（岩土工程专业论文）建筑物桩基础负摩阻力特性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展和更新，桩基础由于其良好的受荷特性而作为建筑物的基 础日趋普遍。近十年来，港口、海岸与水利工程逐渐增多以及现代施工技术的不断进步， 桩基础越来越多地被应用到各种重要工程。在实际工程中，由于工程设计时未考虑桩基 负摩阻力的影响而出现建筑物不均匀沉降导致的倾斜、坍塌等现象仍旧较多。如今由于 桩基负摩阻力现象的普遍化、严重化以及特殊化，其已经被许多土木工程设计人员及学 者所重视。本文借助室内模型试验和数值模拟针对单桩以及群桩负摩阻力特性进行了比 较深入而系统的研究，得到了一些有益的结论。本文主要研究内容如下： 通过对端承和摩擦端承两个类型的单桩和群桩模型，在桩顶竖向荷载及桩周土大面 积堆载作用下的桩身负摩阻力性状进行了研究，得到桩顶荷载和桩周土堆载共同作用下 的桩基沉降、桩身轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力以及桩周土体固结沉降变化规律。本文 着重研究了不同桩数和不同桩间距条件下，4 桩及9 桩群桩桩端阻力、桩身轴力以及土 体沉降随固结时间的变化规律，加深了对群桩基础负摩阻力特性的认识。试验结果表明： 单桩以及群桩基础在桩周土堆载作用下，桩身负摩阻力具有明显的时间效应；群桩基础 负摩阻力具有明显的群桩效应；桩数、桩间距以及桩的位置都对桩身负摩阻力产生明显 的影响。 基于大型通用有限元计算软件a b a q u s ，建立桩土三维对称有限元模型；在根据 室内土工试验得到的合理的计算参数基础上，对部分模型试验进行进一步的数值模拟分 析，并且针对两种载荷顺序对负摩阻力的影响进行了分析。计算结果表明：数值分析结 果与试验结果在负摩阻力变化规律上基本吻合，表明在合理选取土体本构模型和计算参 数的条件下，有限单元法能有效地用于桩基负摩阻力特性分析。不同的载荷顺序分析结 果表明，桩顶荷载与桩周土堆载级别相同时，桩顶荷载先作用下的桩身负摩阻力明显大 于桩周土堆载先作用下的情况。 关键词：桩；负摩阻力；堆载；固结；有限单元法 建筑物桩基础负摩阻力特性研究 s t u d yo nn e g a t i v es k i n f r i c t i o nf o rp i l ef o u n d a t i o no f b u i l d i n g a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，p i l ef o u n d a t i o nh a sb e e nt h ei m p o r t a n tf o u n d a t i o n m o r ea n dm o r e p r e v a l e n t a si t st h eb e s tc a r r y i n gc a p a c i t y e s p e c i a l l y ，w i t hi n c r e a s i n go fp o r t s ， c o a s to rh y d r a u l i ce n g i n e e r i n ga n dt h ea d v a n c e m e n to fc o n s t r u c t i o n a lt e c h n i q u e ，p i l e f o u n d a t i o nh a sb e e nu s e di nm o r ea n dm o r ei m p o r t a n te n g i n e e r i n g h o w e v e r , b e c a u s eo f i g n o r i n gt h ee f f e c t i o no fn e g a t i v es k i nf r i c t i o n , t h e r ea l s ow e r em o r ea n dm o r ea c c i d e n t si n a c t u a le n g i n e e r i n g ；f o re x a m p l ei n c l i n eo rc o l l a p s ep h e n o m e n o nh a sh a p p e n e do nm a n y b u i l d i n g s 嬲t h ef o u n d a t i o n s 。u n e q u a l i t ys e t t l e m e n t a c t u a l l y ，t h en e g m i v es k i n f r i c t i o n p h e n o m e n o nw h i c hh a sb e c o m eg e n e r a l i z a t i o n ，s e v e r i t ya n ds p e c i a l i z a t i o nh a sb e e nr e g a r d e d b ym a n yd e s i g n e r sa n ds c h o l a r s s ot h i sp a p e rh a sc a r r i e dt h es y s t e m i cr e s e a r c ha i m i n ga t s i n g l ep i l ea n dp i l e sg r o u pf o u n d a t i o n s n e g a t i v es k i nf r i c t i o nw i t hm o d e lt e s ta n df e m m e t h o d sd e e p l y s o m es i g n i f i c a t i v ec o n c l u s i o n sh a v eb e e ng o tf r o mt h et e s t t h em a i n i n v e s t i g a t i o n sc o n s i s to ft h ef o l l o w i n gt w op a r t s ： b yt h er e s e a r c h i n go fn e g a t i v es k i nf r i c t i o n o ns i n g l ep i l ea n dp i l e sg r o u pf o u n d a t i o n u n d e rp i l eh e a d1 0 a da n ds o i ls u r f a c e1 0 a di nt w ok i n d so ft e s t ，e n d - b e a r i n gp i l e sa n d e n d - b e a t i n gf r i c t i o np i l e s ，s o m er e g u l a r sh a db e e ng o t t e nf o rt h el o a d s e t t l e m e n t ，a x a i ll o a do f p i l e ，f o r c eo np i l ee n da n dt h es e t t l e m e n to fd i f f e r e m ts o i ll a y e r s m sp a p e r h a v ee m p h a s i z e d t h en e g a t i v es k i nf r i c t i o nr e g u l a r so nt h ef o u ra n dn i n ep i l e sg r o u pf o u n d a t i o nf o rt h ed i f f e r e n t p i l e s n u m b e r ，s p a c i n go fp i l eg r o u p s ，a i m i n ga tg r o wo nt h ec o m p r e h e n s i o no fp i l e sg r o u p n e g a t i v es k i nf r i c t i o nm e c h a n i s m t h er e s u l t s h o w st h a tt h es i n g l ep i l ea n dp i l e sg r o u p f o u n d a t i o n s n e g a t i v es k i nf r i c t i o nh a v et i m ee f f e c t ；p i l e sg r o u pn e g a t i v es k i nf r i c t i o na l s o h a v ep i l e sg r o u pe f f e c to b 访o u s l y t h et e s ta l s os h o w st h a tn e g a t i v es k i nf r i c t i o ni sa f f e c t e db y d i f f e r e n tp i l e s n u m b e r , t h es p a c i n go fp i l e sg r o u pa n dt h el o c a t i o no fp i l e s e t t i n gu pt h ep i l e - s o i lf e m m o d e lb yu e s i n gt h es o f t w a r ea b a q u s ，a n dd e v e l o p i n g t h en u m e r i c a la n a l y s i sa b o u tt h ep a r tm o d e lt e s tw i t ht h ep a r a m e t e ro fs o i lw h i c hw e r e m e a s u r e di nt h el a b t h eo r d e ro ft w ok i n d s1 0 a de f f e c t i o nf o rt h en e g a t i v es k i n 伍c t i o nw a s d e v e l o p e di nt h ep a p e r t h er e s u l t ss h o w s t h a tt h en u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l ta l m o s tc o n s i s t e n t s w i t ht h em o d e lt e s t t h ef e mc o u l db eu s e di nt h ea n a l y s i so fn e g a t i v es k i nf r i c t i o n t h e o r d e re f f e e t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h en e g a t i v es k i nf r i c t i o nu n d e rp i l eh e a dl o a do c c u r r e d p r e c e d es u r f a c el o a di sl a r g e rt h a ns u r f a c e1 0 a do c c u r r e dp r e c e d ep i l eh e a d1 0 a d k e yw o r d s ：p i l e ：n e g a t i v es k i nf r i c t i o n ；s u r f a c el o a d ；c o n s o l i d a t i o n ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：套i 吐日期：卫坐上 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名缉咝=一 聊躲j 哮生 互堕年月上日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 桩基础是应用比较广泛的一种基础类型，也是最古老的基础之一。我国在桩基础应 用方面有着悠久的历史，古代有不少应用桩基础的建筑物，如杭州湾海塘工程、南京的 石头城、上海龙华塔等，至今情况良好。2 0 世纪初，桩基理论和技术有了突破的发展， 桩的应用范围进一步的扩大，出现了形形色色、花样繁多的桩型，如预应力钢筋混凝土 桩、高强度钢筋混凝土桩以及钢桩等。由于桩基在实际工程中具有比较大的整体性和刚 度，能承受很大的竖向荷载和水平荷载，稳定性好，沉降值小，能适应高、重、大的建 筑的要求，故采用桩基础作为建筑物的基础也就日趋普遍。尤其是近十年来，港口、海 岸和水利工程的逐渐增多以及现代施工技术的不断进步，桩基础也越来越多的被应用到 各种重要工程中【l 2 1 。 桩基础可按多种方法分类。按桩传力及作用性质，桩可分为端承桩和摩擦桩；按桩 的功能分，有受压桩、横向受荷桩、抗拔桩、锚桩、护坡桩等；按桩的制作和施工方法， 可以将桩分为预制桩和灌注桩。虽然桩基础已经被广泛地应用到建筑的各个领域，但直 到2 0 世纪6 0 年代，人们才开始对于桩基础有了更深入的研究，在1 9 9 5 年p o u l o s l 3 】等人 对桩基础进行了理论性研究，并对桩基础的分析方法分为三类，分别是经验方法、简便 的理论计算方法以及数值分析方法。 随着各种工程中应用桩基础的普遍化以及特殊化，针对桩基础的各个方面，包括桩 身材料、桩侧摩阻力、桩身轴力和弯矩等具体的研究也逐渐变得复杂而具有较高的难度； 应用各种研究手段为工程服务已经被许多土木工程设计人员以及学者所重视。 1 2 桩基负摩阻力研究的目的和意义 在桩基的设计过程中，建筑物荷载通过桩基础传递给地基，桩顶荷载由桩端土层抵 抗力和桩侧土产生的侧摩阻力来承担。如果桩基础置于压缩性较大的土层中，由于土体 的大面积沉降，桩基础会不同程度的受到负摩阻力影响。负摩阻力引起的下拉荷载会产 生进一步的桩端沉降和桩身压缩变形。如果在桩基础设计时不考虑或未充分考虑负摩阻 力的话，可能造成桩端地基的屈服破坏、桩身破坏以及结构物不均匀沉降。 如今国内桩基础设计中仍然大规模使用钢筋混凝土预制桩和灌注桩，由于设计中未 考虑负摩阻力的影响而出现建筑物不均匀沉降导致的倾斜、坍塌等现象仍旧较多。例如 哈尔滨市某住宅区取暖锅炉房因建在欠固结的杂填土上，使用6 个月后墙体和地面就出 现大量缝隙；日本东京湾某建筑在竣工后仅四年，在负摩阻力作用下产生极大的差异沉 建筑物桩基础负摩阻力特性研究 降而被拆除【4 】。在我国西北地区，湿陷性黄土广泛分布，在受到水浸润时土体沉降较大， 桩基产生负摩阻力的现象也比较明显t 。在沿海地区，地层中存在有层状的滨海或浅海相 的淤泥或者淤泥质粘土，负摩阻力问题的也尤其突出。 在我国各项建筑设计和施工规范中对负摩阻力的介绍也较为简单，给出的计算公式 也比较保守；比如公路桥涵地基与基础设计规范【5 】中规定“在软土层较厚，持力层 较好的地基中，桩基计算应考虑路基填土荷载或地下水下降所引起的负摩阻力的影 响，但是规范中并没有给出负摩阻力的详细计算公式，甚至对负摩阻力对路基的具 体影响也没有说明。如果我们在设计时忽视负摩阻力带来的危害或者对它重视不够，其 产生的下拉荷载就会使桩基础负荷过大产生危险。再如建筑桩基技术规范【6 】中关于 该规范规定由持力层种类确定一个值或一个值域，指出了厶应按桩周土沉降与桩沉降相 等的条件计算确定的原则，但未给出具体计算步骤。建筑地基基础设计规范 7 】中列有 当桩周土层产生的沉降超过桩基沉降时应考虑负摩阻力影响的有关条文，但未给出相应 的计算公式。所以诸多设计规范中给出的负摩阻力的计算公式多为经验公式，尽管公式 简单、易用，但由于考虑的因素单一，得出的仅为最大中性点深度，这种保守设计的方 法，给实际工程造成不必要的浪费。 在桩基础的实际工程中，除少量使用大直径灌注桩外很少使用单桩做建筑物基础， 一般为由多根桩和承台连接在一起的群桩基础。虽然群桩中地基土受荷状态与单桩特性 密切相连，但是由于群桩的桩一土之间相互作用复杂，把单桩的受荷状态套用群桩是明 显不合理的，所以对桩基础负摩阻力的研究具有十分重要的理论意义和实际意义。本文 先从单桩负摩阻力特性研究入手，通过对单桩负摩阻力研究，逐渐转移到群桩；通过多 组模型试验和数值模拟着重对单桩与群桩负摩阻力特性的差异进行分析计算，更好地理 解负摩阻力产生的机理，对合理的桩基设计以及实际工程准确应用都有着十分重要的意 义。 1 3国内外桩基负摩阻力研究现状 随着桩基础在工程建设中的广泛应用，桩基技术的研究也越来越受到重视。许多工 程中由于没有较好的考虑到负摩阻力的影响，其给桩基施加的下拉荷载引起桩基过大沉 降等严重的工程问题时有发生。深入研究桩土的相互作用，对于更好地理解桩基负摩 阻力的形成机理，充分发挥桩基潜力，以及桩基的合理设计具有十分重要的理论和实际 意义。尽管国内外对于桩基负摩阻力已经做了大量的研究工作，但是由于桩土体系是 一种非常复杂的力学体系，特别是现在的工程设计方法还仍然处于半理论半经验的，对 负摩阻力的问题的研究还不够深入，还有存在许多值得研究的问题。本文将桩基负摩阻 大连理工大学硕士学位论文 力的国内外研究现状进行如下小结。 1 3 1 现场试验 李光煜等【8 】利用滑动位移计成功地量测了一根位于深厚的饱和软粘土中的钢管桩的 负摩阻力，文中还对观测结果与土体沉降、地表水平位移及孔隙水压力资料进行了对比 分析。 张广林【9 】对西安地区渭河南岸的自重湿陷性黄土中单桩负摩阻力进行了现场试验， 对土体的湿陷量和桩基负摩阻力之间的关系以及负摩阻力计算的深度做了深入的研究， 确定了符合工程实际应用的单桩承载力。 陈福全等【l o 】对某高速公路的一座中桥桥台的直径为11 5m 的钢筋混凝土灌注端承 桩负摩阻力特性进行了现场试验。试验得出桩身应力与桩周土体沉降的变化规律，并给 出了中性点的深度、桩身轴力随桩深分布规律。 夏力农等【1 1 】对上部结构为五层框架结构的通用工业厂房中带负摩阻力基桩进行静 载检测，分析了负摩阻力发生的条件，比较了基桩荷载长期作用的实际工作状态与静载 试验条件下荷载短时间作用的工作性状之间的差异，指出常规的静载试验对于带负摩阻 力基桩的评价是偏于不安全的。 律田文等【1 2 】通过对软土地基中桥台桩基进行了现场试验，揭示了软土地区桥台路基 填土时，桥台基桩内力和负摩阻力的变化规律。试验说明不仅填土施工期间填土对桥台 桩轴力有影响，而且在施工完毕后的相当一段时间仍有一定的影响。由于负摩阻力的作 用桩身轴力随深度的增加先增大后变小，桩侧摩阻力沿深度线性变化。 徐兵等 1 3 对太浦河泵站变配电站地基中1 6 6 根部分桩身处于回填土中的钻孔灌注 桩负摩阻力特性进行了现场试验。试验过程中发现基桩不可能产生负摩阻力。从长期观 测的钢筋计测值推求桩身侧摩阻力成果看：在o 2 0 4 倍桩长范围内的上部桩身产生了 一定数值的负摩阻力，它主要由桩顶周围回填土体的固结沉降引起；负摩阻力呈上部大， 下部小的规律；地基土的变形未稳定前，中性点的位置也处于变化之中。 1 3 2 模型试验 s a w a g u c h i 等【】利用模型试验研究了斜桩负摩阻力性状。s h i b a t a ，s e k i g u c h i 等【1 5 】【1 6 】 利用群桩模型试验对竖直桩以及斜桩的负摩阻力性状进行了研究，并分析了沥青涂层对 减少负摩阻力值的作用。 m e h m e tu f u ke r g t m 等【l7 】使用螺杆锚为模型桩，采用三角形群桩和3x 3 模型群桩等 形式得到了下拉荷载和桩侧负摩阻力的分布情况，并给出了下拉荷载的经验公式。 建筑物桩基础负摩阻力特性研究 吴一伟等【1 8 】利用室内模型试验研究了砂土液化后，由于固结沉陷引起的桩侧负摩阻 力与地面沉陷之间成良好的线性关系，推导并给出了由于砂土液化引起的桩基的负摩阻 力的计算公式。 谢耀峰【1 9 】以湛江港高桩码头所用工程桩为原型制作模型桩，采用模型试验的方法来 研究港v i i 程中桩基的负摩阻力问题，得出桩基下拉荷载和桩侧负摩阻力分布情况，并 给出了计算下拉荷载的经验公式。 陆明生等 2 0 】通过对粘土中单桩负摩阻力的模型试验研究及有限元分析，在结合 t e r z a g h i 与k e r i s e l 总应力法基础上，参考国内外研究资料提出了估算单桩下拉荷载的经 验公式。 周国庆等【2 1 】利用室内模型试验分析了单桩负摩阻力与饱和中砂融沉沉降位移的关 系。试样颗粒骨架表面位移可分为近似线性和非线性两部分，单桩负摩阻力随融沉过程 呈良好的线性关系，但在两阶段中负摩阻力产生和增加的机理不同。 1 3 3 计算分析方法 ( 1 ) 极限分析方法 j o h a n e s s e n 与n e n - u m t 2 2 】提出了利用有效应力计算负摩阻力的方法，这种方法公式 简单、便于应用，但仅适于桩土相对位移较小的情况；该方法计算所得的结果往往偏大。 此外，计算要涉及到的重要参数( 中性点的位置) ，往往是用经验方法确定的。 ( 2 ) 荷载传递法 荷载传递法能较准确、方便地考虑桩土相互作用的非线性以及土的成层性，用于 单桩沉降及桩侧摩阻力计算效果较好。荷载传递法的基本概念是把桩划分为许多弹性单 元，每一单元与土体之间( 包括桩端) 都用非线性弹簧联系，以模拟桩土间的荷载传 递。荷载传递法是一种概念简单、应用方便的单桩沉降分析计算方法，每个单元与桩周 介质边界上的剪切应力只与该单元处的位移有关，与其它离散单元的受力和变形状态无 关 2 3 1 ，分析如下： 取深度z 处的微小桩段出，由力的平衡条件可得： 联立式( 1 1 ) ，式( 1 2 ) 可得： ( 1 1 ) ( 1 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 q 4 警刊删 ( 1 3 ) 式中，q 为桩身轴力；r 为桩侧摩阻力； 彳。为桩身横截面面积；e 。为桩身弹性模量； u 为桩身周长：s 为桩轴向位移。 式( 1 3 ) 即为荷载传递法的基本微分方程【2 4 1 。 通过建立s r 之间的关系式，即可求解以上荷载传递方程，并可以得到竖向荷载作 用下桩侧摩阻力和桩身轴力的分布以及桩身各个截面的位移。其中描述桩土摩擦力和相 互位移的s f 关系式，即称之为荷载传递函数。确定荷载传递函数的方法通常有两类： 一是假定荷载传递函数为某种固定类型的曲线关系，二是通过室内或者现场试验实测来 确定。 s e e d 与r e e s e 在1 9 9 5 年首先提出荷载传递法的机理【2 5 1 ，对桩土相互作用做了深入 分析，提出了使用十字剪切板现场试验的方法来确定荷载传递函数，此文为以后的荷载 传递函数的发展奠定了坚实的基础。 k e z d i 假定荷载传递系数为指数曲线：佐藤悟在1 9 6 5 年采用线弹性理想塑性的双 折线模型荷载传递函数得到了比较完整的竖向荷载作用下单桩的曲线：随后的二十年 中，c o y l e & r e e s e ，p o o r o o s h a s b ，g a r d n e r 等人把荷载传递法继续发展下去，出现了以下 五种传递函数的模型：理想弹塑性模型，硬化模型，双曲线模型，指数模型以及软化 模型【2 6 1 。 曹汉志【2 7 】对桩竖向荷载和沉降曲线的分析后，认为荷载传递函数为双曲线模型，从 实用的角度出发，将传递函数简化为弹性全塑模型，实用5 个参数来描述荷载传递函 数，并与现场试验进行了对比，结果具有一致性。 周国林【2 8 】采用弹性一全塑模型的荷载传递函数，提出了单桩负摩阻力的力学计算模 型。该模型可以计算端承桩、摩擦桩以及摩擦端承桩的负摩阻力，而且可以考虑分层地 基中桩基负摩阻力的计算，并引出太沙基一维固结理论，建立了单桩负摩阻力随地基固 结时间的变化规律，利用收敛较快的“桩头位移假设法证明了其计算方法可以计算固 结中任意时刻的负摩阻力。 屠毓敏等【2 9 利用太沙基一维固结理论和土层分层总和法得出堆载作用下土层沉降 随着土体深度和固结时间地变化，从而建立了非均质地基中负摩擦桩的荷载传递的微分 方程，得到均质地基中桩基负摩阻力微分方程的解析解，并利用有限差分法计算了在非 线性特性地基土中桩基负摩阻力的情况。 建筑物桩基础负摩阻力特性研究 赵明华等【3 0 】对佐藤悟提出的双折线模型进行了改进，在考虑土体分层的情况下，推 到出适合任意地基土体沉降曲线的单桩负摩阻力的分段解析解；并结合工程实例说明其 方法可以准确的描述桩基负摩阻力地传递过程，计算简便，参数容易得到，是一种可行 了负摩阻力分析方法。 陈仁朋等【3 l 】在总结前人对荷载传递法的研究结果基础上，改进反应桩土界面荷载传 递性状的双曲线模型，该模型可以描述随着地基土的固结，桩侧土体初始剪切刚度随时 间增长及桩土界面的加载、卸载循环剪切特性。 ( 3 ) 弹性理论和弹塑性理论法 弹性理论法是根据桩身截面位移与相邻的土层位移相等来建立线性方程组求解桩 身负摩擦力的分布；基本原理为假设桩被插入一个理想均质、各向同性的弹性半空间体 内，其弹性模量和泊松比不因桩的存在而变化，桩侧完全粗糙、桩底平滑，并认为桩土 界面能保持弹性接触和位移协调，即桩土之间无相对位移；求解基本上都是以使用 m i n d l i n 公式分析荷载作用下桩基的位移以及桩身荷载传递。由于基于弹性理论的方法 很难考虑桩土相互作用界面滑移机理，后来对弹性理论法进行诸多改进后，可以考虑土 体的连续性、桩桩相互作用以及桩土界面滑移接触的问题，较荷载传递更为合理，但 此方法主要适用于固结性土和膨胀土【3 2 】。 p o u l o s 与m a t t e s 3 3 】于1 9 6 9 年基于m i n d l i n 解，提出了弹性理论计算负摩阻力的方法。 为了满足桩尖边界条件，采用了镜像单元( m i r r o r - i m a g ee l e m e n t ) 的处理手段，因此该法 仅适用于端承桩。p o u l o s d a v i s 3 4 】在上述方法的基础上根据太沙基一维固结理论，导 出了单桩负摩阻力与时间的关系。 k u w a b a r a 与p o u l o s 3 5 】假定群桩中所有的桩具有相同的荷载、相同的几何尺寸及桩 间距情况，借助对两桩桩群的分析，得出了两桩相互作用系数，并利用叠加原理及对称 性对群桩进行了分析。c h o w 等 3 6 】采用弹性桩土界面方法计算下拖力在桩群中的分布。 t e h & w o n g 2 4 】考虑了桩土滑移，滑移时用极限界面应力来表示，并改变了以往计算中 的增量方法而采用迭代法，具有较好的收敛性。 王建华等【3 7 舶】利用b l o t 固结理论和积分方程方法研究了桩在表面圆形载荷作用下 的负摩擦问题，应用积分变换方法得出了单桩以及表面有堆载的群桩在圆形分布载荷作 用下在时间域内的第二类f r e d h o l m 积分方程，求解上述积分方程并进行相应的数值逆 变换即可得单桩以及群桩在表面载荷作用下桩的变形、轴力以及桩侧摩阻力随时间的变 化情况。 高绍武等【”】利用b i o t 固结理论和积分方程方法研究了表面有堆载的层状地基中单 桩负摩擦问题，进行相应的积分变换求解相应的积分方程，得出层状地基中的单桩在表 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 面圆形均布载荷作用下的位移、轴力、孔隙水压力和桩侧摩阻力随时间的变化情况。计 算结果表明，桩侧剪力和孔压分层明显。 ( 4 ) 经验公式估算负摩阻力法 有效应力法是计算负摩阻力最常用的方法，也是最接近实际情况的一种方法，其计 算方法如下： f = 七t a i l 戚( 1 4 ) 式中： 七为侧压力系数； 万为土体内摩擦角； 一为桩侧土的有效应力，其计算方法为： 瓦= z f ，降低地下水位时； t = p + r l z ，地面有满布荷载时： 为第嘱土层底以上桩周土按厚度计算的加权平均有效重度； z 为自地面起算的第馄土中性点深度； p 为地面均布荷载。 然而从有效应力法中可以看出，负摩阻力大小应该随深度逐渐增大，这明显与实际 工程得到的结果相反，经过分析得到该方法是计算负摩阻力的极限值，是工程设计中的 保守估计。利用有效应力法计算的负摩阻力往往偏大，但从安全方面考虑，有效应力法 还是广泛地被研究人员所采用。 对于软粘土层，按下列公式计算 f = 吼2 或f = q ( 1 5 ) 式中：吼为土的无侧限抗压强度； e 为土的不排水抗剪强度，采用十字板现场测定。 对于砂土层，按下列公式计算 f = n 5 + 3 ( 1 6 ) 式中：n 为标准贯入击数度【1 司； g a n - c h e n0 6 1 8 l( 1 7 ) 建筑物桩基础负摩阻力特性研究 在对国内外大量试桩资料的分析研究中，证实桩的中性点就位于0 6 1 8 l 处。由o 6 1 8 和0 3 8 2 这对规律数字建立起g a n - c h e n 模式t 4 0 。 1 3 4 计算机数值模拟方法 随着计算机的发展，人们开始用数值方法来分析负摩阻力的问题，如有限单元法、 有限差分法等，并且随着各种有限元软件的不断开发和更新，越来越多的科研工作都利 用数值方法模拟真实情况下桩基受荷性状。这类方法可较全面地模拟桩土相互作用机 理，也考虑到影响桩基负摩阻力的许多因素，并且取得了一定成果。 2 0 世纪7 0 年代，w a l k e r 与d a r v a l l t 4 1 】采用有限单元法计算了一个桩基负摩阻力的 实例，计算结果与现场实测值基本吻合。 w o n g 与t e h e 2 4 】在1 9 9 5 年在桩土相互作用界面出引入双曲线弹簧来表征桩土之间的 相互作用，建立了成层地基土体中单桩负摩阻力数值计算模型。 c h o w 等 4 2 】建立了群桩负摩阻力简化的数值计算模型；j e o n g 等 4 3 1 采用三维有限元 法计算群桩负摩阻力，其中土体采用扩展的d r u c k e r p r a g e r 屈服准则，采用非关联流动 法则；后来j e o n g 等】又采用大型有限元软件a b a q u s 对桩基负摩阻力，桩身下拉荷 载以及桩一土界面滑移对负摩阻力的影响进行了重点分析。 施建勇等【4 5 】用有限元法对香港地区桩的负摩擦力进行了研究，采用邓肯张模型和 修正剑桥模型，并设置了古德曼接触面单元，计算结果与实测数据较吻合。同时，论述 了在桩的负摩擦分析中考虑土的弹塑性特性及接触面单元的必要性。 陈福全等【4 6 】对某高速公路的一座中桥桥台的直径为1 1 5m 的钢筋混凝土灌注端承 桩负摩阻力特性进行了现场试验，给出中性点的深度、桩身轴力随桩深分布规律，针对 该试验工程实例，采用三维有限元进行了数值模拟，将模拟结果与实测结果进行比较， 两者有较好的一致性。 袁灯平等h 7 】考虑软土地基中桩土体接触面效应，建立了桩土体相互作用分析三维非 线性有限元模型，并重点模拟分析了某典型软土地区桩土荷载传递性状以及桩体特性、 土体特性、桩土接触面参数、土体结构性及堆载等因素对负摩阻力的影响规律。 1 4 本文的主要工作 目前对桩基负摩阻力特性的研究与分析结果虽然在工程和理论方面有很强的理论 意义与实际价值；但是有些具体的影响因素还是没有涉及，一些估算的理论还尚未成熟； 而在实际工程应用上往往采用加大安全系数的方法来处理桩基的负摩阻力的问题。本溥 在总结前人已有的对桩基负摩阻力研究的基础上，以室内模型试验和有限单元法为手段 大连理工大学硕士学位论文 来研究桩身负摩阻力、下拉荷载的分布以及中性点位置沿桩身变化等问题。研究工作主 要包括如下三个方面： ( 1 ) 对室内模型试验方法和相似理论进行了简单介绍；自主设计了单桩以及群桩负 摩阻力模型试验方案，制作了模型试验测试装置和模型桩，用来模拟单桩和群桩基础在 受竖向荷载以及大面积地面堆载下的基本工作性状。 ( 2 ) 对试验结果进行了整理、分析，研究单桩以及不同数量群桩以及不同桩间距情 况下桩基础荷载与沉降的关系、土体固结沉降、桩身侧摩阻力分布、桩身轴力和下拉荷 载的分布以及桩身中性点位置的变化等问题，得到了一些规律性的、有价值的结论。 ( 3 ) 应用大型有限元分析软件a b a q u s ，对部分模型试验进行了模拟分析研究，并 与模型试验结果进行对比，得出有益结论；最后利用有限元分析了不同载荷顺序对桩基 负摩阻力的影响。 建筑物桩基础负摩阻力特性研究 2 桩基负摩阻力基本理论 2 1 负摩阻力的概念 当桩周土体由于某种原因产生超过桩身沉降的下沉时，作用于桩身向下的侧摩阻力 力即称为桩的负摩阻力，而桩土间的相对位移则是引起桩侧摩阻力的直接原因。桩身 某截面沉降量大于该截面桩侧土体沉降量时，桩侧摩阻力方向向上，其值为正；反之， 桩侧摩阻力方向向下，桩身承受负摩阻力作用。因此桩基负摩阻力的本质原因是出现桩 周土体沉降大于桩身沉降的相对位移。桩基础按受荷情况基本可以分为摩擦桩和端承桩 两大类。当桩基为摩擦桩，在桩身分布负摩阻力时，一般存在中性点，即该深度处桩土 相对位移为零，桩侧摩阻力为零，该处桩身轴力为最大，也同样是桩身最危险的部位。 当桩基为端承桩，那么在桩土体系中，只有土体存在沉降，也就是沿桩身全为负摩阻 力的情况；这种情况一般是桩身穿透软土地基后，桩端位于几乎不压缩的持力层，如卵 石和基岩石等，基本不存在中性点或者是位于桩身的底部。 上 ： f 7 j ，二 正 ， f 孽 工 j ：三! j ff ：7 ：j ，j 一 f ，一， 2 - ， ： ， ， ， ： 愣负 t ， ： ， ， ，。： i l f f 愣 ： ( a )( b )( c ) ( d ) 图2 1 堆载作用下桩基负摩阻力示意图 f i g 2 1 s k e t c ho fn e g a t i v es k i nf r i c t i o no fs i n g l ep i l eu n d e rs u r f a c el o a d 如图2 i ( a ) 所示，桩长为l ，桩项荷载为q ，桩周地面堆载为q 。图2 i ( b ) 所示， 当桩身的沉降大于桩周土体的沉降时，桩侧土体对桩产生竖直向上的摩阻力，并且其承 担一部分桩身荷载，。即为正摩阻力，其桩基承载力的一部分；图2 1 ( c ) 所示，当桩基为 端承桩时，在堆载作用下碡塑土体沉降大于桩体沉降，桩侧土体对桩体产生向工笪糜阻 妙当于给桩基施加一部分附加荷载。图2 1 ( d ) 所示，在桩体上部，桩身沉降大于桩 大连理工大学硕士学位论文 前段? 周土体沉降，土体对桩产生向下的摩阻力，为负摩阻力；。在桩体下部，桩周土体沉降大 于桩身沉降，土体对桩产生向上的摩阻力，为正摩阻力；而桩体沉降和土体沉降相等之 处即为中性点位置，也是正负摩阻力变化的地方。 2 2 负摩阻力产生的原因 在正常情况下，桩侧土体对桩基础产生与桩体位移方向相反的摩阻力就是正摩阻 力，但是当土体在其自重作用下尚未固结完毕，或者由于其他原因造成土体的沉降继续 发展，在桩侧表面的全部或一部分面积上将出现向下作用的负摩阻力。由于在桩身表面 产生负摩阻力，使桩侧土的一部分重量传递给桩。因此，负摩阻力不但不能成为桩竖向 承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载。桩侧产生负摩阻力的原因大致有以下 几个方面： ( 1 ) 桩穿过欠压密的软粘土或新填土，而支承于较坚硬的土层( 硬粘性土、中密沙 土砾卵石层或岩层) 时； ( 2 ) 桩周软土的表面有大面积堆载或新填土时； ( 3 ) 由于从软弱粘性土下面的透水层中抽水或其他原因，使地下水位全面下降，土 中有效应力增大，从而引起桩周土下沉时； ( 4 ) 在饱和粘性土地基中，打入密集桩群，群桩施工结束后，孔隙水消散，隆起的 土体逐渐固结下沉，若桩尖持力层较硬，会引起负摩擦力； ( 5 ) 桩设置在易受环境影响( 浸水、解冻、动力振动或地震) 而沉陷或重新固结而 大量下沉的地层( 自重湿陷性黄土，季节性冻土层或可液化土层) 的地基中，当受水浸湿， 融化或受振液化导致地基土大量下沉时； ( 6 ) 设在膨胀土地基中的桩基础；由于膨胀土是低压缩性土，其固结压缩变形小， 且在建筑物竣工时己基本完成，因此膨胀土桩基中土的固结压缩变形不是主要的，而主 要是受周期性季节气候变化影响的胀缩变形： ( 7 ) 城市建设过程中出现的环境岩土工程问题引起的桩周土体沉降也可能产生桩基 负摩阻力【4 8 】。 2 3 影响负摩阻力的因素 负摩阻力的分布与变化都是较为复杂的问题，桩体沉降和桩周土体沉降的大小、 土体固结沉降速度以及土体固有物理性质等都对负摩擦力大小和分布有明显的影响。 其主要因素有：桩一土相对位移、土的成分、抗剪强度、压缩性以及桩的倾斜度等。纯 粘土或含少量砂的粘土，负摩阻力较小；砂土成分较多时，负摩阻力就会显著增大。 建筑物桩基础负摩阻力特性研究 土体的抗剪强度越高，负摩阻力极限值越大；土体越厚，负摩擦力越大；土体的压缩 性越大，固结沉降速度越快，负摩阻力越大；地基土的含水率降低，负摩阻力就会增 大，反之负摩阻力就会降低。桩的倾斜度影响也较为显著，斜桩受到的负摩阻力要比 竖直桩大，当桩的倾斜度大于l ：1 0 时尤为明显【4 9 1 。决定负摩阻力的最主要因素还是 桩一土之间的相对位移。当桩体没有发生沉降，仅桩周土体产生沉降，这时桩侧产生的 负摩阻力最大；当桩体与土体均有沉降，但桩体的沉降小于土体的沉降量时，就会产 生相应的负摩阻力；当桩体与桩周土体的沉降量相等时，桩一土相对位移为零，桩侧则 不产生摩阻力，也就是负摩阻力最小的情况。 2 4 中性点的位置 一 t 丁一 ， ，虐 ? 7 j 点 t。： ， l 乒， ，。一j 上 ，： j ， ： f j ；，： 雾。 i 垂 l ， f j 舅 雾 。i 叁 ， = 性 了点 7 ， 犀 上-， ? 。? 阻 ! q ( a )伯1f c 、 图2 2 桩基负摩阻力中性点示意图 f i g 2 2 s k e t c ho f n e u t r a lp o i n to nn e g a t i v es k i nf r i c t i o no f p i l ef o u n d a t i o n 桩侧产生负摩阻力的直接原因是桩一土之间产生相对位移，但是这种对工程产生不 利影响的负摩阻力并不是存在于整个高压缩性软土地基中的整个桩身。桩体沉降由于桩 顶荷载的施加以及桩体本身的压缩变形而产生，桩周土体沉降由于自身的固结以及桩周 土堆载作用而产生。正常情况下，在桩顶荷载作用下，桩体沉降趋于定值，而桩周土体 的沉降固结时间的增加也趋于稳定，但是随着深度的增加而逐渐变小。桩一土体系中必 会存在某一深度处桩身的沉降与周围土体沉降相等，也就是桩周土与桩之间没有发生相 对位移，这时负摩阻力为零。在该深度以上，桩身所受的是负摩阻力；在该深度以下， 桩身所受的是正摩阻力；正负摩阻力变换处的位置称为中性点。 大连理工大学硕士学位论文 如图2 2 所示，中性点是桩土相对位移、正负摩阻力变化以及桩身轴力沿深度变化 的特征点。桩身轴力由桩顶荷载和下拉荷载构成，中性点以上由于负摩阻力的存在，桩 身轴力从桩顶到中性点位置不断增大，到中性点位置为轴力的峰值；而中性点以下由于 正摩阻力的发挥桩身轴力又逐渐减小。中性点位置决定桩体的最大荷载，是承受负摩阻 力桩最基本的一个特性，说明中性点有三个特征：所在断面处桩土位移相等、摩阻力为 零、桩身轴力最大。 2 5桩基负摩阻力的时间效应及群桩效应 如果负摩阻力是由桩周土体的固结沉降而产生的桩土相对位移所引起的，那么负 摩阻力的产生和发展必然要经历一段时间过程。这一过程的长短取决于桩周土固结完成 的时间和桩身沉降所完成的时间，当后者先于前者完成时，则负摩阻力达峰值后稳定不 变；反之则负摩阻力达峰值后又会有所降低。发生固结的土体越厚，渗透性越低，负摩 阻力达峰值所需时间越长，例如软粘土等。在不同的土层中，固结系数的不同以及地下 水位的变化直接影响着桩负摩阻力的大小，中性点位置。 正常情况下，桩基础是以群桩基础方式应用到实际工程之中的。因为群桩和单桩的 工作状态有很大的不同，所以用单桩的受荷理论来解释桩距较小的群桩是不合适的。和 承受正摩擦力的群桩一样，承受负摩阻力的群桩也具有特殊的群桩效应。桩距较小的群 桩中，若群桩中各桩表面单位面积所分担的土体重量应小于单桩的负摩阻力极限值，将 导致群桩内基桩负摩阻力降低，也就是说平均每根桩负摩阻力比单根桩小；群桩中作用 于边桩和角桩的负摩阻力大于中心桩上的负摩阻力，这就是负摩阻力的群桩效应 删。由 于群桩土体的复杂的共同作用，使得群桩内中间桩的桩土相对位移减少，从而使内部 桩段上的负摩阻力大大减弱甚至消除，导致桩体的中性点上移，降低了群桩的总体负摩 阻力。目前，国内外对承受正摩阻力的群桩效应问题还没有完全解决，再加上近年来大直 径超长桩及超大规模群桩基础的出现，对承受正、负摩阻力的群桩的研究均提出了新的 更高的要求和挑战。 2 6 减小负摩阻力的方法 负摩擦力的产生使得上部荷载加大，并增加了桩基础的沉降，给上部建筑的稳定带 来了隐患，因而如何减小负摩阻力甚至消除负摩阻力就成了迫在眉睫的问题。经过多年 的工程经验总结，以下的几种处理的方法为可以减小负摩阻力，明显的改善桩基承载能 力