（1. 深圳大学 土木工程学院，广东 深圳 518060；2. 中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010；3. 招商局蛇口工业区有限公司，广东 深圳 518067；4. 哈尔滨工业大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055）

摘 要：进行砂土的单桩和2×2群桩的压、拔试验，测定桩身轴力、桩顶荷载、位移以及桩端阻力。试验研究结果表明，群桩的抗压群桩效应系数 >1，最优桩间距为4D(D为直径)，对应的 约为1.2；桩端阻力群桩效应系数 大于桩侧摩阻力群桩效应系数 ，其最优桩间距为5D，对应的 值约为1.3；桩侧摩阻力群桩效应系数在3D时约为1.2，但随桩间距的增大而减小。与前人理论分析的结果不同，由于砂土的挤密效应，试验测得抗拔群桩效应系数也大于1，最优桩间距在4D～5D之间，系数约为1.2。桩间距为7D时压、拔群桩效应系数均趋近于1，可基本忽略群桩效应。
关 键 词：模型试验；轴向荷载；砂土；群桩效应
　　1 引 言
　　桩基础的试验研究主要有原位试验、室内模型试验和离心机模型试验三类^[1－4]。在目前对承受轴向荷载桩基的试验研究中，谭国焕等^[5]通过试验得到3根有机玻璃桩在松砂中的抗拔荷载-位移曲线，发现桩侧表面越粗糙，单桩的抗拔承载力越大。徐和等^[6]进行了6种不同相对密实度砂土中的单桩抗拔试验，发现砂土相对密实度从18%增加到99.1%时相应的单桩轴向极限抗拔承载力由0.192 kN急剧提高到2.9 kN。陈小强等^[7]进行了长径比大于40的单桩抗拔和抗压试验，得到单桩在受拉时的位移和位移增长速率都大于受压时抗压桩属于缓进型破坏，抗拔桩属于突进型破坏，抗拔桩总摩阻力小于抗压桩总摩阻力，且= 0.56，抗拔桩的桩底部侧摩阻力表现出弱化效应，抗压桩则表现出强化效应。殷宗泽等^[8]使用有机玻璃模型桩探究了单桩和群桩在压力荷载下桩身的轴力分布规律和桩顶荷载-位移曲线，表明砂土中抗压群桩效应系数大于1且最优桩间距略大于4D(D为桩直径)。Ismael^[9]的原位试验测得了2D～3D桩间距群桩的群桩效应系数。在数值模拟方面，田美存等^[10]用叠加力的方法，把荷载传递法应用于群桩，提出了一个简单途径，可以考虑成层地基和土的非线性。王浩等^[11]使用MIDAS/GTS建立群桩模型，探究了轴向荷载作用下桩长、桩数及桩间距对群桩效应的影响，研究表明抗拔群桩效应系数随桩间距增大逐渐增大，桩间距大于6D时群桩效应系数趋近于1。
　　虽然已有大量的试验研究，但群桩的抗拔试验，特别是对同一群桩同时进行压、拔试验相对较少。本研究主要通过模型试验，探讨桩间距对群桩的抗压和抗拔群桩效应的影响，分析桩端阻力和桩侧摩阻力对抗压群桩效应的贡献。
　　2 试验模型
　　试验模型箱(见图1)为圆柱型，内部直径为1.2 m，高1 m，能放约2 t重的标准砂，加载反力架通过夹具固定于模型箱上。
　　为实现模型桩的竖向上拉和下压加载研制了竖向加载装置，可按预先设定好的速率匀速垂直上拔或下压桩体，还可以通过对步进电机控制器编程控制实现桩顶的竖向往复运动。

图1 试验装置

　　参考文献[12]，模型桩采用外径为32 mm、壁厚2.5 mm、长667 mm的有机玻璃管。将管沿中轴线切成对称的两半，在桩体内侧粘贴应变片，应变片的位置见图2。两半玻璃管重新粘合后，在桩表面粘贴一层砂。试验中共制作了两种粗糙度的桩，桩外表面分别粘结粒径0.1～0.075 mm和1～0.5 mm的砂（称为细砂桩和粗砂桩）。共制作了4根细砂桩和4根粗砂桩，每组试验中2根贴有应变片的桩对角布置称为1^#桩和2^#桩。

图2 模型桩

　　共进行了两种粗糙度5种桩间距（3D、4D、5D、5D×7D（双向不等间距）和7D）下的群桩试验。所有群桩的入土深度为17D（54.4 cm），入土深度保证了第一组应变片的位置在砂样表面以上，可以测量群桩顶部荷载在各个单桩的分配情况。为了分析桩间距对群桩效应的影响，还进行了两种粗糙度的单桩试验。
　　试验选用福建平潭砂，其物理参数 d₁₀=0.35 mm，d₅₀=0.64 mm，d₃₀=0.5 mm，d₆₀=0.72 mm，计算得到不均匀系数C_u=2.06，曲率系数C_c=0.99。砂土的均质性和可重复性对试验结果的影响很大，为了能保证砂样的均匀性和可重复性，采用干落法制作砂样。试验中尽量均匀的将砂子撒到模型箱里面，保证砂样表面齐平不出现鼓包。通过随机在砂样中埋设小盒，验证了砂样的均质性，砂样的相对密实度约为40%，重度约为15.0 kN/m³。
　　3 群桩试验
　　3.1 群桩的抗压试验
　　试验中群桩的总荷载通过安装在承台上方的荷载传感器测量，各桩的桩顶荷载通过桩身上贴的应变片测量。图3为3D细砂群桩的荷载-位移曲线。从图中可以看出，1^#、2^#桩荷载位移曲线基本重合，加载的每个时刻群桩荷载大约都是单桩荷载的4倍，说明群桩荷载被均匀的分配到各根单桩。为了比较桩间距对抗压群桩效应的影响，将5组细砂群桩和细砂单桩的抗压荷载-位移曲线绘于图4。从图中可以看出，各种桩间距群桩的抗压荷载-位移曲线的发展趋势与单桩的抗压荷载-位移曲线相似，群桩的抗压荷载-位移曲线不重合，说明桩间距对群桩的抗压承载能力有明显影响。
 

图3 3D细砂群桩抗压荷载与位移曲线

图4 群桩抗压荷载-位移曲线

　　定义位移值为D/10对应的荷载为群桩和单桩的抗压极限承载力，利用式（1）计算各组群桩的抗压群桩效应系数：

　　式中：为群桩极限承载力；为单桩极限承载力。
　　根据极限荷载下群桩中2根单桩的桩端阻力，取其平均值作为群桩中单桩的桩端阻力代表值，根据式（2）计算群桩中单桩的侧摩阻力代表值：

　　计算桩端阻力群桩效应系数和侧摩阻力群桩效应系数，即

　　式中：为极限荷载下单桩端阻力；为极限荷载下单桩侧摩阻力。
　　为了直观地比较桩间距对群桩效应系数的影响，将不同桩间距下的、与数据点绘于图5。由于数据点的分布具有一定的离散性，分别对、与的数据点进行曲线拟合。从拟合曲线可以看出，在不同桩间距下均有>>>1；抗压群桩效应系数随着桩间距的增大先增加后减小，在4D桩间距时，群桩效应系数达到极大值，约为1.2，与文献[8]的研究成果相符合；桩端阻力群桩效应系数与的发展规律相似，但其最优距离桩间距在4D～5D之间，极值约为1.3；摩阻力群桩效应系数随桩间距的增大而减小，3D时的系数约为1.2；桩间距达到7D时，、、均近似等于1，说明桩间距大于7D时群桩效应基本可以忽略。

图5 群桩的抗压群桩效应系数

　　3.2 群桩的抗拔试验
　　图6为3D细砂群桩抗拔荷载-位移曲线。与抗压群桩相似，群桩荷载基本平均分配到了4根单桩。将细砂单桩和不同桩间距下群桩的荷载-位移曲线绘制于图7，发现群桩的抗拔荷载-位移曲线与单桩形状相似，但群桩抗拔荷载达到最大值时对应的位移比单桩小。取2 mm位移对应的荷载为极限抗拔荷载，利用式（1）计算抗拔群桩效应系数。
　　绘制抗拔群桩效应系数与桩间距的关系如图8所示。从图中可以看出，抗拔群桩效应系数具有一定的离散性，绝大多数群桩的抗拔群桩效应系数大于1，此结论与破裂面模型^[13]和有限元模型^[11]给出的抗拔群桩效应系数小于1的结论相矛盾。破裂面模型和有限元模型无法模拟静压桩成桩时桩-土之间的挤密效应，而挤密效应对静压桩的受力性能起决定性作用，是静压桩与挖孔桩的根本区别。静压群桩对砂土的挤密效应比单桩强是导致静压群桩的抗拔群桩效应系数大于1的根源。对10组数据进行拟合，如图8所示，拟合曲线表明抗拔群桩的最优桩间距在4D～5D之间，对应极值约为1.2。

图6 3D细砂群桩抗拔荷载-位移曲线

图7 群桩抗拔荷载-位移曲线

图8 群桩的抗拔群桩效应系数

　　4 结 论
　　（1）群桩的的抗压、抗拔荷载-位移曲线与单桩抗压、抗拔荷载-位移曲线形状类似，群桩的极限位移比单桩稍小。
　　（2）群桩的抗压群桩效应系数 大于1，最优桩间距为4D，对应的群桩效应系数约为1.2。群桩受压时，桩端阻力群桩效应系数大于侧摩阻力群桩效应系数。桩端阻力群桩效应系数的最优桩间距为5D，系数约为1.3；桩侧摩阻力群桩效应系数在3D时约为1.2。
　　（3）群桩的抗拔群桩效应系数大于1，与前人数值模拟的预测不同，这是因为本试验采用静压法成桩，群桩对桩侧砂土的挤密效应比单桩强烈很多。抗拔群桩的最优桩间距在4D～5D之间，系数约为1.2。
　　（4）桩间距为7D时群桩效应系数均趋于1，群桩效应基本可以忽略。
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