桩间距研究综述

桩间距研究综述

戴民1

1河海大学岩土工程科学研究所(210098)

email:daim@

摘要：从复合地基设计参数桩间距出发，分析了沉降控制设计中变桩间距沉降控制设计的意义，指出桩间距研究的重要性，通过分析桩间距研究现状，指出了今后桩间距研究的方向，为桩间距研究提供了思路。

关键词：桩间距 PCC桩 复合地基 有限元分析

1．引言

我国江浙沿海地区广泛分布有深厚的强度低、压缩性高、渗透性差的亚粘土、淤泥质亚粘土地层，这类地层通常需要进行加固处理才能达到工程项目的沉降控制要求，随着国民经济的飞速发展，高速公路建设大量展开，在工程建设中遇到大量软基加固问题。目前，软基加固技术主要有：排水固结法、化学灌浆法、换土垫层法、复合地基等。各种软基加固技术各有特点，复合地基技术因其对软土地基加固直接有效，能快速地提高承载力和稳定性，减小沉降及工后沉降，且具有广泛适用性，十分符合当前经济建设的快速、高效要求，在目前的高速公路软基加固工程中使用越来越多。目前困扰公路建设的桥头跳车问题，工后沉降差问题主要采用复合地基技术，如粉喷桩复合地基技术[1]、CFG桩复合地基技术[2]、PCC桩复合地基[3][4]技术等来进行处理。

复合地基的软基加固效果，直接受到复合地基技术本身和复合地基设计的影响，因此，对于某一确定桩型，复合地基的设计在软基加固中显得十分重要。复合地基的设计可根据加基加固目的的不同分为按承载力控制进行设计，和按沉降控制进行设计两大设计思路[5]。桥头过渡段软基加固通常不是由承载力达不到要求引起，大多是由于软土地基的沉降不能满足工程要求，且按沉降控制设计可以合理控制工程的投资，能达到节省工程投资的目的，所以，当前的桥头软基加固均设计按沉降控制为原则进行。复合地基按沉降控制设计的方法较多，常用的是改变桩长或桩间距来达到控制沉降的目的。由于变桩长设计对持力土层要求较高，目前，桩复合地基主要按变桩间距设计进行沉降控制，通过改变桩间距来达到不同沉降要求路段的顺利过渡。

减小桩间距能够减小复合地基的沉降，但由桩体承担的荷载过大，难以发挥出桩间土的承载潜力，而增大桩间距有可能不能满足承载和变形要求且容易引起桩顶应力过于集中。复合地基究竟采取多大的桩间距，才能经济地达到控制沉降的目的，需要进行研究。如何经济合理地布置桩间距，确定能符合规范要求的工后沉降的路堤高度，使过渡段的工后沉降差满足纵坡率的要求，对节约成本，缩短工期，提高工程质量，具有重要意义。

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2．桩间距研究现状

桩间距在设计中可调性较大，在固定桩长的情况下，可采用变桩间距设计进行沉降控制。现行《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002）[6]第8.5.2条第一款提出“摩擦型桩的中心距不宜小于桩身直径的3倍”。《建筑地基处理技术规范》(JGJ79－2002)[7]规定：“设计的桩距首先要满足承载力和变形量的要求，从施工角度考虑，尽量选用较大的桩距，以防止新打桩对已打桩的不良影响”，“对挤土成桩工艺和不可挤密土宜采用较大的桩距”。当桩间距大于6倍时，就形成疏桩基础，桩对土的加强作用并不明显，但群桩效应及打桩扰动对土体抗剪强度的削弱作用减少到最低限度；工程实践表明：当疏桩率达到“最佳地基土桩容量”时，其建筑物沉降量反而比一般桩基础为小[8]。

桩间距研究方法根据研究角度可分为：沉降、承载、打桩效应三个方面；而按照分析方法可大致分为试验法、理论分析法两大类。

2.1 试验法

闫明礼等[2]进行过CFG桩复合地基现场试验，得出随着桩间距的减小，桩土荷载分担比增加。池跃君等[9]通过现场试验数据分析得出在群桩复合地基中，桩间距不能太小，应在允许范围内尽可能加大，而加大桩间距受到限制时再考虑桩长。郭明田等[10]通过对CFG桩复合地基主要设计参数桩径、桩长及桩间距的正交试验，采用回归分析手段分析了桩间距对地基处理效果的显著性影响水平。Hanna等[11]建立过一种可分析过桩间距的作用的基于人工神经网络的试验数据分析模型。Al-Khafaji 等[12]对碎石桩复合地基进行过一系列离心模型试验。刘汉龙等[13]在上海进行过对PCC桩沉桩挤土效应现场试验，得出PCC桩的挤土效应要小于通常闭口桩最小间距3D，约为等直径闭口桩挤土效应的一半，为安全起见，建议PCC 桩的最小间距为2.5D。

2.2 理论分析法

理论分析法，可分为有限元分析法、桩土相互作用解析法、设计计算经典理论分析法。其中有限元分析法、桩土相互作用解析法可用于复合地基工作机理分析及优化设计，在学术界越来越受到重视；而设计计算经典理论分析法简单、实用，在工程应用领域研究得较多。

2.2.1 有限元分析法

复合地基有限元分析可依据离散模型的方式分为二类：一类是将复合地基看作双层地基，划分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元，这类方法不能分析桩土相互作用，称为复合本构有限元分析法[15][15][16]；一类桩体和天然土体离散为桩体单元和土体单元，在桩土体间设置或不设置接触面单元，这类方法可以分析桩土相互作用，称桩土相互作用有限元分析法。

杨涛等[16]对复合本构有限元法的适应性进行过专门探讨。复合本构有限元法，是将加固区桩土复合体视作均质各向异性的复合材料，通过恰当的方式建立反映加固区整体特性的本构模型，体现出桩土体间的相互影响，其优点在于单元剖分时，不必考虑桩的存在，无需设置接触面单元，若不研究承载机理，计算沉降采用复合本构有限元法，是适用的；其缺点在于无法分析桩土相互作用。相对来说，桩土相互作用有限元分析法，可以分析桩土间复杂

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的相互作用，更具有一般适用性和准确性，在计算机技术愈来愈进步的时代，桩土相互作用有限元分析法在复合地基设计、分析领域使用越来越受到重视。桩土相互作用有限元分析法根据处理模型的方面，可分为三维分析法、平面应变分析法和典型单元体法。韩煊等[17]使用经改进的奥地利大型岩土工程仿真分析软件，对复合地基主要设计参数桩距影响下的桩与桩间土中附加应力和桩侧摩阻力的分布特点进行了系统的数值试验研究，得到了一些传统研究方法无法得到的定量规律。池跃君等[18]采用ANSYS地刚性桩复合地基进行平面应变有限元模拟，分析过桩间距对在竖向荷载下的轴力、沉降特性的影响。Widjojo等[19]使用平面PLAXIS程序分析过桩筏基础，探讨过桩间距的倒数与桩筏基础差异沉降间的关系。Han等[20]使用FLAC程序，采用简化典型单元体模型，探讨过桩间距桩承土工格栅加筋路堤荷载

传递特性的影响。

2.2.2桩土相互作用解析法

桩土相互作用的解析法主要是建立在弹性理论上。池跃君等[21]利用解析解答讨论过桩土应力比及荷载分担比等随桩间距变化的规律。吴起星等[22]使用位移协调法，分析过桩侧土影响半径r m，并通过一单桩静载试验分析，得出为充分地发挥桩侧摩阻力，桩基允许最小桩间距为3D。雷金波等[23]采用等沉面思想，考虑桩帽顶和桩端发生上、下刺入变形现象，推导出带帽桩复合地基复合桩土应力比的隐式计算公式，分析过桩间距对复合桩土应力比的影响。Alamgir等[24]、Shahu等[25]采取适当的假定，分析过桩间距对典型单元体复合地基工作性状的影响。Kitiyodom 等[26]使用建立于解析解上的群桩分析程序PRAB探讨过桩距比（桩间距与桩径的比值）对荷载传递特性的影响。

2.2.3 设计计算理论法

张羽等[27]根据高速公路软基处理的特点，提出过一种建立在太沙基理论基础上的CFG 桩复合地基最佳桩间距解析表达式。唐彤芝等[28]从复合地基承载力、工后沉降量以及打桩效应三个方面进行综合分析，分别提出过按复合地基承载力控制的桩间距的设计计算方法；按高速公路对工后沉降量要求控制的桩间距的设计计算方法；考虑打桩效应的桩间距设计计算方法。

3.桩间距研究存在的一些问题

3.1试验法存在的问题

室内试验小比例尺模型试验，存在明显的尺寸效应和边界条件效应，此外由于不能模拟自重应力条件，因而无法准确观测到桩端以下深处土层在实际应力条件下的性状及其与桩间的相互作用。离心试验对试验仪器要求较高，一般科研机构难以提供展开离心模型试验的条件，离心模型试验仅限于一些重点实验室。复合地基的现场试验，对试验结果产生影响的影响因素众多，非大量的实验积累，难以找出规律。此外，试验法存在着研究成本高，试验样本数少的缺点，归纳规律时，需要有强大的数据分析手段作为后盾，对研究人员的数据分析水平和理论水平要求较高。

3.2有限元分析存在的问题

接触面的处理，材料的本构，褥垫层的补充模拟、计算参数的选用，计算机容量的限制是目前复合地基有限元分析存在的主要问题[29]。由于桩土刚度存在差异，理想的桩土耦合

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