群樁基礎(chǔ)

劉選民 顧彥峰

群樁基礎(chǔ)受豎向荷載后，承臺(tái)、樁群、土形成一個(gè)相互作用，共同工作的體系，其變形和承載力，受相互作用的影響和制約，因此，它的荷載傳遞模式比單樁復(fù)雜得多，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1 荷載傳遞模式不統(tǒng)一

高層建筑樁基通常為低承臺(tái)式，承臺(tái)在地基土上澆筑，因此在建造初期，荷載經(jīng)由樁體和承臺(tái)底面兩條路徑傳給地基土;在長(zhǎng)期荷載下的傳遞路徑則與多種因素有關(guān)，諸如樁周土的壓縮性，持力層的剛度，應(yīng)力歷史以及荷載水平等，或者保持原來的傳遞路徑，或者可僅由樁傳遞。當(dāng)樁頂(承臺(tái))下沉量小于承臺(tái)底面土的下沉量(例如由于打樁的超孔隙水壓力消散土體固結(jié)，樁周為欠固結(jié)土地下水位下降、自重濕陷性黃土浸水下沉等)時(shí)，土與承臺(tái)脫開，荷載將全部由樁傳給地基土;如果提高設(shè)計(jì)荷載，迫使樁產(chǎn)生足夠的刺入變形，即使樁周土比較軟弱，仍可使承臺(tái)底面保持與土接觸并傳遞荷載。但是，對(duì)于端承樁基礎(chǔ)來說，由于持力層剛硬，樁不可能發(fā)生刺入變形，樁頂沉降僅為樁身與持力層的彈性壓縮，其數(shù)值遠(yuǎn)小于樁間土得以發(fā)揮承載作用所需的壓縮量，故地基不能與承臺(tái)保持緊密接觸，荷載將全部通過樁傳遞。同時(shí)，由于持力層實(shí)際上不可壓縮(微小的彈性壓縮也是“瞬時(shí)”完成的)，即不存在沉降問題，這意味著端承樁之間的相互影響已失去意義，因此，端承樁群中各樁的荷載傳遞和工作性狀基本上與單樁相同，群樁的承載力由單樁承載力疊加，而沉降則等同于單樁。所以，以下關(guān)于群樁效應(yīng)的討論單指非端承樁。

2 地基土的應(yīng)力狀態(tài)

群樁基礎(chǔ)的地基包括樁間土樁群外一定范圍內(nèi)的土體及樁端以下對(duì)樁基承載力和變形有影響的土體。群樁地基中的應(yīng)力包含三部分:自重應(yīng)力，附加應(yīng)力和施工應(yīng)力。

施工應(yīng)力指擠土樁沉樁過程引起的擠壓應(yīng)力和超靜水孔壓，擠壓應(yīng)力將隨著土體的松弛而消失，孔隙水壓力會(huì)隨著固結(jié)過程而消散。施工應(yīng)力是暫時(shí)的，但它對(duì)群樁的工作性狀都有一定的影響;孔壓的消散使有效應(yīng)力增大，從而使樁的承載力增大，但樁間土固結(jié)下沉又使承臺(tái)底面脫空，并對(duì)樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力。

附加應(yīng)力來自承臺(tái)底面接觸壓力和樁側(cè)摩阻力以及樁底壓力，在常規(guī)樁距(3d～4d)下，應(yīng)力互相疊加，從而使樁周土和樁底土中的應(yīng)力都大大超過單樁，其影響深度和壓縮層厚度均成倍乃至十幾倍地增加，從而使群樁承載力降低，沉降加劇。

群樁的地基應(yīng)力有以下特點(diǎn):

1)群樁樁端平面的應(yīng)力可分為兩部分;樁間區(qū)域的應(yīng)力系由樁側(cè)摩阻力的影響疊加而來，在樁長(zhǎng)、樁距不變的條件下，其值隨樁數(shù)增加而增大;樁底應(yīng)力應(yīng)在上述樁間應(yīng)力上再疊加一項(xiàng)單樁的樁底應(yīng)力。2)群樁的影響深度大，超過單樁，樁群的平面尺寸越大，影響深度亦越大，而且應(yīng)力隨著深度而收斂得越慢。3)樁間土的應(yīng)力情況比較復(fù)雜。單樁的周圍有輕微的附加拉應(yīng)力;樁數(shù)不很多的樁群在樁間土的上部和中部仍存在一些附加拉應(yīng)力，但比土自重應(yīng)力小得多，故實(shí)際上不會(huì)造成土體的拉應(yīng)力狀態(tài)，大群樁的樁間土中則不再出現(xiàn)拉應(yīng)力。4)樁群的影響寬度亦大大超過單樁，而且樁數(shù)越多，擴(kuò)散角 β也越大，即影響寬度也越大。5)樁群的影響深度隨樁數(shù)增加而增加。

樁身摩阻力與樁端阻力的分配:由于應(yīng)力迭加的影響，群樁樁端平面的豎向應(yīng)力比單樁的要增加很多，故群樁中每根樁的單樁端阻力也較單樁增大。此外，由于摩阻力的削弱，使得群樁中端阻力占樁頂總荷載的比例亦高于單樁，樁越短，這種情況越顯著。

3 群樁豎向承載力計(jì)算

群樁的豎向承載力實(shí)際上包含了兩種意義。首先，是指將群樁和一定范圍內(nèi)的土體看作整體時(shí)所能承受的豎向總荷載;當(dāng)樁下存在軟弱下臥層時(shí)應(yīng)校核其強(qiáng)度;群樁中各樁均應(yīng)正常工作，即對(duì)單樁承載力進(jìn)行校核。其次，是指其所產(chǎn)生的沉降量應(yīng)小于允許的沉降量。所以對(duì)于它的承載力計(jì)算有以下幾種方法:

1)單樁承載力的簡(jiǎn)單累加法:這是最簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，是將單樁承載力之和視為群樁的承載力，但僅適用于端承樁和符合如下條件的摩擦樁:

a.樁數(shù)n＜9;b.條形基礎(chǔ)下的樁不超過兩排。

從以上兩條件可看出，大多數(shù)高層摩擦樁基不能采用簡(jiǎn)單累加法。

2)群樁效率系數(shù)法(規(guī)范法):樁基或復(fù)合基樁的側(cè)阻力、端阻力、承臺(tái)土阻力各具特定的群樁效應(yīng)，故分別以側(cè)阻群樁效應(yīng)系數(shù)ηs，端阻群樁效應(yīng)系數(shù) ηp，承臺(tái)土阻力群樁效應(yīng)系數(shù) ηc表征;另外，同一種方法的樁基，其側(cè)阻、端阻、承臺(tái)土阻力又各自具有一定的變異性，故分別以側(cè)阻分項(xiàng)系數(shù)Rs，端阻分項(xiàng)系數(shù)Rp，承臺(tái)土阻力分項(xiàng)系數(shù)Rc表征，因此，其樁或復(fù)合基樁承載力設(shè)計(jì)值的統(tǒng)一表達(dá)式為:

規(guī)范根據(jù)樁型、樁數(shù)、土層和作用的變化，以及單樁承載力的確定方法的變化，分別給出了不同的計(jì)算式，詳見樁基規(guī)范5.2.2-1～5.2.2-4。

3)實(shí)體深基礎(chǔ)計(jì)算方法。這是將樁群連同周圍土體視為一個(gè)整體，作為一個(gè)實(shí)體深基礎(chǔ)來分析的方法，其計(jì)算模式有兩種，一種認(rèn)為實(shí)體深基礎(chǔ)的極限承載力 Qn由樁群周邊上的極限承載力組成，另一種考慮了ψ/4的護(hù)散角(ψ為樁間土層的內(nèi)摩擦角)，將樁端平面上擴(kuò)大了的面積上的極限承載力稱作 Qu。與這兩種模式對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式分別為:

其中，N為上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向荷載;P為樁承臺(tái)及其上覆土的重量(常年地下水位以下按有效重度);G為樁及樁間土的總重(常年地下水位以下取有效重度);K為安全系數(shù)，取2～3，視Tu和Pu的取值可靠而定;Tu為樁身穿過土平均單位不排水抗剪強(qiáng)度;Pu為樁端處土層的單位極限承載力;A，B分別為群樁外圍的長(zhǎng)度和寬度;A1，B1分別為考慮擴(kuò)散有 ψ/4后在樁端平面上的實(shí)體基礎(chǔ)底面尺度;L為自承臺(tái)起至樁端的長(zhǎng)度。

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