超長(zhǎng)群樁基礎(chǔ)的有限差分?jǐn)?shù)值分析

摘??要：承臺(tái)-樁-土的相互作用使群樁基礎(chǔ)的受力變形特性復(fù)雜，而超長(zhǎng)樁由于樁身很長(zhǎng)，加深了這種相互作用的復(fù)雜性。本文通過(guò)有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC對(duì)承臺(tái)標(biāo)高不同、樁端土層不同及樁距不同的超長(zhǎng)群樁基礎(chǔ)進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明，低承臺(tái)對(duì)群樁基礎(chǔ)的受力更有利。超長(zhǎng)群樁因?yàn)闃渡韽椥詨嚎s引起的沉降不容忽視。樁距越大，群樁效應(yīng)的影響越小，但基樁樁頂?shù)牟町惓两翟酱罅Α１疚牟捎糜邢薏罘謹(jǐn)?shù)值軟件FLAC計(jì)算，為超長(zhǎng)群樁的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了一種新的途徑，計(jì)算結(jié)果對(duì)工程實(shí)際具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：超長(zhǎng)群樁基礎(chǔ);高承臺(tái);低承臺(tái);數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：U455.4????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ????????文章編號(hào)：2096-6903（2019）04-0000-00

0?引言

超長(zhǎng)群樁由于樁側(cè)摩阻力和樁端阻力不是同時(shí)發(fā)揮，當(dāng)樁端的承載力充分發(fā)揮時(shí)需要相當(dāng)大的樁頂沉降，可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)對(duì)沉降的要求不能滿足。因此，超長(zhǎng)群樁基礎(chǔ)的和一般樁長(zhǎng)的群樁基礎(chǔ)的承載性狀是不同的，其設(shè)計(jì)理論也亟待改進(jìn)。

本文借用巖土專用有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC，分別對(duì)承臺(tái)高和低、樁端土層差異、樁距不同等情況引起的超長(zhǎng)群樁基礎(chǔ)軸力和沉降等進(jìn)行分析，以找出它們的不同和規(guī)律。

1?數(shù)值建模

巖土采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系，樁和承臺(tái)采用彈性模型。

巖土性質(zhì)和分層采用表1的參數(shù)，土體建模采用110?m×110?m×115?m的實(shí)體。每層土的垂直地應(yīng)力通過(guò)手算獲得，垂直地應(yīng)力梯度為相應(yīng)土層的土體重度;水平地應(yīng)力和梯度取垂直地應(yīng)力和梯度的0.67倍。

超長(zhǎng)樁取樁長(zhǎng)90?m，樁直徑1.5?m的混凝土樁。群樁基礎(chǔ)由9根樁組成，布置見(jiàn)圖1。樁采用程序內(nèi)置的結(jié)構(gòu)樁單元模擬。樁材料為C30，彈性模量3.0×10Pa，泊松比0.20。

承臺(tái)材料參數(shù)與樁基礎(chǔ)一致，取實(shí)體單元。土層表面標(biāo)高為±0.0?m。分別進(jìn)行如下幾種情況的數(shù)值分析：

（1）取承臺(tái)底部標(biāo)高-2.0?m（低承臺(tái)）、±0.0?m和2.0?m（高承臺(tái)）三種情況進(jìn)行計(jì)算。承臺(tái)材料與樁相同尺寸為10.0m×10.0m×2.0m，低承臺(tái)與土之間采用接觸面單元。

（2）調(diào)整承臺(tái)尺寸，取樁間距分別為2?d（承臺(tái)尺寸10?m×10?m）和2.5?d（承臺(tái)尺寸10?m×10?m）、3?d（承臺(tái)尺寸13?m×13?m）、4?d（承臺(tái)尺寸16?m×16?m）和6?d（承臺(tái)尺寸22?m×22?m）進(jìn)行群樁效應(yīng)的分析，d為樁直徑。

（3）對(duì)樁端土層分別為粘土、砂土和圓礫三種情況進(jìn)行分析。土層參數(shù)及分層情況見(jiàn)表2。

2??計(jì)算結(jié)果

在承臺(tái)表面墩身范圍內(nèi)作用相當(dāng)于每根基樁樁頂分配5×10??kN的荷載的均布力。

2.1 承臺(tái)高度不同

軸力和沉降結(jié)果分別如圖4和圖5。

由圖2可以看出，在承臺(tái)頂受力相同的情況下，低承臺(tái)樁基的各樁受力最小。承臺(tái)擱置在土體表面的樁和離開(kāi)土體的高承臺(tái)的樁受力很接近。三種承臺(tái)中，都是角樁受力最大，中心樁受力最小。

低承臺(tái)樁基中，各基樁軸力在樁頂部有個(gè)先減小后增大的過(guò)程，表明此處產(chǎn)生了負(fù)摩阻。這是由于承臺(tái)對(duì)臺(tái)底土的壓實(shí)作用，使該處的土體沉降大于基樁的沉降所致。

由圖3可以看出，高承臺(tái)對(duì)應(yīng)的各基樁沉降要比另兩種形式的承臺(tái)大，低承臺(tái)對(duì)應(yīng)的各基樁沉降最小。

同種承臺(tái)基礎(chǔ)中各基樁樁頂?shù)牟町惓两岛苄?，其中，角樁略大于其它兩類樁，中心樁最小?/p>

樁頂和樁底的沉降差最小的也接近0.5?mm，占樁頂沉降的35.8%，因此，樁身彈性壓縮引起的樁頂沉降不容忽視。

2.2 樁距不同

軸力和沉降計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5。

由圖4（a）可看出，可以看出，角樁樁距越大，樁頂軸力越小;圖4（b）中，樁距2?d邊樁樁頂軸力最大，其次是樁距6?d，和角樁不同的是，樁頂軸力最小的是樁距4?d和2.5?d的;圖4（c）顯示，中心樁情況比較復(fù)雜，樁距6?d樁頂軸力最大，其次是樁距3?d，樁距2.5?d最小，樁距2?d居中。由于角樁承受的樁頂軸力最大，因此，從基樁樁身安全角度看，樁距越大越安全。

由圖5可以看出，樁距2?d的基樁沉降最大，樁距6?d最小，即樁頂沉降隨著樁距的增大而減小，即樁距越大樁基沉降越小。

樁距2?d及2.5?d時(shí)，各樁樁頂?shù)牟町惓两底钚?當(dāng)樁距3?d以上時(shí)，隨樁距增大各基樁樁頂差異沉降增大。從超長(zhǎng)樁設(shè)計(jì)的消除樁頂差異沉降角度考慮，本算例中的最佳樁距為2.0～2.5?d。

各基樁樁頂沉降都是中心樁最大，角樁最小。

2.3 樁端土層不同

取承臺(tái)底標(biāo)高-2.0?m，樁端土層分別為黏土、砂土和圓礫，計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7。

由圖6可看出，樁頂軸力，以樁端為圓礫的最大，砂土的略小。各種樁端土層對(duì)應(yīng)的樁基，都是角樁軸力最大，邊樁次之，中心樁最小。

由圖7可以看出，角樁、邊樁和中心樁的樁頂沉降，都是樁端為黏土?xí)r最大，樁端為圓礫時(shí)與為砂土?xí)r很接近。因此，為了減小樁頂沉降，樁基應(yīng)盡量進(jìn)入持力層好的土層。各基樁樁頂差異沉降很小，其中，角樁樁頂沉降最大，中心樁的最小。

3?結(jié)論

通過(guò)以上研究，可得出以下結(jié)論：

（1）在承臺(tái)頂荷載相同情況下，采用高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)要比采用承臺(tái)全部埋入土中的低承臺(tái)基礎(chǔ)的各樁軸力大。因此，低承臺(tái)對(duì)群樁基礎(chǔ)的受力是有利的。

（2）群樁樁頂?shù)牟町惓两岛苄?，一般是角樁的樁頂沉降最大，其次是邊樁，中心樁最小。超長(zhǎng)群樁因?yàn)闃渡韽椥詨嚎s引起的沉降不容忽視。

（3）樁距越大，群樁效應(yīng)的影響越小。樁距越大，樁基樁頂?shù)牟町惓两翟酱蟆?/p>

（4）從控制樁頂差異沉降考慮，最佳樁距為2.0～2.5?d之間。

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收稿日期：2019-06-10

作者簡(jiǎn)介：劉少成（1985—），男，湖北宜昌人，工學(xué)碩士，工程師，研究方向：地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)。

Research of Effects on Super-long Group Piles Foundation by Different Elevations of Cushion Caps

LIU Shaocheng

（1.China?Railway?Bridge?Science?Research?Institute，Ltd.，Wuhan?Hubei?430034;2.State?Key?Laboratory?for?Health?and?Safety?of?Bridge?Structures，Wuhan??Hubei?430034）

Abstract：?Interaction of cushion caps-piles-soil make that bearing and deformation characters of group piles foundation are complex. Moreover， super-long group piles deepen the complexity of the interaction. By using the software of finite difference in this paper， cushion caps with different elevations are analyzed. The results show that when same forces act on cushion caps， axial forces of each pile and settlements of piles caps of low elevations cushion caps are less than high elevations cushion caps. So using low elevation cushion caps is more conducive to super-long group piles foundation.

Keywords：super-long group piles foundation;high elevation cushion cap;low elevation cushion cap;numerical calculation