樁基礎(chǔ)水平承載力的概念及計算方法

1、樁基礎(chǔ)水平承載力的概念及計算方法（二）群樁中基樁表現(xiàn)出與單樁承載特性明顯不同，群樁水平承載力會 受到更多因素影響。現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范新規(guī)定，在進(jìn)行群樁基礎(chǔ)水平承 載設(shè)計時應(yīng)考慮群樁集合效應(yīng)問題。大量研究試驗表明，樁徑、樁數(shù)、樁距、樁的布置方式、地基土 性質(zhì)等都是都影響群樁發(fā)展水平承載力的主要原因，懸臂此外樁與承 臺連接的約束嵌固作用、承臺底與地基土的摩擦作用以及承臺側(cè)面正 向土抗力作用等也影響群樁水平承載力。本節(jié)主要結(jié)合既往試驗資料分析群樁效應(yīng)問題，水平荷載下的群 樁效應(yīng)主要表現(xiàn)在以下幾方面：1、樁與樁的相互影響效應(yīng)（1）樁的相互影響導(dǎo)致地基管理水平反力系數(shù)降低由于群樁中樁與樁之間的相互影響，產(chǎn)生

2、了土中的應(yīng)力重疊現(xiàn)象， 主要表現(xiàn)次要為地基水平反力系數(shù)降低，從而引起群樁的升高水平位 移增大，水平承載力降低。樁距越小，樁數(shù)越多，樁與樁的相互干涉 影響越顯著，群樁效應(yīng)也越明顯。這種距的影響沿荷載方向遠(yuǎn)大于垂 直于荷載方向。在考慮樁的相互影響方式上才上，大部分國家主要通過對樁側(cè)土 水平反力系數(shù)的降低對數(shù)考慮樁與樁的相互影響，并且給出了產(chǎn)生群 樁效應(yīng)的臨界樁距。如日本鐵道總合技術(shù)研究所（2000），鐵道構(gòu)造 物等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、同解說（基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物、抗土壓結(jié)構(gòu)物）（簡稱JNR， 2000）中規(guī)定，考慮群樁效應(yīng)，群樁之水平地基反力系數(shù)需進(jìn)行折減。港口工程樁基完善JTS167-4-2021中對按群樁設(shè)計的全

3、直徑樁 基，在而非往復(fù)水平力作用下，可按水平地基反力系數(shù)折減后的單樁 設(shè)計，其折減系數(shù)按下表取值。kN為采用NL法的單樁水平地基反力系數(shù)，m為采用m法的單樁水 平地基比率反力系數(shù)隨深度線性增加的比例系數(shù)。其單樁最小間距有 關(guān)規(guī)定為6D8D。公路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范JTGD63-2007考慮在水平外力作用 平面內(nèi)有數(shù)排樁時，前后排樁將產(chǎn)生相互遮擋作用，各樁間的受力將 會產(chǎn)生影響，因而更進(jìn)一步提出了各樁間的相互影響k,即通過對樁計 算寬度的修正來進(jìn)一步考慮樁間相互影響系數(shù)，并新規(guī)定對單排樁或 L1 （平行于受力方向的樁間凈距）V0.6h1 （樁的計算埋入深度h1=3 （d+1）時，對其計算寬度的折

4、減系數(shù)為加拿大方法論工程手冊（CanadianGeotechnicalSociety，1978） 及AASHTO （1996）公路鐵路橋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中均規(guī)定，水平力沿樁排列方 向，樁中心距為8D時其群樁效應(yīng)為1.0，即地基土水平反力系數(shù)不予 折減，而樁中心距為3D時其群樁效應(yīng)為0.25，即地基土水平反力系數(shù) 折減為原來的0.25，水平力沿垂直兩條道路排列方向時，樁中心距為 2.5D時可不考慮群樁效應(yīng)。美國混凝土學(xué)會1973年推薦的鉆（挖）孔樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工規(guī) 范規(guī)定，當(dāng)沿荷載方向的樁西南方大于8d，垂直于荷載大方向的樁 距大于2.5d時，地基土水平反力系數(shù)不予折減。日本文獻(xiàn)樁結(jié)構(gòu)物計算方法和計算實(shí)

5、例中通過試驗得知，樁 頂自由時樁間距5B （B為樁寬），樁梨皮完全嵌固時樁間距7.8B，可 不予折減地基土水平反力系數(shù)。日本公路橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范及東京條文解釋（1976）中則規(guī)定， 只是在樁中心距小于2.5d的情況才將單樁試驗求得的地基土水平反力 系數(shù)乘以折減系數(shù)。日本建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計指針（2001）規(guī)定，當(dāng)樁間距小于6d 時，需將群樁的基準(zhǔn)水平地基反力系數(shù)進(jìn)行折減，并對相互影響的范 圍通過試驗調(diào)查結(jié)果展示（見圖2.1-1）:高度受荷的樁前地基土，在 與樁間距離降到6倍樁徑以上甚至更遠(yuǎn)的范圍都會受到影響，會產(chǎn)生 水平位移。從這些測定結(jié)果也可知，群樁構(gòu)成的樁基礎(chǔ)中各樁間均互 相產(chǎn)生影響，表現(xiàn)出

6、與自由單樁不同的特性，這種群樁效應(yīng)會根據(jù)構(gòu) 成群樁的樁數(shù)、樁布置形式、樁間隔等特定條件存在差異。關(guān)于定量評價樁基管理水平群樁效應(yīng)，在假說理論數(shù)值上以有考 慮地基的連續(xù)性，使用有限單元法、利用Mindlin解的邊界單元法等 等，但這些分析方法的研究性意味更濃，一般的設(shè)計中采用過于復(fù)雜。 而確定群樁承載力最可靠的工具是進(jìn)行載荷試驗，但由于試驗市場條 件的限制，僅能通過成本增加單樁與群樁的群樁成本經(jīng)驗關(guān)系，由單 樁水平承載力來推求群樁水平承載力了。建筑樁基技術(shù)規(guī)范 JGJ94-2021在既往數(shù)以百計的研究成果、試驗基礎(chǔ)上，提出了群樁效 率的經(jīng)驗公式。（2）樁的相互影響導(dǎo)致各樁樁身內(nèi)力、撓度曲線的差異

7、如圖2.1-2,通過樁身內(nèi)力的實(shí)測結(jié)果和破壞時各樁鋼筋斷裂順序， 沿水平加速度位移方向的最前面一排樁身受力最大，樁前地基土水平 反力系數(shù)最大，位移最小，說明樁的相互影響還表現(xiàn)在樁的位移導(dǎo)致 樁而后地基土出現(xiàn)松弛，甚至在樁土間出現(xiàn)尾端，使后一排前才樁的 樁前地基土喪失側(cè)向約束，從而導(dǎo)致反力系數(shù)明顯降低。樁距俞小， 沿荷載方向樁數(shù)俞多，群樁整體推升影響俞大。在室內(nèi)模型試驗，群樁基礎(chǔ)中各排基樁的樁身內(nèi)力以及樁身撓曲 的分布曲線對比，見圖2.1-3圖2.1-5。在同等荷載作用下讓，群樁中前排樁的樁駕駛席身最大彎矩超出 后排樁，第一反彎點(diǎn)淺于第二排樁，第二反彎點(diǎn)深于后排樁。在水平荷載積極作用下，前排樁的

8、撓度隨深度變化比后排樁衰減 快，其位移零點(diǎn)較淺。這說明后排樁樁前地基第三排土水平反力系數(shù) 明顯大于后排樁。對于水平荷載的群樁中受力的不均勻性，主要設(shè)計中同問題通常 是樁中相對于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生的剪應(yīng)力。Mandolini等總結(jié)了水平荷載 作用下的群樁性狀。在水平荷載示范作用下，樁間的相互作用隨著群 樁位移的增加而增大，這預(yù)示群樁中前排樁暗示的彎矩大于中間樁或 后排樁，某種現(xiàn)象是由于同一排相鄰樁之間的“屏蔽”或“遮蔽”效 應(yīng)。圖2.1-6提供了裝有量測元件的群樁和樁頂自由的離心機(jī)試驗（Mandolini和Viggiani， 2005）的一些測量數(shù)據(jù)。計算群樁中不同 基樁與自由單樁的最大彎矩之比，作

9、彎矩比一群樁位移圖（比值為相 同單樁水平荷載下的彎矩比），發(fā)現(xiàn)前排樁是后排樁的樁胼足蝠彎矩 在1.02.0倍之間。其中，Mi二群樁中基樁樁身的最大剪切應(yīng)力；Msp =自由單樁樁身的 最大彎矩；LR二前排樁；MR二中間排樁；TR二后排樁。對于受變向水平大軸（地震、風(fēng)載）的樁數(shù)較多的群樁基礎(chǔ)，由 于地基土水平反力系數(shù)在群樁中各基樁的差異，導(dǎo)致各不相同位置處 的基樁會出現(xiàn)樁頂和沿深度方向的樁身內(nèi)力以及位移的差異，旋轉(zhuǎn)軸 方向最前列位置的樁，不僅是群樁彎矩的角落部分樁身彎矩較大。因 此，在設(shè)計中應(yīng)對群樁中的角樁、邊樁的配筋予以加強(qiáng)。2、樁的嵌固影響群樁中各樁樁頂若理想嵌固于承臺中，當(dāng)承臺不發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，

10、同 樁頂自由（單樁靜載試驗時的狀態(tài)）相比，在相同荷載下，其位移明 顯減小。對于群樁承載力以位移控制的緊急狀況，群樁的嵌固效應(yīng)導(dǎo) 致承載力提高。地基不同的按照土水平反力系數(shù)分布圖式不同情況下 線彈性地基反力法的群樁支撐力理論比值，見表2.1-2。在相同加速度情況下，按照m法計算，群樁中基樁水平承載力是 樁頂自由的單樁水平承載力理論值的2.60倍。以上為理想嵌固條件下的理論結(jié)果，實(shí)際上一般建筑樁基樁頂嵌 入承臺的遠(yuǎn)距較淺，為510cm，實(shí)際約束狀態(tài)介于鉸接與固接之間。 這種有限約束連接既能管理水平減小樁頂水平位移（相對于樁頂自 由），又能降低樁頂硬性彎矩（相對于樁頂固接），重新分配樁身彎 矩，有利

11、于群樁技術(shù)水準(zhǔn)承載力。稱此種效應(yīng)為“樁頂約束效應(yīng)”。圖2.1-7為實(shí)測群樁基樁彎矩與計算彎矩（臨界荷載下，載荷臨界 荷載為樁身開裂前的最大荷載）。從圖2.1-7（a）看出，由于樁頂完全 的非完全嵌固導(dǎo)致樁頂轉(zhuǎn)矩降低至完全嵌固理論值的40%左右，二重樁 頂位移較完全嵌固增大約25%，樁頂負(fù)彎矩與樁身正彎矩平均數(shù)接近， 樁身正彎矩最大值與計算系數(shù)接近。圖2.1-7（b）表明，在相同荷載 下，自由單樁最大彎矩計算值約為群樁實(shí)測值的2.5倍。由此可見，樁頂與承臺淺嵌固相連，實(shí)際上為有限約束，起到了減 小樁頂彎矩，并沿樁身重資源分配的作用，其位移則略大于理想嵌固 值，但小于樁頂自由市場情況，從而使群樁的圓弧提高承載力顯著提 高。3、承臺側(cè)向土抗力的影響低承臺群樁受水平荷載產(chǎn)生水平位移，在面對位移方向的承臺側(cè) 面土塊將產(chǎn)生彈性土抗力，但須注意承臺側(cè)向重新考慮應(yīng)考慮地基土 的穩(wěn)定性。當(dāng)承臺和地下墻體形變較