群樁

地震荷載作用下，樁基承受較大的水平荷載，由於群樁效應的影響，群樁中各樁基的承載力相比單樁要小的多，並且由於邊緣效應和影子效應的影響範圍不同，前排樁(載入方向前的第一排樁基) 水平承載力相比其他各排樁是最大的，而其餘各排樁水平承載力相比單樁來說下降更多。

基本介紹

• 中文名：群樁
• 外文名：Pile group
• 學科：土木工程
• 領域：建築
• 範圍：地基
• 抗震評價：過力、位移和能量等多種指標

簡介

地震荷載作用下，樁基承受較大的水平荷載，由於群樁效應的影響，群樁中各樁基的承載力相比單樁要小的多，並且由於邊緣效應和影子效應的影響範圍不同，前排樁(載入方向前的第一排樁基) 水平承載力相比其他各排樁是最大的，而其餘各排樁水平承載力相比單樁來說下降更多。因此，想要正確模擬群樁基礎的樁土相互作用，就不能簡單的認為土體對群樁基礎中各單樁的作用與獨立的單樁相同。

然而，群樁效應對基礎抗震能力的影響，尤其是樁基進入非線性狀態後的影響，目前的研究鮮有涉及，這不僅增加了強震作用和特殊地質條件下樁基抗震安全性能的不確定性，也給樁基抗震設計帶來了困難。另外，我國用於跨越河流的橋樑普遍使用高樁承台群樁基礎形式，該基礎形式的顯著特點是承台質量較大及部分樁身露在地面或沖刷線以上，因此樁土相互作用的慣性相互作用顯著，相比其他基礎形式，群樁效應的影響更加顯著。

影響

對於結構的抗震能力，可以通過力、位移和能量等多種指標進行評價。此處將群樁基礎-土體結構作為整體，通過Pushover 推倒分析的峰值抗力( 最大水平抗推力)和基礎的整體變形來評價群樁效應對高樁承台群樁基礎整體抗震能力的影響。

對峰值抗力的影響

由於群樁效應減小了土體對各排樁的抗力，因此，會使高樁承台群樁基礎的整體抗震能力降低。群樁基礎的水平抗力有所降低，在5% ～ 10%之間。自由長度越大，群樁效應引起的抗力降低越小，這也說明高樁承台群樁基礎與單樁類似，自由長度越大，地面下塑性鉸位置越淺，對樁基產生顯著支撐反力的土體厚度越小;不同密度條件下，群樁效應的影響差別不大，說明砂土密度對群樁效應的影響較小，這與砂土密度對樁基橫向強度影響不顯著的結論相符，與密實砂土相比，鬆散砂土中抗力的降低略大，這也是因為在密實砂土中，群樁基礎地面下塑性鉸位置較鬆散砂土中淺。

對承台位移的影響

對於群樁基礎而言，其整體變形模式直接關係到基礎的整體受力模式、單樁荷載的分配以及單樁的水平向承載能力。群樁基礎的整體變形集中反應在承台上，實際工程中承台自身不發生變形，只產生平動位移和剛性轉角。

考慮群樁效應時，峰值狀態承台水平位移增加。在群樁基礎達到峰值抗力前後，群樁效應對自由長度較小的樁基承台水平位移的影響方式發生改變，對樁基承台轉角的影響方式不變;對於自由長度較大的樁基承台結論卻恰恰相反。因此，對於不同自由段長度的高樁承台群樁基礎，雖然群樁效應對基礎整體變形的影響不大，但對變形模式的影響卻有本質區別。

無論群樁基礎處於何種狀態時，鬆散砂土中群樁效應對承台水平位移的影響均較大;而群樁效應對承台轉角的影響，在峰值狀態時，密實砂土中較大，而極限狀態時鬆散砂土較大。

在峰值狀態時，密實砂土中群樁效應對承台水平位移的影響稍大，在極限狀態時，密實砂土中群樁效應對承台轉角的影響較大;其他情況下群樁效應的影響基本相同。因此，自由長度較小時，砂土密度對群樁效應的影響較大，自由長度較大時，砂土密度對群樁效應的影響較小。

樁身分布影響

群樁基礎所受的荷載由其中的各單樁共同承擔，各根樁基的力學性能參數會影響荷載在各單樁之間的分配。群樁效應的存在，使不同位置處土體的極限抗力發生了不同程度降低，從而不僅改變了樁基的水平承載能力，也改變了樁基的水平抗推剛度，使不同位置處的樁基力學性能參數發生了不同程度的改變，進而影響荷載在樁與樁之間以及沿樁身的分布。

對水平力分配的影響

峰值狀態和極限狀態時各單樁頂剪力值及其比例，從中可看出，由於承台發生了轉動，無論是否考慮群樁效應，各單樁的剪力均不同;無論自由長度和砂土密度如何，極限狀態時群樁效應對樁基剪力分配均基本無影響，峰值狀態時群樁效應對樁基剪力分配的影響也不大。對比峰值狀態和極限狀態各樁剪力比可看出，峰值狀態前後各單樁剪力值的分配發生了較大變化。

對樁身彎矩分布的影響

在密實砂土中，群樁效應對地面下最大彎矩截面的位置影響不明顯，但在鬆散砂土中，由於群樁效應的影響，最大彎矩截面的位置明顯降低;群樁效應雖然對樁頂截面彎矩值和地面下最大彎矩值(注:本節彎矩值均指樁身彎矩值的絕對值) 影響較小，但是對彎矩沿樁身的分布影響很大。群樁效應使樁頂至地面下最大彎矩點之間的樁身彎矩減小，而使地面下最大彎矩點至樁底之間的樁身彎矩增大。

無論是地面下最大彎矩還是彎矩分布，這與群樁效應的研究結論相符。分別對比不同自由長度和不同砂土密度的數據可看出，最大彎矩截面以上的樁身範圍內，自由長度越小，砂土密度越小，群樁效應影響越大，最大彎矩截面以下的樁身範圍內，自由長度越大，砂土密度越大，群樁效應影響越大。對比不同砂土密度的數據可看出，砂土密度越小，群樁效應影響越大。極限狀態時，群樁效應對樁身分布彎矩的影響有類似結論，由於篇幅所限，此處不再贅述。

樁身變形影響

與對承台水平位移的影響相比，群樁效應對樁身位移的影響不同的是，極限狀態時，群樁效應使樁頂位移減小，卻使一定深度範圍內的樁基水平位移增大，這也進一步說明自由段長度對群樁效應的影響較大，在不同自由段長度的情況下，群樁效應對樁基變形模式的影響有著很大區別。

最大曲率截面位於樁頂，另外，在地面下某一深度處也出現一個峰值曲率。群樁效應對樁頂最大曲率值影響較大，對地面下最大曲率值影響也較大，尤其是在極限狀態時。與在密實砂土中相比，群樁效應對鬆散砂土中樁基地面下最大曲率截面的位置影響更大，使其明顯降低，這與前面所述對彎矩分布的影響一致。

極限狀態時，自由長度對樁頂截面曲率分布的群樁效應影響較大;在自由長度較小時，砂土密度越小，群樁效應影響越大;在鬆散砂土中，自由長度越小，群樁效應影響越大。

總結

以一組單樁試驗為背景，建立了其合理的有限元分析模型，並在此基礎上建立了1 × 3 群樁基礎模型，分別分析了在峰值狀態和極限狀態時，不同自由長度和砂土密度條件下P 修正係數法對砂土地基中高樁承台群樁基礎整體抗震能力、樁身力和變形分布模式的影響，得出以下結論:

(1) 群樁效應使高樁承台群樁基礎峰值抗力降低，並且樁基自由長度對群樁效應影響較大，砂土密度對群樁效應影響較小。

(2)峰值狀態時，群樁效應使承台和樁身水平位移增加，使承台轉角減小;極限狀態時，群樁效應使承台和承台水平位移以及承台轉角可能增大也可能減小，這主要依賴於群樁基礎的自由段長度大小;對於群樁效應對承台整體位移和樁身水平位移的影響，自由長度較小時，砂土密度的影響較大，自由長度較大時，砂土密度的影響較小。

(3)無論自由長度和砂土密度如何，群樁效應對樁基剪力分配的影響均較小。

(4)群樁效應對樁身截面彎矩峰值影響較小，但是對彎矩沿樁身的分布影響很大，且這種影響對於後排樁最大，中排樁次之，前排樁最小，自由長度和砂土密度對此時群樁效應的影響均較大。

(5) 群樁效應對樁身分布截面曲率峰值影響較大，尤其是在極限狀態時，且這種影響對於後排樁最大，中排樁 次之，前排樁最小，自由長度和砂土密度對此時群樁效應的影響均較大。