[科普中国]-群桩竖向极限承载力

简介

极限承载力是指结构完全崩溃前所能承受外荷载的最大能力。其大小与以下因素有关：材料特性：极限强度、应力应变关系等；结构和构件的刚度及几何尺寸：面积、惯矩等；结构所处的状态：施工阶段、运营阶段等；结构承受的荷载形式：恒载、组合荷载等；荷载的加载路径。也就是说，不同施工方法、不同荷载形式和加载路径，结构结构极限承载力不同，即极限承载力不是一个定值。极限承载力状态是指对应于结构或结构构件达到最大承载力，出现疲劳破坏或不适应于继续承载的变形。

群桩竖向极限承载力是指在荷载作用下，各单桩竖向极限承载力的总和。群桩竖向极限承载力与很多因素有关，如群桩自身的几何特征，如承台的设置方式（高、低承台）、桩间距桩长L及桩长与承台宽度比L/Bc、桩的排列形式、桩数；另一个是桩侧及桩端的土性及其分布、成桩工艺。

群桩群桩是指多根桩柱共同工作的一种 桩基结构。多用于桥梁和码头结构中。群桩在地基土中和在波浪场中，由于桩距、桩数、桩径等因素影响，其承载力、沉降和所承受的水平波浪力都 与单桩有所不同。支承群桩的桩顶荷载均由桩直接传到桩端硬层上，桩间土不参与工作，故群桩的承载力为各单桩承载力之和，其沉降也与单桩接近。摩擦群桩的桩顶荷载一部分由桩传递到桩端土层上，另一部分则由桩侧摩擦力承担，并通过桩周土扩散到桩端土层上，因此桩端的土中应力，群桩较单桩大得多，同时其传递范围也广，影响深度也大，所以群桩桩端以下土层产生的压缩变形也较单桩大得多。通过试验，规范规定的原则是： 对于桩数少于9根的摩擦桩以及桩不超过两排的条形桩基，可按支承群桩计算其承载力;对于桩距小于6倍桩径，而桩数超过9根(含9根)的摩擦群桩，便可将桩与桩间土体一起视为一假想的实体深基础来计算其承载力。群桩在波浪场中，由于波浪传播过程中的差异，各个桩所受波浪力极值的出现也有所不同，因此群桩整体所受的最大波浪力也应计及这一相差。另外群桩在波浪场中还产生柱间形成的实体性及遮帘性的影响和多柱情况下水流分离及涡释现象。因此规范规定：对于群桩应根据波浪的计算剖面来确定同一时刻各柱体上的水平总波浪力;当桩距小于4倍桩径时，应乘以群桩系数值。

群桩效应竖向荷载作用下的群桩基础，由于承台、桩、土相互作用，其基桩的承载力和沉降性状往往与相同地质条件下设置方法相同的单桩有显著差别，这种现象称为群桩效应。群桩基础的承载力并不常等于各单桩承载力之和。群桩效应具体表现以下几个方面：群桩的侧阻力、群桩的端阻力、承台土反力、桩顶荷载分布、群桩的破坏模式、群桩的沉降及其随荷载的变化。例如地震荷载作用下，桩基承受较大的水平荷载， 由于群桩效应的影响， 群桩中各桩基的承载力相比单桩要小的多， 并且由于边缘效应和影子效应的影响范围不同， 前排桩(加载方向前的第一排桩基)水平承载力相比其他各排桩是最大的，而其余各排桩水平承载力相比单桩来说下降更多。因此， 想要正确模拟群桩基础的桩土相互作用，就不能简单的认为土体对群桩基础中各单桩的作用与独立的单桩相同。对于地震荷载作用下的群桩效应，很多学者基于 p- y 曲线进行了深入研究，主要涉及到三个方面：①群桩效应的计算。对于群桩效应的计算， 大部分的处理方法是将群桩基础中单桩的 p- y 曲线与独立的单桩 p- y 曲线建立某种关系， 最直接的方法是将单桩的 p- y 曲线乘上某个修正系数因子， 得到群桩的 p- y 曲线，考虑此修正系数因子的方法主要有 y 修正系数、 P 修正系数和模数修正法， 其中又以 P 修正系数应用的最为广泛；②群桩效应对桩基地震反应的影响。Makris 等通过解析方法分别分析了 1 × 2 群桩基础在桩顶谐波激励(主要为惯性相互作用)和竖直传播的 S 波激励(主要为几何相互作用)下群桩效应对地震反应的影响， 结果表明， 惯性相互作用下， 群桩效应的影响更大。群桩效应的影响因素。群桩效应受多种因素影响， 包括桩距与桩数、 桩径、 土质、 桩顶是否嵌固、 荷载作用方式等。对群桩效应和承台抗力进行了研究， 指出桩基间距是影响群桩效应和桩基地震反应的最主要因素， 土体类型和密度对群桩效应及群桩地震反应基本无影响1。

单桩竖向承载力单桩竖向承载力，是指单桩在外荷载作用下，不丧失稳定，不产生过大变形所能承受的最大荷载。单桩竖向承载力的确定：

(1)对于一级建筑物，单桩的竖向承载力标准值，应通过现场静荷载试验确定。在同一 条件下的试桩数量，不宜少于总桩数的1%，并不应少于3根。这种确定承载力的方法最为可靠。

1) 载荷试验开始时间的规定：

a. 对于预制桩：在砂土中入土7d后;粘性土中应视土的强度恢复而定，一般不得少于 15d; 饱和软粘土不得小于25d。

b. 灌注桩应在桩身混凝土强度达到设计值后才能试验。

2) 单桩竖向静载荷试验要点：

a. 荷载分级： 每级荷载值约为单桩承载力设计值的1/5～1/8。

b.测读桩沉降量的间隔时间：每级加载后，隔5、10、15min各测读一次，以后每隔15min 读一次，累计1h后每隔0.5h读一次。

c. 稳定标准： 在每级荷载作用下，桩的沉降量在每小时内小于0.1mm。

d. 终止加载条件： 当出现下列情况之一时，即可终止加载：

①当荷载-沉降 (Q-s) 曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量超过 40mm，见图1；

②桩顶总沉降量达到40mm后，继续增加二级或二级以上荷载仍无陡降段。如果桩底支 承在坚硬岩 (土) 层上，桩的沉降量很小时，最大加载量应不小于设计荷载的两倍。

e.卸载观测的规定：每级卸载值为加载值的两倍。卸载后每隔15min测读一次，读两次 后，隔0.5h再读一次，即可卸下一级荷载。全部卸载后，隔3～4h再测读一次。

3) 单桩极限承载力的确定方法： 作荷载-沉降 (Q-s) 曲线图，图中应标明试桩的构 造尺寸和地质剖面以及各层土的物理力学指标。根据Q-s曲线确定单桩垂直承载力。《规范》法： 当陡降段明显时，采用相应于陡降段起点的荷载值为极限荷载；对于直径或桩宽在550mm以下的预制桩，当某级荷载Qi+1作用下，其沉降增量与相应 荷载增量的比值(ΔSi+1/ΔQi+1)≥0.1mm/kN时，取前一级荷载Qi为极限荷载。当桩顶总沉降量达到40mm后，继续增加二级或二级以上荷载仍无陡降时，在Q-s曲 线上取桩顶总沉降量s为40mm时的相应荷载作为极限荷载。最后，参加统计的试桩，当满足其极差不超过平均值的30%时，可取其平均值作为单 桩竖向极限承载力。当极差超过时，应查明原因，必要时宜增加试桩数。将单桩竖向极限承载力除以安全系数2，即得单桩竖向承载力标准值Rk，而单桩竖向承 载力设计值取R=1.2Rk。