码头工程群桩基础承载力研究

码头工程群桩基础承载力研究
◎ 冯琳 招商局蛇口工业区控股股份有限公司
摘 要：为研究码头群桩基础的合理设计，本文依托某拟建码头实际工程，运用ABAQUS 有限软件建立群桩基础有限元模型，探究桩长、桩径、桩间距、桩数四个基桩参数对群桩基础承载能力和承载性能的影响，得到如下结论：（1）一般而言，桩长越长，桩数越多，桩径、桩间距越大，承载力越高；不同基桩参数对基础承载能力的影响程度不同，桩数影响最大，桩间距次之，桩长和桩径较小；（2）桩长超过一定值后对承载力的提高有限，存在满足经济和承载要求的最优桩长；（3）桩间距对基础内部受力影响较大，桩间距越大，基桩受力类似单桩，承台中部受力增大，四角受力减小。

（4）群桩效应使得群桩基础的地基承载力大于单桩基础，但各桩平均承载力小于单桩基础承载力。

关键词：群桩基础；基桩参数；承载能力；ABAQUS
1.引言
我国经济的不断发展，交通建设的不断进步对基础建设提出了更高要求。

（群）桩基础因沉降变形小、承载能力强、抗震性能优越等特点，被广泛应用于工程建设领域，以解决高、重、大型工程建筑地基基础问题，而码头工程正是大型建筑的代表。

码头地基处理不当，则无法承担上部荷载而产生过大沉降变形，将会造成严重的安全事故和重大的经济损失，因此群桩基础设计和地基承载性能研究对于码头工程的安全运营十分重要。

对此，学者展开大量研究。

徐盼龙[1]以江苏某风电场项目为例，通过ABAQUS有限元软件研究低承台群桩基础的承载特性，分析承台和基桩的承载特点及承载机理。

林毅峰[2]等以某风电场实际工程为研究对象，建立高承台群桩基础数值模型，研究基础的承载能力，并结合基桩现场抗拔实验数据验证数值模型的正确性。

王国才[3]等采用ABAQUS软件研究了外荷载作用下螺纹群桩基础的承载机理、荷载传递规律和群桩效应，探究桩间距、桩数、桩长等参数对地基承载能力的影响。

单华峰[4]等基于双曲线模型、荷载传递法等建立群桩基础的控制方程，通过理论计算方法研究
承台刚度对群桩基础承载能力的影
响，并结合Plaxis 3D有限元软件验
证理论计算方法的可行性。

王永艺[5]
等依托陡岩河岸墩式码头实际工程，
基于ABAQUS有限元软件研究了桩间
距、嵌岩深度对群桩基础竖向承载特
性的影响。

本文依托某拟建码头实际工程，
采用A BAQUS有限软件建立不同基
桩参数的群桩基础三维有限元模型，
开展群桩基础的承载性能研究，探究
桩长、桩径、桩间距、桩数四个基桩参
数对群桩基础承载能力的影响，为群
桩基础设计提供理论支撑。

2.工程概况
该拟建码头工程总用地面积约
22万m2，拟建多个水罐、气罐、办公
楼等建筑设施，场地采用群桩基础，
需研究该场地复合群桩地基的承载特
性。

场地地形平缓，略有起伏，地面
最大高差为4.85m，场地西北侧人工
填土堆高出地面3~5m。

场地标准土
层从上到下依次为：素填土、冲填土、
粉质黏土和花岗岩中风化带。

拟将花
岗岩中风化带作为基桩持力层，平均
深度约18.5m。

3.模型建立
依托实际工程，选用ABAQUS有
限元软件建立复合群桩基础模型如
图1所示，群桩基础采用2×2的布置
形式（如图2所示），模型桩长22m，
桩径1m，桩间距4m，承台尺寸为
7m×7m×2m。

以桩径d为参考单位，
考虑边界条件对计算结果的影响，桩
周至模型边界的距离约取35d，桩端
以下的土体厚度约取20d，则模型整
体尺寸设置为90m×75m×60m。

地
基土适用于弹塑性模型，选用Mohr-
Coulomb本构模型进行模拟，群桩
基础适用于线弹性模型，其参数设
置如表1所示。

群桩基础与土体间设
置法向接触和切向接触，法向采用硬
接触，切向接触摩擦系数设为0.4，并
对桩底与土、承台底与土进行约束固
定。

采用竖向均布荷载逐级加载的形
式设置上部荷载。

为研究不同桩长、桩径、桩间距、
桩数群桩地基的承载性能，在以上模
型的基础上，桩长考虑桩基嵌入持力
层深度不小于1d，设置22m、23m、
24m、25m和26m五种桩长尺寸；在
1m建议桩径的基础上设置0.8m、
1m、1.2m、1.4m和1.6m五种桩径
尺寸；根据《建筑桩基技术规范》[6]
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基础的承载力曲线表现为相同的变
化趋势，桩顶沉降随荷载的增加而不断增加，曲线没有明显陡降，为缓变型曲线。

在相同荷载条件下，桩径越大，桩顶沉降越小；荷载越大，不同桩径群桩地基的承载能力差异越明显。

增大桩径能有效控制地基变形，提高地基承载力，在大荷载情况下具
有更强地基承载增强效果。

4.3桩间距影响
不同桩间距群桩基础荷载-沉降曲
线如图5所示，同一荷载条件下，桩间
距越大，桩顶沉降越小；且不同桩间距下的承载力曲线差异较大，即使是在小荷载条件下，地基承载力也表现出
较大的差异。

说明相对于桩长和桩径，桩间距对地基沉降的控制效果更加明显（尤其是低荷载情况），可通过提高桩间距来有效提高地基承载力。

桩间距对群桩基础各部分受力影响较大，承台、群桩和桩间土共同承担上部荷载，随着桩间距的增大，群桩基础的对土体的影响范围随之增大，但基桩间的影响也随之削弱，
基桩承载特性向着单桩靠近。

桩间距较大时（对应4.5d和5d情况），群桩基础中基桩的承载特性接近于单桩，上部荷载主要由承台中部承担，
四个角上的荷载占比减少。

4.4桩数的影响
不同桩数基础荷载-沉降曲线如
规定的灌注桩最小中心距3d，设置3m、3.5m、4m、4.5m 和5m 五种桩间距；考虑设置1根、4根和9根三种桩数，即单桩、2×2群桩和3×3群桩三种布置形式，对应无承台、
7m×7m×2m和11m×11m×2m三种承台尺寸。

4.群桩基础承载力分析
4.1桩长影响
不同桩长群桩基础荷载-沉降
曲线如图3所示，基础承载力曲线变化规律基本相同，表现为缓变型趋势，桩顶沉降随荷载的增大而不断增大。

桩长越长，相同荷载条件下的地基沉降越小，地基承载能力越强。

承载力曲线在小荷载阶段基本相同，仅在荷载较大时表现出一定的差异，说明桩长在荷载较大情况下的作用更加突出。

若以群桩极限承载力作为检
验地基承载能力的判据，其中地基极限承载力为桩顶沉降40mm时对应
上部荷载，该情况下不同桩长群桩基础的承载能力相近，群桩极限承载力与桩长的关系不大。

分析原因，桩基承载主要依赖基
桩侧摩阻力，桩长增大，桩土接触面积增大，总侧摩阻力增大，从而承载能力增大；小荷载阶段不能完全发挥
基桩的承载能力，表现为承载效果相近；大荷载情况下，只有足够的桩长才能承担上部荷载，发挥足够的承载能力，桩长的优势得以体现。

分析小荷载阶段规律的工程意义可知，增加桩
长虽然能增加地基承载力，但桩长增加到一定值后，上部荷载能被侧摩阻力完全承担，多余桩长对应多余的承载能力不会对承载效果造成明显的影响，反而会增大预算，造成浪费，因此
在群桩基础设计中，存在最优桩长，可同时满足经济和承载力要求。

4.2桩径影响
不同桩径群桩基础荷载-沉降曲
线如图4所示。

同样，不同桩径群
桩
图1 复合群桩基础模型
（a）整体模型（b）群体模型
表1 材料参数设置
图2 群桩布置
类型材料弹性模量/（MPa）重度/（kN /m 3）粘聚力/
（kPa）内摩擦角/
（°）
泊松比群桩
基础承台3000
25
/
/
0.15桩
300025//0.15土体
素填土21.019.521.020.0
0.16
冲填土
23.019.0
15.015.0
0.35粉质黏土14.009.024.0
12.0
0.25
花岗岩中风化带6000.023.5
400.0
36.00.30
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图6所示，由图可知，不同桩数基础的承载力曲线差异较大，随着桩数增大，相同荷载下的地基沉降不断增大，地基承载力增大明显。

地基由单桩基础变成2×2群桩基础再变成3×3群桩基础，地基承载能力都是质
的飞跃，相对于其他参数，桩数对地基承载力的影响十分显著。

分析各桩基础平均单桩承载力，
如图7所示，2×2群桩基础和3×3群桩基础的平均单桩承载力基本相同，但均明显小于单桩基础的单桩承载力。

说明同一荷载条件下，群桩基础每一根单桩分担的荷载更小，群桩基础产生的竖向沉降会比单桩产生的竖向沉降小。

分析原因，群桩效应的存在，使
得群桩基础的承载力显著提升。

5.结论
依托某拟建码头工程实例，运用
ABAQUS有限软件模拟桩长、桩径、桩间距、桩数四个基桩参数对群桩基础承载能力的影响，研究不同群桩基
础的承载性能，指导设计施工。

得到结论如下：
（1）各基桩参数均会影响码头
工程群桩基础承载力，但影响程度不同：桩长越长，桩径越大，桩间距越大，桩数越多，群桩基础承载力越
强；桩长和桩径的影响较小，相对于桩长、桩径，桩间距对低荷载条件下的地基承载力影响相对较大，而桩数
的影响最大。

（2）桩长对地基承载力的影响
有限，超过一定值后对承载力的提高效果较小；在群桩基础设计中，存在最优桩长，可以同时满足经济和承载力要求。

（3）桩间距对基础内部受力分布有较大影响，桩间距越大，基桩受力越接近于单桩，承台中部承受荷载越大，四角承受荷载越小。

（4）相对于其他参数，桩数对地
基承载力的影响十分显著；因群桩效
应的存在，群桩基础与单桩基础具有明显的区别：群桩基础的地基承载力
明显大于单桩基础，但平均到各桩的
承载力却小于单桩基础承载力。

[1]徐盼龙.桩基础承载特性研究[J].福建建材,2023(01):77-80.
[2]林毅峰,周旋,黄俊等.海上风电机组高承台群桩基础整体协同作用下极限承载特性分析[J].水力发电,2017,43(02):108-113.
[3]王国才,束炜,赵志明,等.竖向荷载作用下螺纹群桩承载特性和群桩效应研究[J].浙江工业大学学报,2022,50(03):290-298.
[4]单华峰,王春凌,夏唐代,等.承台刚度对受荷群桩基础承载性状的影响研究[J].地下空间与工程学报,2020,16(04):1078-1087.[5]王永艺,周世良.桩距对陡岩河岸墩式码头群桩基础竖向承载特性影响研究[J].河南科学,2018,36(09):1401-1408.
[6]中国建筑科学研究院.建筑桩基技术规范:JGJ94-2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
图6 不同桩数基础荷载-沉降曲线图3 不同桩长群桩基础荷载-沉降曲线图7 各桩基础平均单桩承载力
图4 不同桩径群桩基础荷载-沉降曲线
图5 不同桩间距群桩基础荷载-沉降曲线
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