软弱成层土中深长群桩基础承载力分析及数值建模研究

软弱成层土中深长群桩基础承载力分析及数值建模研究

随着国民经济基础的不断提升与发展，社会配套的基础建设与提升建设项目在全国各地铺展，社会各个层面的发展也呈现日新月异之态，尤其是长三角地区的建设速度更是引领全国。近年来，各类高、大、难性质的建筑物在城市核心区域生根发芽，大规模的建设活动也时常被提及报导。对于一些大型的建筑物建设前期需要针对所处区块内的地基进行承载力核算，对于较好的土层来说，可以通过自身的原有土体强度与承载力保证上部建筑物足够的稳定性，但是对于长三角地区，广泛分布着软弱土层，尤其是在沿海沿江一带，软弱土分布的在平面范围与深度范围上更加广泛，这些软弱土地层自身不能提供足够的承载力保证建筑物前期的建设施工与后期的正常运营使用。当上部建筑结构较高或者自重较重时，下部承载地基会在竖向荷载作用下发生变形，严重时发生超限变形或者不均匀超限变形，导致建筑结构发生倾斜、开裂，严重时会使得建筑物发生倒塌的事故。所以就需要对软弱地基进行预先处理，现有地基处理的方式主要分为预压加固与沉桩加固，采用较多的方式为沉桩加固的方式，这种处理方法施工进度快，处理效果好，承载力提升有保障。

所以近年来，越来越多的工程采用桩基处理的方式进行，对于不同项目的不同工况，采用的桩基处理方式也各不相同，由于在同一区块内的不同点位处的地质条件也会发生变化或者是突变，所以如果单纯地将地质情况进行笼统划分会导致承载力计算与后期桩基设计的偏差。另外对于超软弱土地区，在局部位置需要增设多个桩体形成群桩以增强对此区域地层的加固效果。群桩效应是由于单根桩之间的施打距离小于某个数值时，桩体沉入土体时引起的土体应力会产生叠加与融合，这样的效应就称为群桩效应，如图1。但群桩的作用机理与效果并不是单桩作用效果的简单组合叠加，其承载力也不是若干根单桩承载力累加之和。所以如果在设计或者施工阶段不考虑群桩效应，会导致设计偏差，严重时会引起承载力计算不足而导致建筑物整体发生沉降甚至倾斜倒塌，干扰人们的正常活动，带来不良的社会影响。

图1 群桩效应示意图

所以本文围绕软弱成层土中桩基施工的典型工况，从理论角度深入分析单桩的工作机理与群桩的工作机理，明晰单桩与群桩相互之间的差异点与特征点，将桩体的性状特征与荷载传递方式进行探讨与解析，并通过三维有限元软件建立土体与群桩相互作用的数值模型，成功构件联动变形模型，为后续动态分析成层土中群桩的内力变化规律与变形规律奠定良好的模型基础。

单桩、群桩基本机理

有关桩基础的基本概念

桩体主要是通过打入一定深度的土体，获得足够的竖向承载力以支撑上部建筑结构荷载。传统意义上的桩基础可分为地上部分和地下部分，地上部分为承台，主要作用是连接桩体与主题结构；地下部分为桩体，直接与土体相互作用产生支撑力，桩体可分为单桩桩体与多桩桩体，单个承台可包含单个主桩体或者多根桩体，由上部结构荷载分布与现场客观环境因素决定。当多根桩体相相互靠近时会在荷载作用形式上互相影响与耦合。桩体与土体相互作用力在土体中的立体分为呈现“倒锥形”，上部小，越往深层土体作用力越大，力的作用范围也越大。相邻两根桩体之间的净距小于6倍桩径时，就会产生群桩效应，各个桩体与土体之间的作用力会在一定深度土层叠合，形成群桩的联合作用力。

有关桩基础的分类

现在应用较为广泛的桩基主要可以分为摩擦桩、端承桩以及介于两者之间的摩擦端承桩与端承摩擦桩。摩擦桩主要是依靠桩体侧壁与土体之间挤压摩擦产生的侧摩阻力来提供上部建筑的承载力；端承桩主要是利用桩端与土体持力层的相互作用力，现有常用的桩基还是以端承桩为主，因为端承桩在单位桩体数量所提供的有效承载力要明显大于摩擦桩，所以在经济性与适应性角度，端承桩要优于摩擦桩。另外端承摩擦桩与摩擦端承桩的区别主要是根据桩体在实际工作中占据主导的是桩侧摩阻力还是桩端承载力，如果是桩侧摩阻力占主导，则为摩擦端承桩，若是桩端承载力占据主导则为端承摩擦桩。

桩体与土体相互作用基本机理

桩基与土体之间的作用力荷载传递，主要是通过桩侧摩阻力与桩端承载力的动态变化与发挥进行体现。其整体的作用变化进程如下：当结构上部荷载通过承台传递至桩顶，当主桩体受到外部荷载作用时，桩体与土体的交界面会由于桩侧边的受荷压缩变形以及土颗粒受荷运移而产生相对变形与位移，又由于一定深度处的土体的侧向土压力作用于桩身上，会在交界位置产生摩阻力，桩身表面越粗糙，摩阻力就越大，正是由于摩阻力限制了桩体受荷向下运行的趋势。随着荷载不断向下传递，延伸至桩端，由于桩端与持力层的嵌固作用，直接限制了桩体的竖向位移，提供竖直向上的桩端承载力。

在实际工程中多个桩体联合运用的工况中，主要以摩擦桩为主。对于以摩擦桩为主的群桩的作用机理就较为复杂，桩身的材料，桩身的表面形式，土体颗粒组成与级配，甚至是承台的形式与刚度都有关系。一般来说摩擦桩群桩在实际作用过程中会比同数量的单根摩擦性桩的承载力总和要小。主要由于摩擦桩提供承载力的方式是以桩体与土体相互接触界面产生相对位移时的摩阻力为主。当群桩在受到上部荷载作用时，发生相对位移，但由于若干根桩体形成的相对密闭的空间，使得群桩内部的土体位移相较于桩外侧土体位移并不明显，所以内侧桩身与土体产生的侧摩阻力较小，并不能充分发挥群桩基础中各个桩体的侧摩阻力。如果群桩基础内部空间狭小，内外土体阻隔效应更加明显，群桩基础的使用就会在一定程度上限制单个桩体的整体性能发挥。如果群桩内部间距控制不恰当的话，会在很大程度上影响上部结构的使用情况甚至建筑结构的整体安全。所以对于使用群桩区域的设计与施工就要尤为重视与谨慎。

深长群桩数值建模

由于群桩在土体中的受力以及变形规律复杂，此部分就基于三维有限元模拟软件midas gen通过软弱成层土中深长群桩的模型建立，为后续的受力协调分析做铺垫。以下就建模过程中的关键节点进行详细阐述，对于一般建模过程就不再赘述。

桩土结合界面的模型选取

由于模型建立对象为摩擦型桩体，主要以桩身与土体之间的摩擦作为支撑力，所以如果模拟桩身与土体相互接触的效应就成为关键节点。在midas gen操作系统上，按照“边界→支撑→弹性支撑”命令定义桩周边界，利用土弹簧的形式模拟桩体周围土体的作用效果，程序会自动拾取土体对象，并计算对应的土体刚度值（这部分的自动计算是根据前期分层录入的土体各项参数）。首先要分割不同土层界面，根据地勘报告进行划分，同时根据地层的不同划分桩体的分段界限。如图2。

图2 单元界面分割

第二步是通过定义不同土层性质来判定桩体分割界面，同时在“桩弹性支承”操作界面将桩周的土弹簧进行界面定义。如图3所示。

图3 土弹簧界面定义

以上是建模过程中的关键节点，建立上述模拟模型将为后续的内力变形分析提供良好开端。

结论

本文围绕软弱成层土中桩基施工的典型工况，从理论角度深入分析单桩的工作机理与群桩的工作机理，明晰单桩与群桩相互之间的差异点与特征点，将桩体的性状特征与荷载传递方式进行探讨与解析，并通过三维有限元软件建立土体与群桩相互作用的数值模型，成功构件联动变形模型，为后续动态分析成层土中群桩的内力变化规律与变形规律奠定良好的模型基础。

参考文献

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