竖向荷载下群桩的承载力分析

数值模拟的 Ｑ 曲线及静载试验结果示于图 １ —ｓ ， 图形显示 由 Ｆ． Ｃ Ｄ构建 的单桩模 型能够很好的拟 Ｉ ３ Ａ 合 现场的静载试验结果 。从图 １中可以看出， 得到的 Ｑ—ｓ 曲线 属 于缓 变 曲线 ， 据文 献 ［］ 定 当Ｑ—ｓ 根 ５规 曲
线 属于缓变 型时 ， 桩 极 限承 载力 可根 据 沉 降量来 确 单 定 ， Ｓ ４ ｎｎ 时 所 对 应 的 荷 载 值 ｌ ， 值 为 取 一 ０Ｉ ｉ ＿ 其 ５ ］
３ ０ｍ， ． ７时荷 载 一位 移 的 关 系 并 研 究 四种 不 ． ３ ６ｍ＿ ］
６ ０
图 ２ 不 同桩 距 的 Ｑ—ｓ曲线
表 ３ 不同桩 距时的基桩承载力和群桩效应 系数
同桩 距 的情况 下侧 摩阻 力 的变化 规律 。
（ ）建立 ６ ７号模 型 ， ２ 、 模拟 出六 桩和 九桩 的 Ｑ—ｓ
场取得 的静载荷试验数 据， 采用在岩士工程中广泛应用 的 Ｆ ３ Ｉ ＡＣ Ｄ软件模拟单桩的静载荷试验 以确定模型参数 。然后 ， 在单桩模 型的基础 上， 建立三组不同的群桩模型 ， 分别研究桩距 、 桩数 、 桩径对群桩承载力 的影响并对其作用机理进行 ＿分析 。 『 关键词 ： 向荷载 ； 竖 群桩 ； 承载力 ； 数值分析 中图分类号 ： ＴＵ４ ３ １ ７．１ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ ３５８ （０ １０ —７８Ｏ １７ ７ １２ １ ）６０ ９ ４
２ 由图可 知 ， 同桩 距 时 ， 。 不 群桩 的 Ｑ—ｓ 曲线 都 呈 缓
３ ３ Ｎ ２ｋ 。与斜率倒数法｜ 的计算结果３６０ｋ 仅相 ６ ６ ］ ９ Ｎ
差 ５ Ｎ， 明所 建 模 型 合理 ， 数 选择 正确 ， 够 较 ８ｋ 说 参 能
变 曲线 ， 据规 范确 定取 ｓ ０ｍｍ 时的荷 载作 为 其 根 一４ 极 限承载力 ［ ， ５ 其基 桩 和群桩 效应 系数 承载力 列于 表 ３
鲁 嚣 参数 ， 载 模 式 均 同 １ ｇ、 盘桩模 型 ， 、 加 号单 ８ ９号模 型 的土
体参数分别取表 ２ 中的土体 ２３的参数 ， 、 桩体参数 同
１号 单 桩 模 型 的 桩 体 参 数 ， ８号 桩 的 桩 顶 荷 载 从 ０ ７ＭＰ 开始 加载 ， ． ａ 以后逐 次增 加 ０ ３ ａ加载 至 ． ５ＭＰ ，
有 限元 所采用 的降 阶积 分 更 为合 理 。 同时 Ｆ ３ Ｉ ＡＣ Ｄ 程 序采 用显示 求解 法 ， 需要储 存 刚度矩 阵 ， 不 因此 ， 也 不 需要 修 改 刚度 矩 阵 Ⅲ。所 以 ， Ｌ ３ 在 求 解 非 １ ］ Ｆ ＡＣ Ｄ 线 性 问题 时和求 线 性 问题 一 样 方便 。本 文将 结 合 一
坏， 而此时 ， 桩本身还处于 弹性变形 阶段 ， 以， 所 土体 选择摩尔～库伦模 型， 桩体选择弹性模型 ； 由于桩 又 与桩周土之 间相对 位移较大， 不符合 位移连续性假 设 ， 以 ， 土之 间建 立 接 触 面 ｌ］ 所 桩 ２ 。接 下 来 ， 桩 进 ４ 对
行逐 级加 载试 验 ， 桩顶 荷 载从 ２ＭＰ 开 始加 载 ， ａ 以后 逐次 增加 ｌＭＰ ， ａ加载 至 １ ａ加 载过 程 中对 桩顶 ３ＭＰ ，
５ ０
１ ２ 群桩 模 型的建 立 ．
在单桩 模 型 的基 础 上 ， 来研 究 桩距 、 桩数 、 长对 桩 群桩 承载 力 的影响 。本 文拟 采用 以下 三组 模型 ： （ ）建 立 ２ ３ ４ ５号 模 型 ， 桩 径 ｄ 均 为 １ 、 、、 取 ６０ｍｍ、 长 Ｌ均 为 ２ 桩 数 均 为 ４ 仅 改变 桩 ０ 桩 ０ｍ、 ， 的纵 横 向 间 距 ， 较 桩 间 距 Ｓ 为 １ ８ｍ， ． 比 ． ２ ４ｍ，
竖 向荷 载下 群 桩 的承 载力 分 析
．
吴春 萍 郑 威 ，
安徽 合肥 ２０ ０ ；．合肥工业大学 土木与水利工程学院 ， ３ ０ ９２ ２０ ０ ） ３ ０ ９
（．合肥工业大学 建筑设计研究 院， １ 安徽 合肥
摘
要： 桩基础在工程建设 当中得到广泛地应用 ， 安全性上考虑 ， 从 对群桩承载力 的研究尤为重要 。文章结合一 【程实例 ， 据现 根
《 工程与建设》 ２ １ 年第 ２ 卷第 ６ ０１ ５ 期 ７９ ９
数的变化情况。其中 ２ 号模型的土体参数与桩体 ～７
呈 降低 的趋 势 。上 述群 桩 对 侧 阻 的 “ 弱作 用 ” 着 削 随
荷 载 的增加 一直保 持到 桩基 础破 坏 。
ｏ
荷找／ ａ ＭＰ
２ ４ ６ ８ 【 ０ ｌ ２
３中 ， 桩 承 载 力 分 别 为 ３ ６ ｋ 基 ２ １ Ｎ、３３ ９ｋ ３ Ｎ、
准确 的模拟 桩的受力情 况 。
倚绒 ／Ｎ ｌ （
０．
３３ ９ｋ ３４８ｋ 群 桩 效 应 系数 分 别 为 ８ ． ％ 、 ９ Ｎ、 ４ Ｎ， ９８
！０ ０
！ ！
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：
、 主基嚣
由于长 螺旋灌 注桩 为摩擦 桩 ， 下面来 进一 步研 究 群 桩情 况下 的 桩侧 阻力 。从 图 ３可 以看 出 ： 桩 侧 ①
阻力 随着桩 长 的加深缓 慢增 加 ， 上小下 大 的梯形 分 呈 布样式 。这 种分 布特 点 从 加 载开 始 一 直持 续 到 群 桩 的破坏 。② 群 桩 相对 于单 桩 桩 侧 阻 力 的重 心 下 移 ， 更 多荷 载 由桩 的下 段 承担 。这 主要 是 由于在 群 桩 情
写 。Ｆ ３ 以拉 格 朗 日算 法 为 基 础 ， 用 有 线 差 Ｉ ＡＣ Ｄ 采 分 显式 算法 获得模 型运 动方程 的时间步 长解 ， 而 追 从
踪 材料 的 渐进 破 坏 和 垮 塌 。具 有 有 以 下 特Hale Waihona Puke Baidu点 ： 用 采
“ 混合离散法” 来模拟材料的屈服坍塌和塑性流动， 比
的非 挤 土 性 。然 后 ， 立 桩 体 ， 长 ２ １ 桩 径 建 桩 ０Ｉ、 １ ６ ０ｍｍ。土体参 数 的选 取参 见表 ２桩 体选 用 Ｃ （ ０ ， ３）
表 １ 模 型 尺 寸
在实 际研 究 中 ， 由于桩 基 工 程体 积 庞 大 ， 载 难 荷 以施 加等 原 因 ， 数值模 拟 软件在 桩基 工程 的研究 和实 际应 用 中发挥 着举 足 轻 重 的作 用 。其 中有 限差 分 软 件 Ｆ ３ Ｉ ＡＣ Ｄ凭借 其 高 效 、 准 的优 点 在 岩 土工 程 中 精
土体
． ．
粘聚力 ／Ｐ ｋａ
ｐ ｉ擦 角 ｈ－ ／。 （）
容重 ／ｋ ．ｎ ） 泊 松 比 （Ｎ ｌ。
弹 模 毓
Ｍ ｌｆ Ｊ）
土体 １
土体 ２ 土体 ３
个工程实例 ， 采用 Ｆ Ａ ３ Ｌ Ｃ Ｄ建立相应的群桩模型 ， 模
拟逐 级加 载试验 ， 此基础 上分 析桩距 、 数 、 长对 在 桩 桩 群桩 承 载力 的影 响并 分析 研究 其作用 机理 。
９ ． ％ 、 ３ ５ 、４ ９ １ ９ ９ ． ％ ９ ． ％。 由此 可见 ， 距与桩 径之 比 桩 越小 ， 桩 的极 限 承 载 力 也 就 越 小 ， 桩 效 应 系 数 基 群
越大 。
０
Ｉ Ｏ ２ ０ 吕 吕
蟊 ３ ０ 图 ｌ 单桩 Ｑ Ｓ 线 曲
逝
嚣
４ ０
比例ｓ Ｄ 。③ 在 群 桩 中 ， 侧 阻力 始终 无 法 达 到 单 ￣Ｉ Ｊ 桩 桩 的桩侧 阻力水 平 ， 是 因为群 桩桩 间土 的应力水 平 这 大大 提高 ， 减小 了桩 土 界 面 的剪 应 力 ， 成桩 土 相 对 造
曲线 ， 后 和 １号 、 模 型进 行 比较 ， 究 桩 长 、 然 ２号 研 桩 径相 同的情况 下 ， 数不 同时的荷 载 一位移 关 系及群 桩 桩 效 应系数 的不 同并 分 析其原 因 。 （ ）建 立 ８９号模 型 ， 究桩 径 ｄ均为 ６０ｍｍ、 ３ 、 研 ０ 桩距 Ｓ均 为 １８Ｉ、 ． ／桩数 均 为 ４时 ， 长 Ｌ分 别 为 Ｔ 桩 １ １ ２ 时 的荷 载 一位 移关 系及 群桩 效应 系 ０ｍ、５ｍ、０ｍ
这主要 是 因为群 桩 中基 桩侧 阻力 的发 挥 同时 受 到相邻 桩 和相邻 桩 问 土 的影 响 ， 着桩 距 的减 小 ， 随 桩
间土竖 向位移因为相邻桩的影响而增大， 桩土相对位 移减小， 导致桩侧阻力不能充分发挥 ， 因此 ， 基桩的侧 摩 阻 力 减 少 ， 这 种 现 象 为 对 侧 阻 的 “ 弱 作 称 削 用” 。 ＿。 ８ 。桩距的减小还会导致桩端阻力增强但是由 于 端阻力 在摩 擦桩 中所 占比例 较小 ， 的承 载力 还是 总
得 到 了广 泛地 应用 。 Ｆ ３ 是 快 速 拉 格 朗 日差 分 分 析 （ ａ ｔＬ — Ｉ ＡＣ Ｄ Ｆ ｓ ａ
ｇ ａ ｇａ ａｙ ｉ ｏ ｏ ｔ ｕ Ｄｉ ｎ ｉｎ ） 简 ｒｎ ｉ Ａｎ ｌｓ ｆ ｎ ｉ ａｉ ３ ｍｅ ｓ ｓ 的 ｎ ｓ Ｃ ｎ ｎ ｏ
收 稿 日期 ：０ １１一７ 修 改 日期 ：０ １１ —７ ２ １ ．Ｏ１ ； ２ １—０２
混 凝 土 ， 重 ２５ ０ｋ ｍ。 泊 松 比 ０ ２ 弹 性 模 量 容 ０ Ｎ／ ， ．， ３ ０ ａ ００ ０ＭＰ 。计 算 的 本 构 模 型 ： 于桩 周 土 首 先 破 由
作者简介 ： 吴春萍（ ９３ ）女 ， １ ６ － ， 安徽合肥人， 合肥工业大学教授级高工 ７８ 《 ９ 工程与建设》 ２ １ 年第 ２ 卷第 ６ ０１ ５ 期
群桩 对群桩 承 载力 的确定 尚需要 进一 步探 讨 。
土 质为粘 性 土 ， 该桩 型属 于非挤 土桩 。
１ １ 单桩模 型的建 立及 参数 校准 ．
首先 ， 建立桩周 土， 寸参 见表 １ 具体 尺寸为 尺 ，
１ ． ０ ２ｍ×１ ． ２ｒ ， ０ ２ｍＸ ３ 对土体 进行 开挖 ， ｎ 以模拟 桩
２ 群桩承载力的影 响因素
２ １ 桩距 的 影响 ．
首先 来 研 究 ２ ３ ４ ５号 模 型 。桩 长 Ｌ 均 为 、、、 ２ 桩 数均 为 ４ 桩径 ｄ均 为 ６ ０ｍｍ， ０ｍ， ， ０ 桩距 Ｓ分 别 为 １８ｍ、． ３０ｍ、． ｎ的 Ｑ— Ｓ ． ２４ｍ、． ３６Ｉ 曲线 见 图
Ｏ 引
言
１ 模 型 的建 立
取某 工厂工 业厂 房 的 ２ ７ 桩 为例 ， 设计 采 用 ０３ 原
的是桩长 ２ 直径 ６ ０ｍｍ 的 长螺旋 钻孔 灌 注 桩 ， ０Ｉ ｎ， ０
随着 我 国经 济 的发 展 ， 筑 行 业 得 到 空 前 的 发 建
展 。桩基础 凭借 着其 承 载 力 高 、 力 合理 、 全 可 靠 受 安 的优 点 ， 基础 工 程 中得 到 了广泛 地 应 用 。鉴 于 此 ， 在 对桩 基础 承载力 的研 究显 得 尤 为 必要 。对单 桩 承 载 力 的确定 已经 有相对 成熟 的方法 ， 但是 在 高层建 筑基 础设 计 中经常会 用 到群桩 ， 由于桩土 的相互 作用使 得
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笔 ３ （ ）
４ ０
５ ０
况下 ， 浅层土体伴 随桩体的下沉也产生一定 的沉降 ，
导致 桩体上 部 的侧摩 阻力 降低 ， 而在 随着土 层 的加 深 这种 影响越 来越 弱 ， 以 ， 体下 部 的侧 摩 阻力 所 占 所 桩
６ ６ ａ ９号桩 的桩 顶荷 载从 １ ５ＭＰ ． ５ＭＰ ， ． ａ开始 加 载 ，
ｍ
如
如
加
以后 逐次 增加 ０ ７ＭＰ ， 载 至 １ ａ然后 绘制 相 ． ａ加 ２ＭＰ ，
应地 Ｑ—ｓ 曲线 。
的沉降量进行监控 ， 根据相应 的荷载及沉降数据绘出
Ｑ～ｓ 曲线 。