以及樁周土性質(zhì)等因素有關(guān)。因此,借鑒常規(guī)群樁基礎(chǔ)的群樁效應(yīng)分析方法,分別針對(duì)螺紋群樁的距徑比、樁身長(zhǎng)度和基樁數(shù)量等因素對(duì)螺紋群樁群樁效應(yīng)的影響進(jìn)行分析。

    現(xiàn)有計(jì)算群樁效應(yīng)系數(shù)的常用方法有5種:實(shí)體周長(zhǎng)法、Converse-Labrre法、Seiler-Keeney法、應(yīng)力疊加法及分項(xiàng)系數(shù)法[21-22]。其中,Seiler-Keeney法不適合承臺(tái)較低的樁基礎(chǔ);分項(xiàng)系數(shù)法需要現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)來(lái)確定側(cè)阻和端阻綜合影響系數(shù),不適用于筆者研究的螺紋樁的群樁效應(yīng)分析。

    1) 實(shí)體周長(zhǎng)法

    對(duì)于樁間距為Sd、樁徑為d的m行n列群樁基礎(chǔ),其群樁效應(yīng)系數(shù)表達(dá)式為

    (4)

    特別地,對(duì)于方形樁,可用4d代替式(4)中的πd。

    2) Converse-Labarre法

    (5)

    其中公式符號(hào)的意義同式(4)。

    3) 應(yīng)力疊加法

    與以上2種計(jì)算方法不同,應(yīng)力疊加法除了引入?yún)?shù)m和n外,還考慮樁身長(zhǎng)度、縱向樁間距s1、橫向樁間距s2以及土的內(nèi)摩擦角等因素的影響,其群樁效應(yīng)系數(shù)表達(dá)式為

    (6)

    3.2 距徑比對(duì)群樁效應(yīng)系數(shù)的影響

    分別采用式(3~6)這4種方法計(jì)算得到不同距徑比下螺紋群樁的群樁效應(yīng)系數(shù),其結(jié)果如圖12所示。由圖12可知:隨著距徑比的增大,螺紋群樁的群樁效應(yīng)系數(shù)也隨之增大。這是因?yàn)?當(dāng)距徑比Sd/D′增大時(shí),各基樁的相互影響減弱,其應(yīng)力疊加效應(yīng)減小。另外,采用實(shí)體周長(zhǎng)法計(jì)算所得結(jié)果與數(shù)值分析法差別較大,而Converse-Labarre法與應(yīng)力疊加法所得結(jié)果與數(shù)值分析法所得結(jié)果比較接近,尤其當(dāng)Sd/D′<4時(shí),Converse-Labarre法與數(shù)值計(jì)算法這兩種方法所得群樁效應(yīng)系數(shù)差別不大,當(dāng)距徑比為3或4時(shí),兩種方法所得結(jié)果僅相差4%不到;當(dāng)Sd/D′>4時(shí),數(shù)值分析法計(jì)算結(jié)果更接近于應(yīng)力疊加法;當(dāng)Sd/D′為5和6時(shí),這兩種方法計(jì)算所得結(jié)果相差約9.9%。因此,當(dāng)<4時(shí),可采用Converse-Labarre法進(jìn)行計(jì)算;而當(dāng)Sd/D′>4后,可利用應(yīng)力疊加法進(jìn)行計(jì)算。

    圖12 螺紋群樁的群樁效應(yīng)系數(shù)與距徑比的關(guān)系Fig.12 Relationship between group pile effect coefficient and Sd/D′

    3.3 樁長(zhǎng)對(duì)群樁效應(yīng)系數(shù)的影響

    考慮到實(shí)體周長(zhǎng)法、Converse-Labarre法僅考慮樁間距、基樁數(shù)量與直徑,無(wú)法分析樁身長(zhǎng)度的影響,因而不能分析不同時(shí)的群樁效應(yīng)系數(shù)。應(yīng)力疊加法可考慮樁長(zhǎng)L的影響。為此,利用式(3)及應(yīng)力疊加法分別得到不同值時(shí)的螺紋群樁效應(yīng)系數(shù),其結(jié)果如圖13所示。由圖13可知:樁長(zhǎng)越小,群樁效應(yīng)系數(shù)越大。當(dāng)L在12 m以內(nèi)時(shí),群樁效應(yīng)系數(shù)隨樁長(zhǎng)衰減很快,超過(guò)12 m后則衰減減緩。這是因?yàn)?螺紋群樁樁間土的應(yīng)力疊加范圍隨著的增大而擴(kuò)大,導(dǎo)致群樁效應(yīng)更加顯著、群樁效應(yīng)系數(shù)更小;當(dāng)超過(guò)某一值后,應(yīng)力疊加范圍不再繼續(xù)發(fā)展,螺紋群樁的群樁效應(yīng)變得平緩起來(lái)。當(dāng)L<12 m時(shí),兩種計(jì)算方法所得群樁效應(yīng)系數(shù)相差較大,尤其當(dāng)L<8 m時(shí)兩種方法所得結(jié)果差別竟達(dá)32.9%;當(dāng)L>12 m時(shí),兩者差值逐漸減小。因此,按照應(yīng)力疊加法獲得的不同樁長(zhǎng)下螺紋群樁效應(yīng)系數(shù)結(jié)果偏大。

    圖13 群樁效應(yīng)系數(shù)與樁身長(zhǎng)度L的關(guān)系Fig.13 Relationship between group pile effect coefficient and pile length L

    3.4 樁數(shù)對(duì)群樁效應(yīng)系數(shù)的影響

    分別采用式(3~6)這4種方法計(jì)算了不同基樁數(shù)量下螺紋群樁的群樁效應(yīng)系數(shù),結(jié)果如圖14所示。由圖14可知:隨著樁數(shù)的增加,Converse-Labarre法與數(shù)值分析法這兩種方法獲得的群樁效應(yīng)系數(shù)隨之減小,其變化規(guī)律基本相同。當(dāng)樁數(shù)n超過(guò)9根后,這兩種方法所得結(jié)果相差很小;實(shí)體周長(zhǎng)法與應(yīng)力疊加法的結(jié)果與數(shù)值分析法所得結(jié)果差別較大,這是由于理論分析法有其適用范圍。一般來(lái)說(shuō),不同樁間的互相影響隨著基樁數(shù)量的增加而變強(qiáng),其群樁效應(yīng)也隨之變得越強(qiáng),因此群樁效應(yīng)系數(shù)隨著基樁數(shù)量的增多而變小。采用數(shù)值分析法所得結(jié)果與此規(guī)律一致。

    圖14 群樁效應(yīng)系數(shù)隨樁數(shù)的變化情況Fig.14 Relationship between group pile effect coefficient and pile number n

    4 結(jié) 論

    螺紋群樁的荷載—沉降變化規(guī)律屬于緩變型。3種類(lèi)型螺紋基樁的樁身軸力由大到小依次為角樁、邊樁和中心樁。螺紋基樁的等效側(cè)摩阻力變化情況和曲線形態(tài)類(lèi)似,都在樁身上段存在負(fù)摩阻力。螺紋群樁的極限承載力隨著樁中心距、基樁數(shù)量以及樁身長(zhǎng)度的增加而提高,但是隨著承臺(tái)厚度的增加而降低。樁側(cè)土體強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)螺紋群樁的極限承載能力有較大影響。樁間距、樁數(shù)和樁身長(zhǎng)度等因素影響著螺紋群樁的群樁效應(yīng)系數(shù),可采用不同的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算,但要注意不同方法的適用條件。

    本文得到浙江工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(GZ19921060039;JG201929)的資助。

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