在实际工程中,大多数情况下的荷载有多根桩共同承担,形成群桩。桩数不止一根的桩基称为群桩基础。在桩基础中,根据桩与土的作用关系不同,有单桩、基桩、复合基桩、复合桩基等不同的名称。采用一根桩承担荷载的独立基础称为单桩;群桩中的每根桩称为基桩;包含承台底土阻力的基桩称为复合基桩;由桩和承台底地基土共同承担荷载的桩基称为复合桩基。
群桩基础是一个复杂的传力体系,群桩的承载性能不同于单桩,具有独特的性状。与单桩相比,在竖向荷载作用下,不仅桩身直接承受荷载,而且在一定条件下桩间土也可能通过承台参与承载,同时各个桩之间的桩间土产生相互影响。桩和承台的竖向应力在桩端平面形成了应力叠加,使桩端平面的应力大大超过了单桩,应力扩散范围也远大于单桩。竖向荷载作用下的群桩基础,由于承台、桩、土互相作用,其基桩的承载力和沉降往往与单桩有显著区别,这种现象称为群桩效应。
对于端承桩基,由于桩尖下的压力分布面很小,各桩的压力叠加作用小,可以认为群桩承载力等于各单桩承载力之和(图8-10),其沉降也几乎与单桩相同,一般都能满足建筑物的要求。摩擦桩在垂直荷载作用下,群桩的作用和单桩相比是有些不同的。图8-11 是单桩和群桩在桩端平面处应力分布示意图。由于摩擦力的扩散作用,群桩中各桩传布的应力互相重叠,所以群桩桩端处土受的压力比单桩大,传布范围也比单桩深(图8-12)。如果不容许群桩的沉降量大于单桩沉降量,则群桩中每一根桩的平均承载力将小于单桩承载力。换句话说,当群桩中各桩所受的荷载与单桩相同时,则群桩的沉降比单桩大。
图8-10 端承桩桩尖平面上的应力分布
图8-11 摩擦桩桩尖平面上的应力分布
图8-12 群桩和单桩应力传布深度比较
影响群桩承载力和沉降量的因素很复杂,与土的性质、桩长、桩距、桩数、群桩的平面形状和大小等因素有关。现提出两个指标——群桩的效率系数η与沉降比ζ,以便于分析群桩的工作特性:
这里的n 为桩基中的桩数。η值可用来评价群桩中单桩的承载力是否充分发挥。ζ值可说明群桩的沉降特性。国内外通过群桩模型试验和群桩野外载荷试验,对群桩进行了许多研究,初步可以得出下列几点结论:
(1)当桩距增大时,效率系数η提高。
(2)当桩距相同时,桩数越多,效率系数η越低。(www.xing528.com)
(3)当桩距增大至一定值后,效率系数η值增加不显著。
(4)当承台面积保持不变时,增加桩数(桩距同时减小),效率系数η显著下降。
(5)沉降比ζ随着桩距的增大而减小。
(6)当荷载和桩距都相同时,沉降比ζ随着群桩中桩数的增多而加大。
综上所述,在影响η和ζ值的诸因素中,桩距是主要的,其次是桩数及其排列等。但不应当片面地加大桩距来提高η和降低值ζ,而应当合理选择桩距,既可尽量提高η和降低ζ又不使承台平面尺寸过大而造成不经济。一些试验资料表明,当桩距小于3d(d 为桩径)时,桩端处应力重叠现象严重,群桩效率系数低而沉降比大,桩距大于6d 时,应力重叠现象将较小,群桩效率系数就较高。
群桩的地基变形及破坏状态也受多种因素影响。在对不同桩距群桩的承台、桩间土和桩端下土的变形测定结果中发现:当桩距较小,土质坚硬时,在荷载作用下,桩间土与桩群作为一个整体而下沉,桩端下土层受压缩,在极限荷载下,桩端下土达到极限平衡状态,群桩呈“整体破坏”,其破坏形态类似一个实体深基础。而当桩距足够大,土质较软时,在荷载作用下,桩与土之间发生剪切变形,桩端刺入桩端下土层中,不仅桩端下土层受压缩,桩间土也产生压缩变形,在极限荷载下,群桩呈 “刺入破坏”。在一般情况下,群桩不同程度地兼有这两种变形特性。
由以上分析,群桩的工作状态,大致可以分为两类:
(1)当桩距大、桩数少,单桩应力传到桩端处后重叠影响小时,群桩承载力R群为各单桩承载力R单之和,即
(2)当桩距小,桩数多,单桩应力传到桩尖处后互相重叠,群桩与桩间土形成一个整体,近似于一个深埋实体基础,群桩承载力就可以按实体基础进行地基强度与变形验算。
由于群桩具有深埋实体基础的性质(当桩距较小时),所以当地基土层中在不很深处有较好的坚硬土层时,应尽量利用该坚硬土层作为群桩的持力层,桩尖进入该层一定深度为宜,根据土质情况及施工条件确定,一般可为1~2m,这将大大有利于提高群桩承载力,减少沉降量。
无论哪一种情况下,因为桩尖平面处群桩的受荷面积比单桩大,因而受压层深度也大,所以群桩的沉降总要比单桩大。
对于群桩桩基承载力的计算包括承载力设计值的计算以及群桩沉降的计算及变形验算,详见有关资料。
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