考虑蠕变效应的高填方场地群桩效应

岑克运; 李盛; 禄云华; 张柯; 曹吉星; 邢建东

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502112

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (8) :3452-3462 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502112

建筑科学

考虑蠕变效应的高填方场地群桩效应

岑克运 ¹ ,
李盛 ¹^,^* ,
禄云华 ¹ ,
张柯 ² ,
曹吉星 ² ,
邢建东 ³

作者信息 +

Group Pile Effect in High-fill Sites Incorporating Creep Effects

CEN Ke-yun ¹ ,
LI Sheng ¹^,^* ,
LU Yun-hua ¹ ,
ZHANG Ke ² ,
CAO Ji-xing ² ,
XING Jian-dong ³

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摘要

为探究高填方场地填土蠕变对群桩基础长期力学性能的影响机制,通过室内模型试验与数值模拟相结合的方法,研究了不同桩间距(3D~6D)和桩径(1.0~2.0 m)条件下群桩基础的受力特性及变形规律(D为桩径),针对现行规范中负摩阻力群桩效应系数偏保守的情况,提出了更符合实际工况的折减建议。结果表明:填土蠕变显著影响桩基受力机制,蠕变后期桩侧负摩阻力达到峰值并趋于稳定,桩端阻力逐渐成为主要承载力来源,持力层对桩基承载性能的贡献显著增强;增大桩间距可有效降低填土蠕变引起的附加效应,当桩间距从3D增至6D时,桩顶沉降和最大轴力增量分别减少53.42%和25.97%,显著提升了群桩基础的整体稳定性;增大桩径虽可减少附加沉降,但蠕变后期桩身最大轴力显著上升,表明填土蠕变引发的桩土相互作用机制复杂,单纯增大桩径可能产生负面效应;此外,现行规范中负摩阻力群桩效应系数偏于保守,难以准确反映高填方场地的实际工况,基于试验和数值模拟结果,提出规范值的参考折减幅度为62%~96%,以提高设计参数的合理性。研究成果可为高填方场地桩基础设计提供理论依据,对类似地质条件下的工程实践具有一定的借鉴意义。

Abstract

To investigate the influence mechanism of soil creep on the long-term mechanical properties of group pile foundation in high-fill sites, the load-bearing characteristics and deformation patterns of group pile foundations under varying pile spacings (3D~6D) and pile diameters (1.0~2.0 m) were investigated through a combined approach of laboratory model tests and numerical simulations. To address the overly conservative group effect coefficient for negative skin friction in current design codes, reduction recommendations more aligned with actual working conditions were proposed. The findings reveal that soil creep significantly impacts the load-bearing mechanism of pile foundations. During the later stages of creep, the negative skin friction on the pile side reaches its peak and stabilizes, while the end-bearing resistance gradually becomes the primary load-bearing component, with the bearing capacity of the supporting stratum significantly enhanced. Increasing the pile spacing effectively mitigates the additional effects induced by soil creep. Specifically, when the pile spacing is increased from 3D to 6D, the settlement at the pile top and the maximum incremental axial force are reduced by 53.42% and 25.97%, respectively, thereby significantly improving the overall stability of the group pile foundation. Although increasing the pile diameter can reduce additional settlement, the maximum axial force in the pile body rises notably during the later stages of creep, indicating a complex pile-soil interaction mechanism triggered by soil creep. This implies that merely increasing the pile diameter may introduce adverse effects. Furthermore, the current design codes’ group effect coefficient for negative skin friction adopt an overly conservative and fails to accurately represent the actual conditions of high-fill sites. Based on the experimental and numerical simulation results, a recommended reduction range of 62%~96% is proposed to enhance the rationality of design parameters. The research findings provide a theoretical foundation for the design of pile foundations in high-fill sites and offer valuable insights for engineering practices under similar geological conditions.

Graphical abstract

关键词

高填方场地 / 蠕变效应 / 负摩阻力 / 群桩效应

Key words

high-fill site / creep effect / negative skin friction / pile group effect

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岑克运, 李盛, 禄云华, 张柯, 曹吉星, 邢建东. 考虑蠕变效应的高填方场地群桩效应[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(8): 3452-3462 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502112

CEN Ke-yun, LI Sheng, LU Yun-hua, ZHANG Ke, CAO Ji-xing, XING Jian-dong. Group Pile Effect in High-fill Sites Incorporating Creep Effects[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(8): 3452-3462 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502112

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在山区或丘陵地区工程建设中,通过削山、填沟、造地形成了高填方场地^[1],其填土厚度通常较大,填土性质复杂。在高填方场地的桩基础工程建设中,回填黄土显著表现出蠕变特性^[2-3],随着时间推移,填土性质受到含水率、密实度等多种因素的影响,施工后沉降变位问题尤为严重。由于回填土的长期沉降^[4],桩侧摩阻力及中性点的位置会随着时间不断变化,这对桩基础的长期承载性能及变形特性产生了显著影响。因此,研究高填方场地桩基础的力学特性,对于防止桩侧的负摩阻力对桩基及其上部结构造成损害具有重要意义。

在群桩承载特性及群桩效应研究方面,周豪等^[5]采用有限元软件ANSYS对北京市通州的桩基项目中的2×1和2×2群桩的竖向承载特性进行了研究,发现设计桩距下的群桩在沉降量及基桩轴力分布方面表现出明显的优势,为合理确定桩间距提供了理论依据。武玉萍等^[6]对黄土基础微型桩水平承载力的多个影响因素进行了现场静载试验分析,指出群桩效应在桩间距达到8D(D为桩径)时可以忽略不计。Hu等^[7]深入探讨了混凝土灌注钢管桩在砂岩复合地层中的竖向承载性能及桩间距对其承载能力的影响,为海上风电基础的设计提供了重要依据。Gong等^[8]通过竖向静载试验研究了长芯劲性复合桩(stiffened deep cement mixing pile,SDCM)桩的承载特性及群桩间相互作用,揭示了桩间距、胶结土和先张法预应力高强混凝土(PHC)管桩弹性模量对群桩效应的关键影响。邓友生等^[9]在扩底群桩的研究中,通过静载模型试验和有限元分析,探讨了桩间距对群桩效应的影响,提出了合理的桩间距配置,以提升群桩的承载能力。王国才等^[10]分析了螺纹桩的群桩效应,指出其承载能力和沉降性状具有独特性,相较于常规桩,其承载能力受到桩周土体性质的显著影响。任光明等^[11]研究发现,微型桩群桩基础在粉质黏土层的良好抗压性能,表明其在特定土层中具有可观的承载力。在桩基力学特性的时效性研究方面,孔纲强等^[12]通过3×3群桩的室内模型试验,突显了群桩中桩侧负摩阻力和中性点位置的时间效应,这些发现有助于理解群桩在不同桩间距下的动态相互作用。叶观宝等^[13]的研究进一步扩展了这一领域,使用有限元模型分析大面积填土场地中的负摩阻力,揭示了填土厚度和桩顶荷载对桩基动态行为的显著影响,特别是在长时间固结过程中下拉荷载的变化。Wang等^[14]则关注土壤流变特性对桩基稳定性的影响,通过引入扩展的布尔格斯模型和强度降低方法,增强了滑坡稳定性分析的准确性,突出了考虑土壤长期行为在地质工程中的重要性。Li等^[15]通过实地测试和理论分析,研究了打入桩在软弱敏感粘土中的长期设置效应,该方法成功地预测了土壤强度恢复过程中的荷载传递模式,为桩基长期性能的评估提供了新的理解。黄挺等^[16]通过混合土层的模型试验,细致地研究了负摩阻力的时间效应及其与沉降行为的关联,特别是在不同土层条件下的性能差异。赖余斌等^[17]则通过模型试验研究了填土层厚度对基桩负摩阻力特性的影响,结果显示:负摩阻力存在明显的时间效应,随着填土层厚度的增加而增大,该发现对于改善城市建设在不良地质条件下的应用具有重要意义。Mishra等^[18]分析了不同类型群桩在经历蠕变沉降过程中的性能,通过三参数黏弹性模型探讨了土壤的时间相关变形特性及其对群桩抗力的影响,揭示了蠕变沉降对群桩相互作用系数的显著影响。

综上所述,针对高填方场地的群桩基础,现有研究在桩-土相互作用效应及群桩效应的时效性方面仍显不足,主要体现在对长期蠕变效应下桩基负摩阻力和中性点位置动态变化的研究较为缺乏,且现有规范中的群桩效应系数未能充分反映填土蠕变的长期影响。鉴于此,采用室内模型试验与数值模拟相结合的方法,研究高填方场地填土蠕变对群桩基础长期力学性能的影响机制,揭示了桩间距和桩径对群桩受力特性及变形规律的动态影响。此外,针对现行规范中负摩阻力群桩效应系数偏保守的情况,提出了规范值的参考折减幅度,为高填方场地桩基设计提供了更符合实际工况的参数依据。不仅弥补了现有研究在长期蠕变效应下桩基负摩阻力和中性点位置动态变化方面的不足,还为优化群桩设计提供了理论支撑,对类似地质条件下的桩基工程实践提供了参考。

1 室内模型试验

1.1 试验方案

模型箱尺寸为1.2 m×1.2 m×1.2 m,其侧壁和底板均采用10 mm厚的钢板,以有效限制边界变形,减小试验误差。试验时箱内壁涂覆润滑油以降低摩擦力,模型桩至箱壁的最小间距为9.5D(D为桩径),该尺寸大于群桩应力影响区,可有效降低边界效应的影响^[12,19-20]。使用静态应变仪实时记录应变数据,以保证其准确性和可靠性。模型试验装置如图1所示。模型桩选用四氟尼龙塑胶棒(弹性模量2.65 GPa,容重17.2 kN/m³),长800 mm,直径50 mm。模型桩相似比参数如表1所示。在桩体表面同侧每隔100 mm粘贴一个应变片,并做好绝缘和防潮处理。为增强侧摩阻力,桩体表面铺设1~2 mm细石。在桩底端布设土压力盒,以测得桩端土压力。承台四角及四侧的回填土垫板上均布置精度为0.01 mm、量程为30 mm的百分表,取4个百分表的读数平均值作为桩顶承台和桩周土的沉降值,土压力盒、应变片、百分表位移测点布设如图2所示。

试验依托于兰张三四线项目工程,模拟的高填方场地填土厚度为13.5 m,桩周土取自现场的黄土(回填层)和细圆砾石(持力层)。结合原场地土体指标参数以及相似理论原理,经室内配比后进行分层填筑,每层厚度控制在约200 mm。填筑过程中严格控制黄土含水率为12.3%,并逐层夯实,确保压实度达到0.8,使得填土的密实度和力学性能符合工程实际。土层分布示意图如图3所示。试验用土物理力学参数如表2所示。承台顶部通过混凝土试块施加竖向荷载1 kN。根据参考文献[21]中将浸水后的黄土湿陷性简化为表面荷载,模拟了浸水对桩基的影响的方法,基于土体的承载特性和蠕变行为,将填土的累积沉降与时间近似等效于施加的荷载。采用慢速维持荷载法,通过液压千斤顶和反力架在填土表面施加蠕变对应的等效荷载。模拟高填方场地中4D桩间距的2×2群桩基础的沉降及受力随蠕变时间的变化,分析其在不同等效荷载作用下的响应情况。

1.2 试验结果及分析

由于桩基-承台体系及荷载的对称性,结构的内力及位移也存在对称的特点,因此在进行群桩受力特性分析时,仅需选取1根桩进行分析。

1.2.1 承台-填土沉降

不同等效荷载下承台及填土表面的位移变化曲线如图4所示。仅在承台顶部施加竖向荷载的初始条件下,承台初始沉降0.77 m略高于填土沉降(0.72 mm),此时桩周土体相对于桩身发生了向上的位移。随着等效荷载的施加,填土的沉降开始超过承台。承台及填土沉降均不断增大至趋于稳定,沉降稳定后承台沉降1.32 mm小于填土沉降1.47 mm。与初始状态相比,承台沉降增大了约1.7倍,这一现象归因于桩基、承台及土体之间的相互作用随着时间的推移而动态演变。具体而言,填土在蠕变过程中对桩基施加了向下的拉力,导致桩基受到负摩阻力的作用。与此同时,群桩和承台组合而成的整体结构会对周围的填土产生反作用力,这种反作用力通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递到填土中,限制了填土的进一步下沉。由于填土的沉降受到抑制,桩基的沉降也随之受到限制,从而抑制了群桩基础整体的下沉现象。

1.2.2 桩身轴力

基桩在不同等效荷载下的轴力变化规律如图5所示,可以看出,当竖向荷载仅作用于承台顶部时,桩的轴力沿桩的长度方向从148.30 kN逐渐减小至5.3 kN。随着等效荷载作用于填土层,桩身的轴力逐渐增大,最大桩身轴力为315.75 kN,相较于加载前增大了2.1倍。在相同的等效荷载条件下,桩身轴力沿深度呈非线性分布,表现为先增大后减小的趋势,其最大值出现在中性点。在中性点以上,桩身的轴力变化速率低于中性点以下,主要是由于该深度以上的桩与承台形成了整体,这在一定程度上限制了承台下方区域的桩-土相对位移,致使桩侧摩擦力未能充分发挥。而在距离承台较远的中性点截面以下,这种限制效应有所减弱。

1.2.3 桩端阻力和桩侧摩阻力

如图6(a)所示,桩端阻力与等效荷载之间的关系曲线表明,桩端阻力随着填土的蠕变而逐步增大。在起始加载阶段,桩端阻力的增长相对缓慢;而在加载中期,其增长速率开始加快,在后期趋于稳定。相较于加载中期,加载初期桩端阻力的增量较为有限,而中性点的深度及桩身的轴力增量则相对较大。

分析图6(b)中填土部分的桩侧摩阻力在不同等效荷载作用下的变化规律可知,加载前桩身始终保持正摩阻力;在加载后,中性点以上负摩阻力和中性点以下正摩阻力均表现出逐步增大的趋势。例如,在等效荷载为2.76 kN时,负摩阻力沿深度方向从-1.52 kN增大至-5.05 kN。此外,随着等效荷载增大,桩身的摩阻力也呈逐渐增大的趋势,正摩阻力最大值从34.77 kN增大至39.37 kN,负摩阻力最大值从-5.05 kN增大至-23.34 kN。

在桩周回填黄土蠕变的早期(沉降及内力增长加速阶段)和中期(沉降及内力增长速率趋缓阶段),基桩的沉降和桩身内部的力学状态随着蠕变过程的推进而不断演化,导致中性点深度持续调整。在此阶段,桩侧摩阻力与桩端阻力呈现出相互影响的关系,共同承担上部结构的荷载。然而,进入蠕变的后期(沉降及内力趋于稳定阶段),桩身内力的增长速率逐渐减缓并趋于稳定,桩端阻力也逐渐稳定,桩侧摩阻力达到最大值。此时,桩端阻力逐渐成为主要的承载力贡献部分,持力层对桩基整体承载力的作用显著增强。

2 数值模拟分析

2.1 模型建立及参数取值

2.1.1 模型建立

基于兰张三四线工程实际参数,建立FLAC^3D数值模型。在四周和底部均施加法向约束,顶部不约束。承台为C40混凝土,弹性模量33 GPa,泊松比0.2。模型上表面(z=0),中心点坐标(0 m,0 m,0 m),其余边界条件详见图7所示的高填方场地群桩模型示意图。初始状态为弹性平衡和地应力平衡。桩身、承台、填土和岩石分别设置为边长0.1、0.2、1 m的四面体单元。通过命令流,基于桩与土体的几何位置关系,建立桩土接触面,其本构模型为摩尔-库伦剪切模型。

2.1.2 参数取值

(1)黄土。基于课题组前期对黄土蠕变的研究^[22-27],结合文献[28-29]的压实黄土一维固结蠕变试验研究结果,采用Burgers本构模型来模拟桩周填土沉降随时间的变化规律。考虑Burgers模型参数随回填土深度变化的拟合参数对于数值模拟的准确度有着较为明显的改进。Burgers模型蠕变方程为

(1)ε(t)=

$\frac{{\sigma }_{0}}{{E}_{M}}$

$\frac{{\sigma }_{0}}{{\eta }_{M}}$

$\frac{{\sigma }_{0}}{{E}_{K}}\left[1-exp\left(-\frac{{\sigma }_{0}}{{\eta }_{K}}\right)\right]$

式(1)中:ε为应变;t为时间;σ₀为初始应力;E_M、E_K分别为Maxwell体和Kelvin体中弹簧元件弹性模量;η_M、η_K分别为Maxwell体和Kelvin体中黏壶元件黏滞系数。相关参数取值如表3所示。

(2)桩基础和持力层。由于以细圆砾石作为持力层的工程实例相对较少,为了提高研究结果的普适性和参考价值,在确定数值模拟与试验结果可相互验证后,选择花岗岩作为持力层进行研究。桩基础和持力层物理力学参数依照课题组前期研究^[22-27]进行选取,桩基及持力层物理性质如表4所示。桩基础及持力层均赋予Elastic本构模型。

赋予本构模型和相关参数后,开展不同桩间距(3D、4D、5D、6D)和桩径(1.0、1.5、1.8、2.0 m)的数值模拟,以探讨群桩基础沉降及其内力随蠕变时间的变化规律。

2.2 有限差分模型验证

根据相似原理,将数值数据缩放后与试验数据进行对比分析,从图8(a)可以看出,试验与模拟的初始时刻承台沉降均大于填土,随着蠕变时间的发展,承台及填土沉降均不断增大至趋于稳定,且最终填土沉降大于承台。从图8(b)可以看出,试验与模拟的桩端阻力均随时间的发展呈逐渐增大的趋势,初始时刻增长较慢,蠕变中期增长逐渐加快,蠕变后期达到稳定。试验和模拟的变化趋势具有较高的一致性,因此可认为数值模拟和模型试验之间具备相互验证的有效性。故可采用数值模拟就考虑蠕变效应的高填方场地桩基础群桩效应进行分析。

2.3 桩顶沉降变化

图9(a)为不同桩间距桩顶沉降随桩周土蠕变时间的变化曲线,可以看出,不同桩间距下基桩的桩顶沉降均随蠕变时间先增大后趋于稳定值。蠕变稳定时3D~6D桩间距分别对应桩顶沉降为30.57、26.55、21.90、17.85 mm,故桩间距越大,桩顶沉降减小,同时在蠕变的初期其沉降速率也会减缓。随着桩间距的增加,由桩周填土蠕变的影响,桩顶的附加沉降值逐渐减小,由12.73 mm分别减小至10.82、8.17、5.93 mm。因此在高填方场地工程中可通过适当增大桩间距的方式来减小填土蠕变所产生的桩顶附加沉降。

图9(b)为不同桩径下基桩的桩顶沉降随蠕变时间的变化曲线,在不同桩径条件下,桩顶沉降的变化趋势总体一致,填土蠕变初期沉降增加缓慢,而在中期则明显加快,之后在蠕变后期趋于稳定。填土蠕变前,不同桩径对应的桩顶位移分别为15.73、16.03、16.33、16.66 mm,因此仅在竖向荷载作用下,各桩径的桩顶位移差距不大。基桩桩径大会增加群桩基础承台尺寸,从而加大自重对各基桩的桩顶荷载分配,导致桩顶沉降略有增加。桩周填土开始发生蠕变之后,桩径较小的基桩桩顶沉降变化速率较快,而桩径较大的变化速率则相对较慢,因此在蠕变前期结束时不同桩径的基桩桩顶沉降基本相同在18.94 mm。此后,依旧保持前述的变化速率顺序,因此蠕变稳定后桩径大的桩顶沉降较小,而桩径小的桩顶沉降较大,即蠕变稳定时桩径越大,桩顶的沉降量就越小,比如1.0 m桩径对应26.55 mm而2.0 m桩径对应22.37 mm。

计算不同桩径和桩间距下的桩顶沉降平均值,并对其进行无量纲化处理,均换算为桩顶沉降占桩径的百分比。结果显示,增大桩径和桩间距对应百分比蠕变前分别减少了0.87和0.26个百分点,蠕变后分别减少了1.8和0.72个百分点,故桩径对桩顶沉降的影响大于桩间距。

2.4 中性点深度变化

图10(a)为不同桩间距下中性点深度随蠕变时间的变化曲线,可以看出,中性点深度随蠕变时间均先增大后趋于稳定,蠕变前期桩周填土快速沉降,桩基础为了抵抗桩周填土的快速沉降,中性点迅速下移。随着蠕变时间的延长,中性点深度变化速率逐渐降低,最终稳定在10.5~11.5 m,位于填土与持力层交界面附近。基桩在填土蠕变稳定后的中性点深度随桩间距的增大而增大,表面增大桩间距有利于群桩基础承载性能的发挥。

图10(b)展示了不同桩径条件下中性点深度随蠕变时间的变化趋势。可以看出,中性点深度随时间的变化趋势在不同工况下表现出相似的特征。这一现象表明,基桩在承受荷载作用时,中性点位置会发生动态调整,以适应外力的变化。值得注意的是,这些中性点最终都稳定在一个相对固定的深度区间10.5~11 m,同样位于填土和持力层的交界面附近。这是因为持力层具有较大的承载能力,而高填方的土层相对较松散、强度较低。在荷载传递过程中,上部荷载会通过桩体向下传递至持力层。随着土体固结及蠕变的影响,填土层中的土体的应力状态逐渐发生变化。由于土体的强度不足以持续支撑超出其承载能力的荷载,为使桩基上部荷载与土体的承载能力和桩侧摩阻力达到平衡,中性点就会向持力层移动,最终在填土与持力层的交界面深度附近稳定。

2.5 桩身轴力变化

不同桩间距下的桩身最大轴力随时间的变化规律同模型试验所得规律相同,随蠕变时间均先增大后趋于稳定,且随着蠕变时间的推移,增大速率逐渐减缓,同时,桩间距的增大使最大轴力变化曲线呈现更加平缓的趋势,结合图11(a)可知,桩间距从3D增至6D,蠕变之前和蠕变稳定后最大轴力的差值从4 133.88 kN减小为3 060.22 kN,即随桩间距的增大逐渐减小。增大间距减少了桩土相互作用范围和群桩效应,避免了相邻桩间应力叠加;同时,应力更均匀地扩散到更深、更广的土层中,降低了蠕变变形的累积效应,并提高了桩土体系的整体刚度,从而减少了沉降和轴力的增加。

从图11(b)中可以看出,在1.0~2.0 m桩径条件下,基桩在蠕变之前的桩身最大轴力分别为2 627.79、2 739.65、2 818.24、2 860.26 kN差距不大。但随着桩周填土的蠕变,蠕变稳定时最大轴力分别为6 553.50、7 681.84、8 396.77、8 771.22 kN,桩径增大后最大轴力显著增加。这是由于桩径的增大,基桩与填土的接触面积扩大,从而在填土蠕变过程中,附加沉降对基桩施加的拖拽作用愈加明显,引发了内力的更大变化。还可看出桩径越大附加轴力越大,1.0 m桩径最大轴力差值为3 816.53 kN而2.0 m桩径最大轴力差值为5 581.83 kN。这种基桩最大轴力变化的差异性进一步验证了填土蠕变对群桩基础桩土相互作用机理的影响。

2.6 桩端阻力和桩侧摩阻力变化

图12(a)显示了蠕变前后不同桩间距下桩端阻力对比情况,结果表明,蠕变前后桩间距越大,桩端阻力越小。桩间距从3D增至6D,基桩在蠕变前后桩端阻力的差值从2 771.61 kN减小至2 122.45 kN,进一步说明桩周填土的蠕变效应对桩端阻力的增加具有重要影响,这对于桩基础设计而言非常关键。

由图12(b)可以看出,蠕变之前不同桩径对应基桩的桩端阻力分别为2 627.79、2 739.65、2 818.24、2 860.26 kN差距较小,蠕变稳定后桩端阻力值随桩径增大而大致线性增加从5 186.70 kN增至6 166.97 kN,另外,由填土蠕变引起的桩端阻力附加值从2 558.90 kN增至3 306.72 kN,随桩径增大也大致呈线性增加。桩径增大时,桩端阻力也相应增大,故在高填方黄土场地中,仅通过增大桩径来提升桩基的承载力并不是最优策略。因为随着桩径的增大,桩基与填土之间的接触面积也随之增加,从而加剧了桩周填土对桩基的下拉作用。这种下拽作用不仅会增加桩身的内力,还可能增大桩端阻力,从而在一定程度上抵消了增大桩径所带来的基桩承载力的提升。除了桩径外,还可通过优化桩型、改善填土性质、采用适当的施工方法等措施来提高桩基的承载力。

关于桩侧摩阻力的有限差分分析表明,在不同桩间距下,正、负摩阻力随桩间距增加呈递减趋势。而在变化的桩径下,桩侧的正负摩阻力则随着桩径增大而持续增强。同时,桩径变化时,桩侧正摩阻力的变化幅度较小,而负摩阻力的变化则相对较为剧烈。因此增大桩径对正摩阻力的影响程度显著高于对负摩阻力的影响。

3 负摩阻力群桩效应

为了研究不同桩间距和桩径对负摩阻力群桩效应在填土层蠕变时间变化过程中的影响,定义群桩中各基桩的平均下拉力与单桩下拉力之比为负摩阻力群桩效应系数。为此,构建了与群桩基础中的基桩相同桩径的单桩模型,保持填土层和持力层的厚度,以及竖向荷载的条件不变。通过这一模型,获得了在不同桩间距和不同桩径下,负摩阻力群桩效应系数随填土蠕变时间变化的曲线,如图13所示。

从图13(a)可以看出,随蠕变期的延长,3D、4D桩间距时群桩效应系数由分别由0.842减小至0.503,0.893减小至0.631,分别减小了0.339和0.262呈显著减小趋势;增大至5D、6D桩间距时,其减少幅度分别为0.175和0.056相对较小;特别地6D桩间距时,其基本处于0.93~1范围内,故可忽略此间距下的群桩效应。在砂土中,负摩阻力群桩效应系数同样随着桩间距的增大而增大,当桩间距为6D时,群桩效应系数接近1.0^[19],这与本研究结果一致。

从图13(b)可以看出,不同桩直径蠕变初期对应的群桩效应系数相近在0.893~0.899,随着蠕变时间的增加,桩径的影响愈发明显。蠕变稳定后,桩径从1.0 m增至2.0 m时,群桩效应系数从0.631上升至0.784,增加了0.153,而当桩间距从3D增至6D时,此系数由0.503增至0.932,差值为0.429。这表明,桩间距对群桩效应的影响显著大于桩径的影响。则可在不增大桩径的情况下,通过优化桩间距来提升桩基性能,这样可以节省材料和施工成本。

规范对群桩的下拉荷载计算采用经验公式法^[20],负摩阻力群桩效应系数η_n的计算公式为

(2)η_n=s_a_xs_a_y

${\left[\pi d\left(\frac{{{q}^{n}}_{s}}{{\gamma }_{m}}+\frac{D}{4}\right)\right]}^{-1}$

式(2)中:s_a_x、s_a_y分别为纵横向桩的中心距;qⁿ_s为中性点以上桩周土层厚度加权平均负摩阻力标准值,kPa;γ_m为中性点以上桩周土层厚度加权平均重度,kN/m³;D为桩径,m。

将有限差分分析所得数据与经验公式计算结果进行对比,如表5所示。可以看出,负摩阻力群桩效应系数的规范值和模拟值均随时间的发展而呈现逐渐降低的趋势。在蠕变初期,随着桩周填土沉降的发生,桩侧负摩阻力即开始快速发展并成为影响桩身轴力增加的主要因素,此时负摩阻力对群桩效应(表现为群桩效应系数η<1)的影响已然显现,但其影响程度相较于蠕变后期(η显著下降)相对有限。随着回填土时效性演变,负摩阻力开始显著增加,逐渐消耗群桩的整体承载能力,导致负摩阻力群桩效应系数减小。至蠕变后期,负摩阻力达到最大值并趋于稳定,桩端阻力成为主要的承载力来源,尽管负摩阻力的持续作用衰退,但仍使群桩承载力相对降低,从而进一步降低了群桩效应系数。相较于单桩而言,基桩所承受的下拽力在蠕变时间的影响下,其作用逐步减弱。因此,在高回填黄土场地中,采用群桩基础更为有利于提升基桩的承载力,并增强上部结构的长期稳定性。

在整个回填土蠕变的过程中,数值模拟所得的负摩阻力群桩效应系数值均小于规范计算值。规范值通常较为保守,未能充分反映高填方场地的实际情况。不同桩径的对比结果与该表中的规律相似。因此在高填方黄土场地进行群桩负摩阻力的计算时,可参考表6对负摩阻力的群桩效应系数进行折减。例如,在设计高填方场地2×2群桩基础时,若设计桩间距为4D,桩径为1.0 m,规范计算出的负摩阻力群桩效应系数为0.8,可参考表6建议的80%~91%折减范围,将其取为0.64~0.73,这更接近实际情况。

4 结论

(1)高填方场地因深厚填土层的长期蠕变效应,导致桩基承载性能呈现显著的时效性特征。蠕变过程中,桩侧负摩阻力随时间演化逐渐增大并趋于稳定,桩端阻力成为主要的承载力来源,揭示了长期荷载下桩-土体系的荷载传递重分布机制,为高填方场地桩基设计提供了理论依据。

(2)桩间距对群桩基础的力学响应具有显著影响。当桩间距从3D增至6D时,桩顶沉降和最大轴力增量分别减少了53.42%和25.97%。这一结果证实了增大桩间距能够有效缓解填土蠕变引起的附加效应,优化桩间距是提升群桩基础整体稳定性的关键措施。

(3)桩径增大虽能减少附加沉降,但会导致蠕变后期桩身最大轴力显著增加。这表明桩土相互作用机制具有非线性特征,单纯增大桩径可能加剧内力分布的不均匀性。因此,桩基设计需综合考虑桩径、桩间距及填土性质等多参数耦合效应,以实现承载力与变形控制的协同优化。

(4)现行规范中负摩阻力群桩效应系数偏保守,基于试验和数值模拟,提出规范值的参考折减幅度为62%~96%,为高填方场地桩基设计提供了更符合实际工况的参数依据。研究结论基于黄土填土条件,实际工程中应结合具体地层特性进行参数调整。

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基金资助

国家自然科学基金(51868041)

甘肃省基础研究创新群体(21JR7RA347)

宁夏重点研发计划(2022BEG02056)

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2025-03-27	2026-03-18	2025-12-11
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