隔離樁對群樁負摩阻力的作用分析

王 寅 蔡 勇 吳朝峰

（1.國網(wǎng)溫州供電公司， 浙江 溫州 325000； 2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司， 浙江 杭州 310007；3.中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司， 浙江 杭州 310007）

0 引言

近年來,城市發(fā)展對空間的需求日益強烈，高層、超高層結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，建筑基礎(chǔ)也同樣向著深基礎(chǔ)方向發(fā)展。樁側(cè)摩阻力由樁土之間發(fā)生相對位移所引起，當樁周土體相對于樁身產(chǎn)生向下位移時，土體在樁側(cè)產(chǎn)生向下的負摩阻力。負摩阻力的出現(xiàn)導(dǎo)致樁基承載能力損失，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全隱患。相比淺基礎(chǔ)，深基礎(chǔ)中的長樁和超長樁產(chǎn)生較大的負摩阻力，不能再被忽視。

為控制樁側(cè)負摩阻力對樁基可能造成的不良后果，在樁基外布設(shè)隔離樁是一種常用的處理方法。隔離樁之間存在土拱效應(yīng)，土體應(yīng)力傳遞通過被動拱時會被隔離削弱，并改變了樁后主動區(qū)應(yīng)力的分布形式，能有效地減小內(nèi)側(cè)樁基的負摩阻力[1]。在大堆載作用下，減少負摩阻力的影響，保證樁基承載力的發(fā)揮。相比其他處理方法，該方法具有工藝簡單、工期短、不會對環(huán)境造成污染的優(yōu)點。

當前對隔離樁的研究較少，翟杰群等[2]認為隔離樁樁長達到一定的長度，滿足剛度要求才能起到隔離保護作用。李建設(shè)等[3]針對隔離樁提出了一種較為實用的計算方法，同時認為合理的布置隔離樁能夠有效地避免工程質(zhì)量問題，并建議不宜采用沉管振拔樁類型的隔離樁。目前國內(nèi)規(guī)范并沒有對隔離樁的設(shè)計進行規(guī)定，有關(guān)的理論研究較少，隔離樁設(shè)計大多根據(jù)工程經(jīng)驗。

本文將對隔離樁的設(shè)置方法和應(yīng)用效果進行分析研究。隔離樁法中，有較多因素會對隔離樁的隔離能力產(chǎn)生影響，其中較主要的因素是隔離樁距群樁外部基樁的樁間距、隔離樁樁長。利用有限元軟件能很好地模擬樁和土之間的相互作用。本文基于大型有限元程序ABAQUS，分析了以上兩個因素對隔離樁保護效果的影響，為群樁的設(shè)計與施工提供參考。

1 數(shù)值模型

選用ABAQUS有限元軟件對模型的樁基和土體進行數(shù)值模擬分析，建立3×3群樁模型，設(shè)有隔離樁的樁體平面布置圖見圖1。群樁中單樁樁長為0=20m、截面外直徑 =0.5m，內(nèi)直徑 =0.3m，群樁樁間距為 =2.0m，承臺長×寬×高=5m×5m×0.5m根據(jù)已有資料，樁體與土體材料設(shè)置參數(shù)見表1和表2，模型地基采用兩種土體：樁周淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚20m，樁端以下為20m的含礫粉質(zhì)黏土，不考慮地下水影響。

圖1 設(shè)有隔離樁3×3群樁示意圖

表1 土層模型參數(shù)

表2 樁體模型參數(shù)

1.1 計算模型

采用ABAQUS三維模型建立有限元模型，模型如圖2所示，模型中土體長×寬×高=75m×75m×40m，土體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb模型，樁體選用彈性模型本構(gòu)關(guān)系[4]。

圖2 有限元模型圖

樁基與土體之間設(shè)置為面—面接觸，樁基設(shè)置為C3D8實體單元，土體設(shè)置為C3D8P實體單元[5][6]。在模型位移邊界條件設(shè)置時，對土體底面采用全約束，四周土體采用法向約束。

1.2 計算荷載

樁的計算荷載分為樁頂承受的等效荷載和結(jié)構(gòu)自重兩部分，其中土層上的堆載均布載荷為100kPa。

2 有限元分析

2.1 隔離樁對群樁的影響分析

為揭示群樁各基樁負摩阻力降低的程度，因此定義負摩阻力遮擋效應(yīng)系數(shù)[7]：

在上述有限元模型中分別對單樁所受到的下拉荷載和無隔離樁計算，其中隔離樁與群樁最外側(cè)樁間距為1L（2m），計算結(jié)果如表3。

表3 單樁和群樁中各樁體下拉荷載與負摩阻力遮擋效應(yīng)系數(shù)

對比上表數(shù)據(jù)可知，設(shè)置隔離樁時各樁受到的下拉荷載均遠小于無隔離樁條件，其中角樁下降程度最大達到了49.26%。無隔離樁時各樁平均受到779.38kN下拉荷載，有隔離樁時各樁平均受到407.17kN下拉荷載，說明隔離樁的設(shè)置對樁基具有顯著作用。過大的地表堆載會導(dǎo)致樁側(cè)負摩阻力的產(chǎn)生，隔離樁對其外側(cè)堆載起到一定的隔離作用，該模擬計算表明隔離樁是削弱樁基負摩阻力的一種有效的處理方法。

2.2 隔離樁樁長對群樁負摩阻力削弱的影響分析

為分析隔離樁樁長對群樁負摩阻力的削弱效果影響，隔離樁樁長分別設(shè)置為0倍群樁樁長（無隔離樁）、0.5倍群樁長（10m）、0.75倍群樁長（15m）、1.0倍群樁樁長（20m）、1.25倍群樁樁長（25m）、1.5倍群樁樁長（30m）。提取各模型樁身下拉荷載計算結(jié)果見表4。

由表4可知隨著隔離樁樁長的增加，群樁中的角樁、邊樁、中間樁的下拉荷載都有不同程度的下降，說明隔離樁樁長對群樁負摩阻力有明顯的影響。隔離樁樁長小于1倍樁基長度時，各樁受到的下拉荷載有不同程度下降，但是下降程度較小；隔離樁樁長在1倍到1.25倍樁基長度范圍內(nèi)時，樁受到的下拉荷載出現(xiàn)大幅度的下降。

表4 樁體下拉荷載與負摩阻力遮擋效應(yīng)系數(shù)

圖3為隔離樁長不斷增大時，各樁負摩阻力遮擋效應(yīng)系數(shù)變化曲線。結(jié)合圖1遮擋效應(yīng)系數(shù)的曲線分析，隔離樁樁長從0變化到1倍樁基長度的過程中，各樁負摩阻力遮擋效應(yīng)系數(shù)變化不大，說明在這個范圍內(nèi)不同隔離樁長度對群樁的保護能力相差不大。當隔離樁樁長大于1倍樁基長度時，各樁負摩阻力遮擋效應(yīng)系數(shù)出現(xiàn)明顯的增長，說明在這個范圍內(nèi)增大隔離樁長度能夠形成隔離帷幕，起到隔離堆載，減小樁側(cè)負摩阻力的作用。在設(shè)計與施工中應(yīng)盡量使隔離樁長度略長于群樁樁基長度，這樣可以在有較好經(jīng)濟效益的同時，保證隔離樁對群樁負摩阻力控制效應(yīng)的發(fā)揮。

圖3 不同隔離樁長下樁基的遮擋效應(yīng)系數(shù)

2.3 隔離樁與群樁最外側(cè)樁間距對群樁負摩阻力削弱的影響分析

為分析隔離樁與群樁最外側(cè)樁間距對群樁負摩阻力的削弱效果影響，隔離樁與群樁最外側(cè)樁間距分別設(shè)置為2m、4m、8m、12m、16m、24m。提取各模型樁身下拉荷載計算結(jié)果如表5。

表5 樁體下拉荷載與負摩阻力遮擋效應(yīng)系數(shù)

由表5可知隨著隔離樁與群樁最外側(cè)樁間距的增加，群樁中的角樁、邊樁、中間樁的下拉荷載都出現(xiàn)較大的下降，說明該間距對群樁負摩阻力有明顯的影響。隔離樁與群樁最外側(cè)樁間距小于6L（12m）時，各樁受到的下拉荷載隨著間距增大出現(xiàn)較大幅度上升；該間距大于6L（12m）時，下拉荷載也隨著間距增大而上升，但是變化并不明顯。

圖4為隔離樁與群樁最外側(cè)基樁樁間距不斷增大時，各樁負摩阻力遮擋效應(yīng)系數(shù)變化曲線。結(jié)合圖4遮擋效應(yīng)系數(shù)的曲線分析，隔離樁與群樁最外側(cè)樁間距從1L（2m）變化到6L（12m）的過程中，各樁負摩阻力遮擋效應(yīng)系數(shù)變化較大，說明在12m范圍內(nèi)隔離樁對群樁的保護能力受該間距的影響較大，隔離樁越靠近群樁，對樁基礎(chǔ)保護能力越強。當隔離樁與群樁最外側(cè)基樁樁間距超過6L（12m）后，遮擋效應(yīng)系數(shù)的下降率減小，這個范圍與已有的室內(nèi)試驗研究結(jié)果相近[8]，即隔離樁對群樁各樁的保護作用可以忽略。

圖4 隔離樁與群樁最外側(cè)樁間距下樁基的遮擋效應(yīng)系數(shù)

在設(shè)計與施工中，隔離樁與群樁最外側(cè)基樁的間距在條件允許范圍內(nèi)，應(yīng)盡量選擇小間距，且該間距不應(yīng)大于六倍樁間距。

3 結(jié)束語

本文使用ABAQUS有限元模擬軟件，研究了采用隔離樁減小樁基負摩阻力時，隔離樁對群樁負摩阻力的削弱效果，分析不同隔離樁的長度與群樁最外側(cè)基樁之間的樁間距對群樁保護作用的差異性，根據(jù)有限元模擬結(jié)果，得到了以下結(jié)論：

（1）隔離樁長度在群樁長度1～1.25倍之間，起到了顯著的隔離作用。建議在設(shè)計和施工過程中，為保證工程經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)安全性，隔離樁長度應(yīng)略長于群樁樁基長度。

（2）隔離樁與群樁外側(cè)基樁的樁間距越小，隔離樁的保護作用越明顯，當該間距大于6倍樁間距時，隔離樁失去保護作用。建議在設(shè)計和施工過程中，為同時保證工程經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)安全性，應(yīng)盡量縮小隔離樁與群樁最外側(cè)基樁的間距。