第六节 轴向抗压群桩的工作性状与群桩效应
虽然桩基总是采用群桩的方式，但有的情况下可按单桩看待，有的情况则不能，这取决于群桩在不同条件下的工作状态，而工作状态则是由地基土的性状、桩的支承方式（是端承桩还是摩擦桩）和桩距来决定的。就地基土壤和桩的支承方式而言，对桩尖进入较厚的且较密实的砂类土层、老黏土层、风化岩层等较好持力层的桩或其他端承桩，由于桩身摩擦力的扩散而产生的应力重叠作用影响较小，设计时可按单桩对待；对于砂性土中的打入桩，仍可按单桩对待。但对于在黏性土中或以黏性土为持力层的摩擦桩，当桩距小于6d（d为桩径）时，由于桩侧摩擦力的应力扩散作用，群桩中各桩传布的应力相互重叠，而群桩桩尖下的地基强度并不允许大于单桩的地基强度，因此黏性土中的群桩的平均承载力小于单桩；就沉降而言，由于群桩桩尖下应力传布深度比单桩深，所以群桩中每根桩所承受的荷载及时与单桩相等，群桩沉降也比单桩大。
一、群桩的工作性状
1.群桩受力机理
对于低承台式的高层建筑桩基而言，在建造初期，荷载总是经由桩土界面（包括桩身侧面与桩底面）和承台底面两条路径传递给地基土的。但在长期荷载下，荷载传递的路径则与多种因素有关，如桩周土的压缩性、持力层的刚度、应力历史与荷载水平等，大体上有两类基本模式。
（1）桩、承台共同分担，即荷载经由桩体界面和承台底面两条路径传递给地基土，使桩产生足够的刺入变形，保持承台底面与土接触的摩擦桩基就属于这种模式。
研究表明，桩-土-承台共同作用有如下一些特点：
1）承台如果向土传递压力，有使桩侧摩阻力增大的加强作用。
2）承台的存在有使桩的上部侧阻发挥减少（桩土相对位移减小）的削弱作用。
3）承台与桩有阻止桩间土向侧向挤出的遮拦作用。
4）刚性承台迫使桩同步下沉，桩的受力如同刚性基础底面接触压力的分布，承台外边缘桩承受的压力远大于位于内部的桩。
5）桩-土-承台共同作用还包含着时间因素（如固结、蠕变以及触变等效应）的问题。
（2）桩群独立承担，即荷载仅由桩体界面传递给地基土。桩顶（承台）沉降小于承台下面土体沉降的摩擦端承桩和端承桩就属于这种模式。
2.群桩地基的应力状态
群桩地基包括桩间土、桩群外承台下一定范围内土体以及桩端以下对桩基承载力和沉降有影响的土体3部分；群桩地基中的应力包含自重应力、附加应力和施工应力3部分。
（1）自重应力。群桩承台外在地下水位以上的自重应力实质上等于γh，地下水位以下的为γ′h。
（2）附加应力。附加应力来自承台底面的接触压力和桩侧摩阻力以及桩端阻力。在一般桩距［（3～4）d］下应力互相叠加，使群桩桩周土与桩底土中的应力都大大超过单桩，且影响深度和压缩层厚度均成倍增加，从而使群桩的承载力低于单桩承载力之和，群桩的沉降与单桩沉降相比，不仅数值增大，而且机理也不相同。
（3）施工应力。施工应力是指挤土桩沉桩过程中对土体产生的挤压应力和超静孔隙水压力。在施工结束后，挤压应力将随着土体的压密而逐步松弛消失，超静水压力也会随着固结排水逐渐消散。因此，施工应力是暂时的，但它对群桩的工作性状有一定影响：土体压密和孔压消散有效应力增大，使土的强度随之增大，从而使桩的承载力提高，但桩间土固结下沉对桩会产生负摩阻力，并可能使承台底面脱空。
（4）应力的影响范围。群桩应力的影响深度和宽度大大超过单桩，桩群的平面尺寸越大，桩数越多，应力扩散角也越大，影响深度范围也越大，且应力随着深度而收敛得越慢，这是群桩沉降大大超过单桩的根本原因。
（5）桩身摩阻力与桩端阻力的分配。由于应力的叠加，群桩桩端平面处的竖向应力比单桩明显增大，因此，群桩中每根桩的单位端阻力也较单桩有所增大。此外，桩间土体由于受到承台底面的压力而产生一定沉降，使桩侧摩阻力有所削弱，也使得群桩中的桩端阻力占桩顶总荷载的比例也高于单桩。桩越短，这种情况越显著。群桩荷载传递的这一特性，为采用实体深基础模式计算群桩的承载力和沉降提供了一定的理论依据。
3.双桩效应
（1）邻桩应力重叠系数（或折减率）As的确定。假定在黏性土中的桩为摩擦桩，忽略桩尖阻力，桩侧摩阻力沿桩身均匀分布，由于桩侧摩阻力的扩散作用，桩距小于6d的邻桩分布的应力互相重叠，致使邻桩桩尖处土受到的极限压应力比单桩大，从而引起桩的刺入破坏或过大的沉降。为了改善以上情况，则相邻的群桩中每根桩的平均承载力必须小于单桩的承载力，其减小的比例，可用邻桩传来的重叠应力σs与单桩桩尖最大应力σmax的比值As来表示
将式（2-6-1）高次项
略去，则As可简化为
式中 l——相邻桩的平均入土深度；
φ——土的内摩擦角，当成层土时，可近似地取桩入土深度范围内土的φ角的加权平均值；
s——桩距，以相邻桩平均入土深度的桩尖平面为计算平面处起算；
d——桩径或边长。
（2）双桩效率系数的确定。如图2-6-1所示的双桩，当距桩①的间距为s处打一桩②，在s＜6d（间距较近）时，则由于桩侧摩阻力的扩散作用，在桩①的桩尖下的轴线上产生应力重叠，增加一个桩②传来的重叠应力σs，但因通过单桩试桩知桩①底端处最大极限应力只能达到σmax，故桩①底端轴线处就因应力交叉而要减少一个σs的应力，不然将引起桩①的刺入破坏或过大的沉降，而该桩底端轴线处剩余的有效应力则为σmax-σs=（1-As）σmax。桩②又因桩①的影响，其底端轴线处同样因应力的扩散交叉，又要减少一个（1-As）Asσmax的应力，其轴线处剩余的有效应力则为σmax-（1-As）Asσmax，该桩底剩余的有效应力与单桩在同一条件下（同一土质桩径和入土深度）达极限荷载时桩底最大应力σmax之比。即为桩②的近似地效应系数
图2-6-1 双桩应力重叠与单桩应力比较图
依此类推，可导出双桩平均的效率系数E
式中As可按式（2-6-2）求得。对重要工程，或桩数较多、地层复杂的群桩，除做单桩的试桩外，尚应加做双桩的试桩，以便由试验求出实际的As。
二、群桩效应
由多根桩通过承台联成一体所构成的群桩基础，与单桩相比，在竖向荷载作用下，不仅桩直接承受荷载，而且在一定条件下桩间土也可能通过承台底面参与承载；同时各个桩之间通过桩间土产生相互影响；来自桩和承台的竖向力最终在桩端平面形成了应力的叠加，从而使桩端平面的应力水平大大超过单桩，应力扩散的范围也远大于单桩，这些方面影响的综合结果就是使群桩的工作性状与单桩有很大的差别。这种桩-土-承台共同作用的结果称为群桩效应。
群桩效应主要表现在以下几方面：群桩的侧阻力、群桩的端阻力、承台土反力、桩顶荷载分布、群桩沉降及其随荷载的变化、群桩的破坏模式等。
1.侧阻力的群桩效应
桩侧阻力只有在桩土间产生一定相对位移的条件下才能发挥出来，其发挥值与土性、应力状态有关。桩侧阻力主要受下列因素影响而变化。
（1）桩距影响。桩间土竖向位移受相邻桩影响而增大，桩土相对位移随之减小，如图2-6-2（a）所示。这使得在相等沉降条件下，群桩侧阻力发挥值小于单桩。在桩距很小条件下，即使发生很大沉降，群桩中各基桩的侧阻力也不能得到充分发挥。
由于桩周土的应力、变形状态受邻桩影响而变化，因此桩距的大小不仅制约桩土相对位移，影响侧阻发挥所需群桩沉降量，而且影响侧阻的破坏性状与破坏值。
（2）承台影响。贴地的低承台限制了桩群上部的桩土相对位移，从而使基桩上段的侧阻力发挥值降低，即对侧阻力起“削弱效应”，如图2-6-2（b）所示。侧阻力的承台效应随承台底土体压缩性提高而降低。
图2-6-2 群桩效应效果图
（a）大小桩距；（b）高低承台；（c）长短桩
承台对群桩上部-桩土相对位移的制约，还影响桩身荷载的传递性状，侧阻力的发挥不像单桩那样开始于桩顶，而是开始于桩身下部（对于短桩）或桩身中部（对中、长桩）。
（3）桩长与承台宽度比的影响。当桩长较小时，桩侧阻力受承台的削弱效应而降幅较大；当承台底地基土质较好，桩长与承台宽度比L/Bc＜1～2时，承台土反力形成的压力泡包围了整个桩群，桩间土和桩端平面以下土因受竖向压应力而产生位移，导致桩侧剪应力松弛而使侧阻力降低，如图2-6-2（c）所示。当承台底地基土压缩性较高时，侧阻随桩长与承台宽度比的变化将显著减小。
2.端阻力的群桩效应
群桩的端阻力不仅与桩端持力层强度与变形性质有关，而且因承台、邻桩的相互作用而变化。端阻力主要受以下因素的影响。
（1）桩距影响。一般情况下，端阻力随桩距减小而增大，这是由于邻桩的桩侧剪应力在桩端平面上重叠，导致桩端平面的主应力差减小，以及桩端土的侧向变形受到邻桩逆向变形的制约而减小所致。
持力土层性质和成桩工艺的不同，桩距对端阻力的影响程度也不同。在相同成桩工艺条件下，群桩端阻力受桩距的影响，黏性土较非黏性土大、密实土较非密实土大。就成桩工艺而言，非饱和土与非黏性土中的挤土桩，其群桩端阻力因挤土效应而提高，提高幅度随桩距增大而减小。
（2）承台影响。对于低承台，当桩长与承台宽度比L/Bc≤2时，承台土反力传递到桩端平面使主应力差（σ1-σ3）减小，承台还具有限制桩土相对位移、减小桩端贯入变形的作用，从而导致桩端阻力提高。这一点从高低承台群桩的对比试验中表现得很明显。承台底地基土越软，承台效应越小。
3.群桩沉降
在常用桩距条件下，由于相邻桩应力的重叠导致桩端平面以下应力水平提高和压缩层加深，因而使群桩的沉降量和延续时间往往大于单桩。桩基沉降的群桩效应，可用每根桩承担相同桩顶荷载条件下，群桩沉降量sG与单桩沉降量s1之比，即沉降比Rs来度量
桩效应系数越小，沉降比越大，则表明群桩效应越明显，群桩的极限承载力越低，群桩沉降越大。
群桩沉降比随下列因素而变化：
（1）桩数影响：群桩中的桩数是影响沉降比的主要因素。在常用桩距和非条形排列条件下，沉降比随桩数增加而增大。
（2）桩距影响：当桩距大于常用桩距时，沉降比随桩距增大而减小。
（3）长径比影响：沉降比随桩的长径比L／d增大而增大。
4.群桩的破坏模式
群桩的极限承载力是根据群桩破坏模式来确定其计算模式的。破坏模式的判定失当，往往引起计算结果出入很大。分析群桩的破坏模式应涉及到两个方面，即群桩侧阻的破坏和端阻的破坏。
（1）群桩侧阻的破坏。传统的破坏模式划分方法是将群桩的破坏划分为：桩土整体破坏和非整体破坏。整体破坏是指桩、土形成整体，如同实体基础那样承载和变形，桩侧阻力的破坏面发生于群桩外围，如图2-6-3（a）所示；非整体破坏是指各桩的桩、土间产生相对位移，各桩的侧阻力剪切破坏发生于各桩桩周土中或桩土界面（硬土）如图2-6-3（b）所示。这种破坏模式的分析实际上仅是桩侧阻力破坏模式的划分。
影响群桩侧阻破坏模式的因素主要有：土性、桩距、承台设置方式和成桩工艺。对于砂土、粉土、非饱和松散黏土中的挤土型（打入、压入桩）群桩，在较小桩距（Sa≤3d）条件下群桩侧阻一般呈整体破坏；对于无挤土效应的钻孔群桩，一般呈非整体破坏。对于低承台群桩，由于承台限制了桩土的相对位移，因此在其他条件相同的情况下，低承台较高承台更容易形成桩土的整体破坏。
对于呈非整体破坏的群桩误判为整体破坏，会导致总侧阻力计算偏低（桩数较少时除外），总端阻力计算偏高；当桩端持力层较好且桩不很长时，其总承载力会计算偏高，趋于不安全。
（2）群桩端阻的破坏。单桩阻力的破坏分为整体剪切、局部剪切、刺入剪切3种破坏模式，对于群桩端阻的破坏也包括3种模式。不过群桩端阻的破坏与侧阻的破坏模式有关。在侧阻呈桩土整体破坏的情况下，桩端演变成底面积与桩群投影面积相等的单独实体墩基，如图2-6-4（a）所示。由于基底面积大，埋深大，一般不发生整体剪切破坏。只有当桩很短且持力层为密实土层时才可能出现整体剪切破坏，如图2-6-4（b）所示。当存在软卧层时，可能由于软卧层产生侧向挤出而引起群桩整体失稳。
图2-6-3 群桩侧阻力破坏模式
（a）整体破坏；（b）非整体破坏
图2-6-4 群桩端阻的破坏模式
当群桩侧阻呈单独破坏时，各桩端阻的破坏与单桩相似，但因桩侧剪应力的重叠效应、相邻桩桩端土逆向变形的制约效应和承台的增强效应而使破坏承载力提高，如图2-6-4（b）所示。
当桩端持力层的厚度有限，且其下为软弱下卧层时，群桩承载力还受控于软弱下卧层的承载力。可能的破坏模式有：①群桩中基桩的冲剪破坏；②群桩整体的冲剪破坏，如图2-6-5所示。
5.群桩的效应系数
群桩效应通过群桩效应系数η表现出来。群桩效应系数η定义为
图2-6-5 群桩的冲剪破坏
群桩效应系数跟土质条件等许多因素有关。
（1）端承型桩的群桩效应系数。端承桩为持力层很硬的短桩。由端承桩组成的群桩基础，通过承台分配于各桩桩顶的竖向荷载，大部分由桩身直接传递到桩端。由于桩侧阻力分担的荷载份额较小，因此桩侧剪应力的相互影响和传递到桩端平面的应力重叠效应较小。加之，桩端持力层比较刚硬，桩的单独贯入变形较小，承台底土反力较小，承台底地基土分担荷载的作用可忽略不计。因此，端承型群桩中基桩的性状与独立单桩相近，群桩相当于单桩的简单集合，桩与桩的相互作用、承台与土的相互作用，都小到可忽略不计。端承型群桩的承载力可近似取为各单桩承载力之和，即群桩效应系数η可近似取为1。
式中 Pu、Qu——分别为群桩和单桩的极限承载力；
n——群桩中的桩数。
由于端承型群桩的桩端持力层刚度大，因此其沉降也不致因桩端应力的重叠效应而显著增大，一般无需计算沉降。
当桩端硬持力层下存在软下卧层时，则需附加验算以下内容：单桩对软下卧层的冲剪；群桩对软下卧层的整体冲剪；群桩的沉降。
（2）摩擦型桩的群桩效应系数。由摩擦桩组成的群桩，在竖向荷载作用下，其桩顶荷载的大部分通过桩侧阻力传递到桩侧和桩端土层中，其余部分由桩端承受。由于桩端的贯入变形和桩身的弹性压缩，对于低承台群桩，承台底也产生一定土反力，分担一部分荷载，因而使得承台底面土、桩间土、桩端土都参与工作，形成承台、桩、土相互影响共同作用，群桩的工作性状趋于复杂。桩群中任一根基桩的工作性状明显不同于独立单桩，群桩承载力将不等于各单桩承载力之和，其群桩效应系数η可能小于1也可能大于1，群桩沉降也明显地超过单桩。这些现象就是承台、桩、土相互作用的群桩效应所致。