桥梁群桩基础沉降特性与计算方法

桥梁群桩基础沉降特性与计算方法

任丽芳穆兰杜玉林

（石家庄铁路职业技术学院河北石家庄 050041）

摘要：由于群桩基础受多方面的影响和作用，使其受力状态非常复杂，目前它仍是岩土工程领域的研究热点。简要阐述群桩基础的沉降特性，然后对群桩基础常用的沉降计算方法进行详细论述，并对各种方法进行相应的评价。

关键字：桥梁群桩基础沉降特性沉降计算

中图分类号：Ｕ４４５．５５文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－１８１６（２００６）０４－０００７－０５　

1 引言

近年来，随着现代土木工程朝着超高、超重、超大的方向发展，对地基基础的要求也更加严格。由于桩基础与其他实体基础相比具有很多的优点，在软土地基上应用非常广泛，并且经常采用大规模的群桩基础。而现实中的桩群由于桩间距受结构构造的限制不能过大，从而产生了群桩效应。群桩效应是指对于大规模群桩基础由于荷载大桩数多，沉降问题较单桩要突出，甚至要比单桩多几倍甚至几十倍。因此，在工程设计中控制沉降就成为群桩基础设计的关键问题。

2 群桩基础沉降特性

群桩基础由于其独特的构造形式，在荷载传递和变形发展过程中表现出如下特性：

（1）群桩基础中由于桩间土的附加应力叠加，产生了群桩效应。这种群桩效应不但使得基桩沉降量增大，而且改变了桩和土的受力状态，使得上部荷载很大一部分由桩的侧摩阻力来平衡。

（2）群桩基础荷载传递和变形发展过程中，桩侧摩阻力由桩端逐渐向上发挥，并在桩端处发生应力集中，使得沉降主要发生在桩端附近的地基土里。

（3）群桩基础中由于承台及承台底土的相互作用，使得桩间土压缩可承担一部分荷载。

影响群桩基础沉降的因素众多，一般来说，可能包括土的性质、群桩几何尺寸（如桩距、桩长、桩数、桩基宽度与桩长的比值等）、施工工艺、荷载大小、荷载的持续时间、上部结构刚度以及承台的设置方式等。

（4）由于承台—群桩—土之间复杂的相互作用，使得群桩支撑体系有着复杂的变形和受力状态，尤其是考虑到接触面的存在，要计算承台与桩间土以及桩与土的接触应力和不协调变形，因此对计算方法的要求很高。

由于群桩基础受多方面的影响和作用，使其受力状态非常复杂。因此，要寻找某一种方法把这

收稿日期：２００６－０９－２１　

作者简介：任丽芳（１９７７－），女，汉，河南省洛阳人，硕士，研究方向地质工程。　

石家庄铁路职业技术学院学报 ２００６年第４期

些因素都考虑进去是很有难度的。目前尽管群桩基础沉降问题的研究方法和成果较多，但仍未能找到合理准确的桩基础沉降计算方法，它仍是岩土工程领域的研究热点。

3 群桩基础沉降计算方法

3.1 等代墩基法

3.1.1 基本原理

等代墩基法也称为实体深基础法，其基本思想是将承台下的群桩和桩长范围内的桩间土体看作是一个等效墩基的实体深基础。在这个等代墩基础范围内，桩间土体不发生相对位移，桩间土不产 生压缩变形，如同实体基础一样，用计算浅基础沉降的分层总合法计算群桩基础的沉降。

3.1.2 计算方法

（1）墩基底面积计算

考虑桩基侧向摩阻力的扩散作用，按θ/4角度向下扩散，与扩散墩基底平面相交的平面作为扩展墩基的底面积。

对于矩形承台桩基础，扩展墩基的底面积为：

F =A ×B =(a +2L t g θ/4)(b +2L t g θ/4) （1）

其中：A 、B 分别为假想扩展墩基的底面的长度和宽度（m ）；a 、b 分别为群桩桩顶外围矩形面积长度和宽度（m ）；L 为承台底面至扩展墩基底面的距离（m ）；θ为群桩侧面土层内摩擦角的加权平均值。

（2）竖向附加应力计算

采用弹性理论的Boussinesq 解来计算，从假想扩展墩基底平面算起。

cz F

G P σσ−+=0 （2） 式中：P 为作用在承台中心的竖向荷载；G 为扩展墩基自重；F 为扩展墩基面积；

cz σ为假想扩展墩基底面处的土的自重应力。

（3）桩基沉降量计算

采用分层总和法计算，可采用压缩模量计算，也可采用土工试验得出的压缩曲线计算。

采用压缩模量计算沉降公式为：

i n

i si zi s h E m s ∑==1σ （3）

式中：n 为基础宽度内，假想扩展墩基地面至计算土层的土的分层数；E si 为第i 层土的压缩模量（kPa ）；h i 为第i 层土的厚度（m ）；σzi 为第i 层土中的平均竖向附加应力（kPa ）；m s 为沉降修正系数，取m s =1.3。

采用压缩曲线计算沉降公式为：

i n

i i

i i s h e e e m s ∑

=+−=11211 （4） 式中：为第i 层土在自重应力下土的孔隙比，从压缩曲线上读取；e 2i 为第i 层土在自重应力加竖向附加应力下土的孔隙比，从压缩曲线上读取，其余符号意义向上。

3.1.3 方法评价

第4期 任丽芳，等 桥梁群桩基础沉降特性与计算方法

等代墩基法实质上是一种基于工程经验的方法，由于它认为桩与土之间不发生相对错动，且不考虑桩间土的压缩变形，因此不能准确反映桩与桩和桩与土之间的相互作用，也就不能全面准确反映群桩基础的工作性状，因此只能作为工程设计的一种简化计算方法。由于将上部荷载直接作用在桩端处地基土上来计算沉降，从目前的计算经验来看，采用等代墩基法的计算结果比实测结果偏大。

3.2 弹性理论法

3.2.1 基本原理

弹性理论法假定弹性地基中有两根刚度和长度完全相同的桩，作用着相等的竖向荷载，对于桩群中的每一根桩，基于弹性半空间中竖向荷载作用下的Mindlin 解答计算桩侧土体位移，写出一根桩的位移方程式，然后根据桩土位移协调的假定，建立静力平衡方程，求得桩体位移。然后求得两根桩的沉降以后，就可利用相互影响系数来表示两根桩沉降的相互影响，然后应用弹性理论的应力叠加原理，把弹性介质中二根桩的分析结果扩展到一组桩群中去。

3.2.2 计算方法

对于桩i 和桩j 组成的桩群，相互作用系数αij ： ii ij

ij i δδα= （5）

式中：ij δ为由i 桩上单位荷载对j 根桩所引起的沉降；

ii δ为由i 桩上单位荷载对自身所引起的沉降；

ij α是桩的长径比、距径比、桩土模量比、土层厚度比有关的系数。

对于n 根几何尺寸相同的群桩，桩k 的沉降S k 可利用叠加法表示为：

i n

i ki k p s s ∑==11α （6）

式中：s 1是单位荷载下孤立单桩的沉降，p i 是桩i 的荷载，αki 是相应于桩i 与桩k 之间的相互作用系数，其中αkk =1。

因此，对于所有桩的沉降可用矩阵表示如下：

{}[]{}p s s α1= （7）

3.2.3 方法评价

弹性理论法的突出特点是对桩距大、布桩不规则、桩长不一的群桩，可根据实际几何特征计算沉降。但是，该计算方法是以土体均质和各向同性为前提的，对于土性差别较大的多层土这种方法就不能很好的适用了。另外，弹性理论法没有考虑桩间土也承担着一定的荷载，并会发生压缩变形。因此，基于弹性理论的解析解法有很多不符合实际的假设，计算结果和实际情况相差较大，需要进一步改进。

3.3 等效作用法

3.3.1 基本原理

此法将均质土中群桩沉降的Mindlin 解与均布荷载下矩形基础沉降的Boussinesq 解之比值用以修正等代墩基的基底竖向附加应力，然后按一般分层总和法计算群桩沉降。

3.3.2 计算方法

（1）竖向附加应力计算

从桩端平面算起，忽略桩基自重所产生的附加应力，桩端底面的竖向附加应力采用Boussinesq