高承台群桩群桩的群桩效应

高承台群桩群桩的群桩效应

1影响群桩效应的因素在多根桩的柱子下，独立桩基、桩屑和桩箱的基础上，由于桩群一、承土形成的相互作用，群桩效应不同，即群桩的承载量小于各单项桩的总和，即群桩的效率值（承载量群桩效应系数）大于或小于1。任何设计首先必须满足承载力要求。桩基承载力既是控制安全的基本因素,也是控制变形性态和变形量的基本条件。某些地质条件下承载力取值得当,变形随之满足要求;若承载力取值过低将导致布桩过密,或承台增大等负面效果。群桩承载力是侧阻力、端阻力、承台土抗力的总和,而各分项抗力的群桩效应机理和制约因素是不完全相同的。土层性质、桩群的几何参数、成桩方法等都是主要影响因素。本文以不同土层中进行的埋设有测试元件的原型、模型群桩试验结果为依据分析群桩效应,其试验桩径d=100mm～330mm,桩长L=8d～40d,桩距Sa=2d～6d,桩数n=2～36根,多数为3×3,4×4群桩;此外,还引用了有关作者的试验成果。在研究群桩效应基础上,对群桩基础的概念设计的几个问题进行了讨论。2桩侧阻力的群桩效应2.1不同桩距下的沉降关系图1为粉土(粘粒含量ρc<10)中不同桩距高承台群桩平均侧阻与沉降关系。图中表明,常规桩距条件下出现侧阻的沉降硬化现象。6d大桩距的qs-S则与单桩类似,不再存在增强效应。对于非密实状态的摩擦性土(内摩擦角Φ值较大)中的群桩都存在这种侧阻力的增强效应。2.2承台土反力对侧阻力的影响图2所示不同桩长的低承台群桩平均侧阻与沉降关系表明,L=13d,18d,23d,其qs都显示沉降硬化,但对于桩长过短(L=8d<承台宽度BC=9d)的桩群,由承台土反力形成的应力场引起侧阻力出现松弛(如图3),导致侧阻出现“沉降软化”效应,qS比相应单桩(L=8d)小很多。2.3联合桩相互作用对侧阻滞的削弱效应图4为软土中不同桩距平均侧阻力与沉降关系。从中可看出,软土中群桩侧阻力的发挥值随桩距减小而降低,且发挥极限值所需沉降明显大于单桩。3大桩距和接触对桩端阻力的影响图5所示为软土中不同桩距(Sa/d)低承台群桩平均端阻与沉降关系。从中看出,单桩的极限端阻qpu接近200kPa,而桩距3d和4d群桩的qpu为单桩的3倍以上,大桩距(6d)约为单桩的2倍。这种极限端阻随桩距的变化规律,可以用桩端土侧向变形受相邻桩相互逆向变形约束而使端阻力出现增强来解释(如图6)。这种桩与桩相互作用导致群桩端阻增强的现象,在持力层为粉土、砂砾层时也同样存在。4土抗力群桩效应系数承台底土抗力的发挥受承台底一定深度范围地基土承载力、桩距、桩长与承台宽度之比、成桩工艺等诸多因素的影响。图7为不同土质中模型与原型试验的测试值与桩距的关系,以及与经验计算值的比较。图7表示不同土层中相对刚性承台内区土抗力随距径比Sa/d增加而呈近似双曲线型增大,外区土抗力随距径比近似线性增大。根据大量试验和工程实测值将群桩极限荷载下承台土抗力群桩效应系数拟合为如下经验关系:平均土抗力特征值式中,Sa/d为桩距径比;Bc/L为承台宽度与桩长比;、ηc为承台内区、外区和全区土抗力群桩效应系数;;ηc=σcu/(2fak)=σck/(2fak);、Ac为承台内、外区及全区净面积,fak为承台底地基土承载力特征值。图7表明,计算与实测是接近的。对于大面积桩筏、桩箱基础,承台外缘土抗力因基础刚度相对降低而降低,故其承台平均土抗力按内区土抗力系数式(1)取值,。对于承载力特征值下的承台土抗力群桩效应系数将小于按式(1)～(3)计算的承台极限土抗力系数,但基于以极限承载力的1/2作为特征值的总体设计概念,按式(4)确定承台土抗力特征值是合理可行的。5群桩效应或承载力群桩侧阻、端阻和承台土抗力的群桩效应均随土性、几何参数、成桩工艺等而变,通常将其综合为群桩承载力与各单桩承载力之和的比,即群桩效应或承载力群桩效应系数。现列举不同土性中群桩原型或模型试验结果如下。5.1承台分担荷载图8为软土钻孔群桩试验的荷载-沉降关系,按S=25mm确定的群桩极限承载力如表1。由表可见,软土中桩距(3～4)d钻孔群桩的效应η接近或略大于1,高低承台差别不大,说明承台分担荷载很小;其次对于荷载偏心不大的群桩:其η值和沉降与中心荷载接近。对于6d的群桩,其η值比常规桩距高35%～50%。这说明对于软土地基,只有在桩距不小于6d条件下才有考虑承台分担荷载的实际意义。5.2不同桩距的群桩效应图9为粉土中d=250mm桩距3d桩长18d钻孔群桩效应与桩数关系。其群桩极限承载力按沉降量30mm确定。从中看出,η随桩数增加而有所减小,这主要是沉降随桩数增多而增大所致。方形排列高于矩形排列。表2所示桩侧为粉质粘土(fk=160kPa),桩端为砂砾层(厚0.65m)及粉土层中,d=150mm,L=1.65m,承台尺寸相同(2.55m×2.55m)不同桩距模型试验的群桩效应η,其中分常规钻孔桩和桩端后注浆两类。表2表明,η随桩距增大迅速提高,说明在桩间土承载力较高,桩距较大条件下承台荷载分担比较高。对于桩端后注浆由于单桩承载力显著增大,且承台土反力因桩土整体性增强而降低,η值相应减小。此外,桩持力层为粉土的η低于砂砾层,这是由于其端阻的群桩增强效应相对于砂砾低所致。5.3桩距关系分析图10为Vesic(1969)给出的粗粒土中打入式群桩效应与桩距关系。从中看出,由于挤土效应和桩土相互作用的增强效应,侧阻效应高达1.75～3.2。而端阻效应则由于挤土上涌而降至1左右,总群桩效率为1.2～1.75,峰值出现于常规桩距3d～4d。6关于堆栈结构的概念设计一些问题群桩基础的概念设计应根据土层分布与性质、建筑物结构特征与荷载等条件,科学运用群桩效应特性,优化设计。6.1侧粗粒土层厚度在非粘性土尤其是砂、砾层中群桩,由于侧阻和端阻存在明显的增强效应,其群桩总效应(含承台土抗力)可达1.1～1.4,设计时宜根据桩端土的性质及桩侧粗粒土层厚度适当取值。(1)对于独立柱基,利用在常用桩距(3d～4d)条件下的增强效应,可使群桩效应提高,既减少桩数又缩小承台尺寸。(2)对于桩筏、桩箱基础,可将桩相对集中布置于柱、墙、核心筒下,既利用群桩的增强效应减少桩数,又可优化承台受力状态。(3)对于荷载大的高层建筑,当粗粒土层埋深不大且无软弱下卧层时,可采用中小桩径,以粗粒土为桩端持力层,充分发挥侧阻和端阻的增强效应形成等代墩基,使其承载力大大超过各单桩承载力之和。6.2湿陷性群桩设计(1)在非饱和填土、松散粗粒土中,可采用小桩距的挤土桩,利用其挤土效应消除填土的湿陷性,提高群桩承载力,其群桩效应,对于前者可取1,后者可取1.1～1.2。(2)应避免粘性土、软土中挤土桩的负面效应。首先是在这类土中不宜采用桩距在4d以下的挤土群桩,若需采用,应采取预钻孔、消减超孔压等有效措施。其群桩效应可取1。6.3桩数对群桩效应的影响(1)不宜在上硬下软地基中采用短桩图11所示为Голубков(1939)采用相同面积的承台(3.22m×3.22m)分别布置4,5,9,16根桩的群桩试验,场地土层上层为10m厚粉细砂,下为6～7m厚淤泥及粘土。由图看出,相同荷载下不同桩数群桩的沉降相差不大,即群桩效应随桩数增加迅速减小。由此看来,在软弱下卧层较厚的条件下,对于高重建筑物,应加大桩长穿过软层将桩端置于相对较好的持力层,既提高桩的承载力和群桩效应,又有效控制沉降。此时的群桩效应,在桩侧、桩端为粘性土情况下,取1。(2)合理确定成层地基中的桩长相对软硬层交互出现(如砂砾层与一般粘性土交互出现)的高层建筑场地,宜根据荷载分布选择桩长和持力层,对荷载相对集中、相互影响效应强的区域如框剪结构核心筒,宜加大桩长、增强刚度,以达到减小差异沉降的效果,即实施考虑上部结构-承台-桩-土共同作用的变刚调平设计。6.4确定桩数和压强度对于基底土层相对较好、无湿陷、液化、欠固结者,以下情况可考虑承台分担荷载效应。(1)以减沉为目的的桩基。当天然地基承载力满足要求,但沉降过大,按常规不考虑承台分担荷载设计,所需桩数偏多。此时可考虑承台分担部分荷载确定桩数:其中,P为荷载标准组合值;Ra为单桩承载力特征值;σck为承台土抗力平均值,按式(4)确定;Ac为承台净面积。(2)减沉疏桩按塑性设计。软土地区多层建筑地基承载力满足要求,为减小沉降设置疏桩,桩承载力设计取值可取接近于极限值Qu(建议取0.8Qu),此时承台分担荷载水平相应提高,所需桩数根据P≤0.8nQu+σcAc确定:其中,σc=1.6ηc·fak;ηc按式(3)确定。对于刚度较小的筏式承台,取。桩身受压强度应取桩顶荷载为Qu进行验算。(3)对于沉降和差异沉降无特殊要求的建筑,如:不带裙房的高层剪力墙结构、单层厂房、框筒和框剪结构的核心区外围部分、需设置桩的裙房等,均可根据地层土质特点,在设计中考虑承台的分担荷载效应。7土壤条件对群桩效应的影响(1)桩侧阻力的群桩效应特征主要表现为:对于非密实状态的非粘性土中的非挤土桩和挤土桩,其群桩侧阻在常用桩距(3d～4d)条件下,存在明显的增强效应;对于粘性土和软土则存在削弱效应。(2)桩端阻力的群桩效应特征主要表现为:对于各类土中的非挤