基于PLAXIS 3D的砂土中群桩抗拔承载力评估与分析研究

《Canadian Journal of Soil Science》：Evaluation and analysis of pullout strength in pile group embedded in sandy soil using PLAXIS 3D

本研究针对地下及水工结构抗浮稳定性的核心问题，系统探究了空心铝管模型桩（单桩及2×1/2×2/2×3群桩）在砂土中的抗拔性能。通过改变桩长(L/d=24,30,36)和桩间距(S/d=3,4,5)，结合室内试验与PLAXIS 3D数值模拟，证实增加嵌固深度与间距可显著提升群桩抗拔承载力，为抗拔桩基优化设计提供了重要参数依据。

　　

在沿海地区的地下室、码头桩基等工程中，桩基础不仅要承受向下的压力，更常常遭遇巨大的上拔力——例如地下水位上升产生的浮力、风力引起的上拔荷载等。这种抗拔承载力直接关系到整体结构的安全稳定。特别是在砂土地层中，桩与土体的相互作用机制复杂，而群桩之间的相互影响更是让抗拔性能预测难上加难。传统设计方法往往依赖于经验公式，但面对复杂的群桩效应和不同的土质条件时，其可靠性面临挑战。如何准确评估群桩在砂土中的抗拔能力，成为岩土工程领域一个亟待解决的关键问题。

为了攻克这一难题，由Smita Tung领衔的研究团队在《Canadian Journal of Soil Science》上发表了他们的最新成果。他们以空心圆形铝桩为研究对象，通过精巧的试验设计和先进的数值模拟技术，深入揭示了砂土中群桩抗拔性能的内在规律，为相关工程的设计优化提供了科学依据。

本研究主要采用了模型试验与数值模拟相结合的技术路线。研究人员制作了外径为2.54 cm的空心铝桩，设置了60、75、90 cm三种长度，对应长径比(L/d)为24、30、36。在群桩配置方面，重点考察了2×1、2×2、2×3三种排列方式，间距比(S/d)控制在3、4、5三个水平。通过室内拉拔试验直接测量各组桩的抗拔承载力。同时，运用PLAXIS 3D这一专业的岩土工程有限元分析软件，建立与试验条件完全对应的三维数值模型，对桩土相互作用进行精细模拟，并将模拟结果与试验数据相互验证，确保研究结论的可靠性。

试桩设计与砂土制备

研究选用空心圆形铝桩作为模型桩，其外径统一为2.54 cm，通过变化桩长（60、75、90 cm）来实现长径比(L/d)分别为24、30、36的设计参数。砂土试样按照标准击实方法制备，确保土体密度保持一致，为试验结果的可比性奠定基础。

群桩配置与加载方案

针对群桩研究，团队设计了2×1（单排双桩）、2×2（四桩）和2×3（六桩）三种典型布置形式。关键参数间距比(S/d)设置为3、4、5三个等级，系统研究桩间距对抗拔性能的影响。所有试验均采用位移控制式加载方式，匀速上拔桩体直至破坏，记录完整的荷载-位移曲线。

PLAXIS 3D数值建模

为深入分析桩土相互作用机理，研究建立了与试验条件完全对应的三维有限元模型。模型准确模拟了铝桩的弹性性质、砂土的本构关系（采用摩尔-库仑模型）以及桩土界面特性。通过参数反分析，确定了最优的模型参数，为后续扩展分析提供基础。

试验与模拟结果对比

将PLAXIS 3D的数值模拟结果与室内试验数据进行比较，发现两者在破坏模式、极限荷载等方面高度吻合，验证了数值模型的有效性和准确性。这一方面说明数值模拟能够可靠预测群桩抗拔行为，另一方面也为进一步参数分析提供了信心。

嵌固深度对抗拔强度的影响

研究明确显示，随着桩的嵌固深度（即桩长）增加，无论是单桩还是群桩，其极限抗拔承载力均显著提高。当L/d从24增大到36时，抗拔强度提升幅度超过40%。这表明增加桩长是提高抗拔能力的有效手段，特别是在需要抵抗较大上拔荷载的工程中。

桩间距对群桩效应的调控作用

桩间距是影响群桩效率的关键因素。当S/d较小时（如S/d=3），桩间土体相互重叠，产生"群桩削弱效应"，即群桩的总抗拔力低于各单桩抗拔力之和。随着S/d增大至4-5，桩间相互作用减弱，群桩效率显著提升，甚至可能出现"群桩增强效应"。

群桩配置形式的承载力差异

对比不同配置形式发现，在相同桩数和嵌固深度条件下，2×3群桩（六桩）的抗拔承载力最高，其次为2×2群桩（四桩），2×1群桩（双桩）相对最低。这反映了桩数增加对提高总承载力的正面作用，但也需要结合间距因素综合考虑群桩效率。

本研究通过系统的试验和数值分析，证实了桩的嵌固深度和间距是控制砂土中群桩抗拔性能的两个决定性因素。随着L/d和S/d的增大，抗拔强度呈现规律性增长。PLAXIS 3D数值模拟与试验结果的高度一致，表明该软件能够有效预测群桩在砂土中的抗拔行为。研究成果以无量纲参数形式建立了抗拔强度与关键设计参数之间的相关关系，为工程师优化抗拔桩基设计提供了实用参考。这一工作不仅深化了对群桩抗拔机理的认识，更重要的是将先进的数值模拟工具与传统试验方法相结合，形成了一套可靠的分析方法，对提高地下结构、岸边工程等抗浮设计水平具有重要实践价值。