（地质工程专业论文）桥背高填土对桥台桩基的作用研究.pdf

摘要 摘要 文中综述了国内外在桥背高填土对桥台桩基作用方面的最新研究成果，包 括理论推导、现场及模型试验和有限元数值计算等方面，对桥背高填土对桥台 桩基作用研究的理论与方法做了系统的整理和探讨，并提出了自己的一些看法。 其研究成果将对我国公路、铁路等工程项目巾桥梁工程建设具有重要的参考价 值和指导意义。本文围绕这一课题，主要完成了如下研究工作： 总结了在建和己建工程中出现的病害或问题的类型，并系统研究了造成这 些病害的原冈，并简单提出了一些防治措施。 在桥背高填土路堤对桥台桩基作用方面，分析总结前人研究成果，并在此 基础上从理论，卜和经验上提出了台后填土自重对桩基产生的附加应力计算方 法、桥台桩基单位负摩租力和下拉荷载的计算方法；重点探讨了土体对桩基侧 向土压力的计算模型和方法，引进力法并结合弹性地基梁理论建立了桩身侧压 力平面计算模型，并提出阐述了一个改进的桥台桩基侧向十压力计算方法。 有限元数值计算方面，结合某工程实例，使用a b a q u s 有限元软件建立了 等效简化的二维桥台桩基计算模型，分三种工况对桥台桩基进行了计算分析， 以研究桩周土对桥台桩的负摩阻力及侧压力作用，并采用对比研究的方法验证 了台后轻质材料填土和台前填土反压两种病害消除措施的有效性。 关键词：桥背高填土，桥台桩基，病害，负摩阻力，桩身侧压力计算模型与方 法，有限元计算，a b a q u s a b s t r a c t a b s t r c t t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ed o m e s t i ca n de x t e m a ln e w e aa c h i e v e m e n t so n t h er e s e a r c ho ft h eb a c kf i l lo nb r i d g ea b u t m e n ta c t i o no np i l e s ，i n c l u d i n gt h e o r y a n a l y s i s ，f i e l do rl a b o r a t o r ym o d e lt e s ta n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c o n d u c t i n ga s y s t e m i cs t u d ya n dd i s c u s so nt h er e s e a r c h i n gt h e o r ya n dm e t h o do ft h eb a c kf i i lo n b r i d g ea b u t m e n ta c t i o no np i l e s ，a n dp r o p o s i n gs o m eo p t i o n so fm y s e l f r e s u l t so f t h i sd i s s e r t a t i o nw i l lh a v ei m p o r t a n tr e f e - f e n c ev a l u ea n dt h es o c i a le f f i c i e n c yt ot h e s o f t - s o i lb r i d g ee n g i n e e r i n gs u c h 觞t h eh i g h w a yr a i l r o a d so ft h ec o u n t r y t h i s d i s s e r t a t i o nr e v o l v e st h i st o p i c ，m a i n l yh a s c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r l ( ： s u m m a r i z i n gt h e k i n do fe n d a n g e ro r p r o b l e mo c c u r r i n g t ot h eu n d e r c o n s t r u c t i o no rb e e nb u i l ts t r u c t u r e s ，r e s e a r c h i n gi t sc a u s i n gf a c t o r ss y s t e m a t i c a l l y , a n dp r o p o s i n gs o m ep r e v e n t i o na n dc u r em e a s u r e sb r i e f l y f o rt h ea s p e c to ft h eb a c kf i l lo nb r i d g ea b u t m e n ta c t i o no np i l e s b a s e do nt h e r e s u l t so fp r e v i o u ss t u d i e s ，t h e o r e t i c a l l ya n db ye x p e r i e n c et h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g s f o r w a r dc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ea d d i t i o n a ih o r i z o n t a ls o i ip r e s s u r eo np i l ec a u s e d b yt h ed e a d w e i g h to f t h ef i l l i n gs o i lb a c ko f t h eb r i d g ea b u t m e n t ，c a l c u l a t i o nm e t h o d o ft h en e g a t i v ef r i c t i o na n dp u l l - d o w nl o a do np i l e db r i d g ea b u t m e n t s ；s t u d y i n go n m e c h a n i c a lm o d e la n dc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h el a t e r a lb e a n n ga b u t m e n t p i l e s f o u n d m i o no i ls o f tg r o u n ds t r e s s l y , i n t r o d u c i n gf o r c em e t h o da n dc o m b i n i n gw i t h f o r c em e t h o dt oe s t a b l i s hap l a n em o d e lo fs o i ll a t e r a lp r e s s u r e ，a n dp r o p o s i n ga i m p r o v e dm e t h o do f s o i li m e r a lp r e s s u r ec a l c u l a t i o n f o rt h ea s p e c to ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c o m b i n i n gw i t hap r a c t i c a lp r o j e c t ， e s t a b l i s h i n gae q u i v a l e n t s i m p l i f i c a t i o nf i n i t ee l e m e n tp l a n em o d e lb ya b a q u s m a k i n ga n a l y s i so f a b u t m e n tp i l e si nt h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n st op r o b et h ep i l e - s o i l i n t e r a c t i o no fb r i d g ea b u t m e n t ，a n dv e r i f y i n gt h ee f f i c i e n c yo f t h et w op r e v e n t i o na n d c u r em e a s u r e s ：b a c kf i l lw i t h l i g h t w e i g h tm a t e r i a l ；f o r e f i l lt o p r o v i d ec o u n t e r p r e s s u r e a b s t r a c t k e yw o r d s ：b a c k - f i l i ，a b u t m e n tp i l e s ，e n d a n g e ro rp r o b l e m ，n e g a t i v ef r i c t i o n ，s o i l l a t e r a lp r e s s u r eo np i l e s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a b a q u s 1 1 1 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：堑蛊锄 如7 年么月1 3 - e t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：焚壶鹚 工口矿7 年7 - 月f 卵 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着经济建设的快速发展，我国高速公路建设也进入了一个前所未有的高 速发展阶段。我国的公路建设特别是高等级公路建设正处于高速发展时期，根 据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到2 0 1 0 年，国家高 速公路网总体上实现“东网、中联、西通的目标；到2 0 3 0 年，国家将斥资两 万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使我国高速公路里程达到8 5 万公里。可以 说，我国高速公路业正处在产业的扩张期，正而临着持续繁荣的契机。 沿海软土地区，高速公路建设发展尤其迅猛，但建设过程当中遇到了各种 各样的工程问题，桥台填土病害即为一难以解决的显著问题。一般情况下，为 了保证河道通航净高，高速公路跨越河流所造桥梁桥台后填土高度较高，容易 引起一些病害，如桥台侧向位移过大、桥台桩基沉降过大或不均匀沉降等，致 使桥台倾覆、桥台及上部结构产生裂缝。 工程实践中不少桥梁建设使用过程中出现了上述桥台填土病害，不同程度 地影响了桥梁的寿命和使用安全。杭甬高速公路杭州段共修建通道桥3 0 座，到 2 0 0 2 年为止，有3 0 座桥台出现裂缝，占通道桥台总数近半。1 9 9 5 年有5 座桥 台出现裂缝( 即完工后出现) ，1 9 9 5 年至1 9 9 9 年之问有3 座桥台出现裂缝，2 0 0 0 年以来有6 座桥台出现裂缝，随着时间的推移，裂缝在逐渐扩大。杭宁高速公 路有多座桥梁发生显著的纵向侧移，最人的位移量达到2 0 c m 之多。杭雨高速公 路绍兴段软基试验路段中的山西港桥就产生这样的现象，致使桥台桩前移过大， 支库跨距缩短而无法安装预制梁。 桥台填十病害主要是由桥台高填十路堤对桥台桩基的侧压力和桩周- 十对桥 台桩基的负摩阻力作片j 引起的。在道路与桥梁的连接段，考虑到通航等因素， 通常需要将路基加高，而当路基下部存在较大厚度的软土层时，由于软土具有 很大的压缩性，随着时间的推移，桥头路基不断沉降，软土层在上部荷载作用 第l 章绪论 下不断压缩和被侧向挤出，从而对相邻桥梁的桩基产生侧向压力，导致桩身扰 曲，会引起桥台发牛侧向位移，在梁间伸缩缝被顶死后，桥台的侧向变形被限 制，因而会在桥台的台背部位引发较大的内力，严重时会使桥台桩基倾覆、桥 台及上部结构开裂；对于软基桥台来说，由于桥台桩基与路堤在完工后的沉降 不同，桩基础桥台完工后沉降较小，而桩侧软弱土层受到桥台台背填土荷载的 作用下固结沉降较大，从而使邻近桥台桩基受到负摩擦而下沉，造成桥台桩基 沉降过大或不均匀沉降，影响桥梁的使用功能。桥台在本身平面内的抗弯刚度 较大，当桥台下桩的沉降值不同时，将会在台身平面内产生较大的弯矩而使得 混凝土桥台开裂。 台后高填土对桥台桩基的作用很复杂，桥台高填士作用下，路基变形产生 的土体对桩基的负摩阻力、侧向压力等作用的大小与路基土性、路基的处理方 法、路堤材料及填筑速率、桥梁整体结构型式等有密切的关系，系地基、基础 和一卜部结构的共同作用问题。因此，分析病害机理积极防治，还需就高填土对 桥台桩基作用进行研究。 1 2 国内外研究现状 有关桥背高填土对桥台桩基作用国内外已作过一些研究。国内外专家、学 者通过科学的实验手段、数据模拟、计算模型和先进的计算方法，在填土对桩 基作用机理在理论研究上已经取得了很大的成果。另外，世界各国基础设施建 设的飞速发展，也给理论提供了许多检验和进一步深化研究的工程实例。因此 许多专业论文、研讨文稿等文献通过对具体丁程的理论计算、现场检测、t 程 问题的剖析和总结，进步阐释了作用机理的理论，修正了不合理的经验参数， 对新建工程的设计、施工、维护和加固等方面有很大的指导意义。下文中分别 介绍国内外对桥台桩负摩阻力、土体对桥台桩的侧缝力两方面的研究现状。 1 2 1 桥台桩负摩阻力研究现状 j o h a n n e s s e n 和r j e r r u m ( 1 9 6 5 ) j 提出了利用有效应力计算负摩阻力的方法， 2 第l 章绪论 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。 a l o n s o ( 1 9 8 4 ) 【2 】、l e e ( 1 9 9 3 ) 【3 1 等均是采用一系列简化的荷载传递函数来 求解单桩或群桩的负摩阻力。 k u w a b a r a & p o u l o s ( 1 9 8 9 ) t q 、c h o w ( 1 9 9 0 ) 5 1 、t e h & w o n g ( 1 9 9 5 ) 6 1 等利用弹 性或弹塑性理论法对群桩负摩阻力进行了分析。 s a n g s e o mj ( 1 9 9 7 ) 1 7 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，并采用非关联流动法则。 魏汝龙【8 】研究了某码头的桩基损坏主要是由于大面积填土固结产生的负摩 阻力导致的不均匀沉降引起的。 李光熠( 1 9 8 8 ) 9 】利用滑移位移计成功地量测了一根钢管桩的负摩阻力，并 用有效应力法进行了一些探讨。 周国林( 1 9 9 1 ) 【1 0 1 利用传递函数法提出了计算单桩负摩阻力的力学模型j ，其 模型是以传递函数法为基础的，未考虑单元之间土体位移存在的相互影响。 王建华( 2 0 0 0 ) l 】提出了一种利用b l o t 固结理论和f r e d h o l m 积分方程并借助 l a p l a c e 变换求解米计算单桩负摩阻力的计算方法，该法可以直接求出各时刻桩侧 摩阻力、中性点位置，但其前提条件是桩在表面受圆形均布荷载作用，否则其 计算方法不成立。 1 2 1 土体对桥台桩的侧压力研究现状 n a y l o rdj ( 1 9 8 2 ) 1 2 1 用二维有限元分析了路堤对桩的作用。 s t e w a r tdp ( 1 9 9 3 ) 1 3 1 计算和分析了路堤侧向移动对软土上桥墩的侧压力 作用。他阐述了一种新的经验计算方法，是在荷载作用卜使桩达到最人弯矩和 桩顶达到最大位移时，考虑基一桩的相对刚度，建立在简单的变形机理上得到 的计算分析方法。该方法计算桩基的横向位移，解决了其它方法计算上存在的 不足，而且同实测数据之间比较吻合。 s t e w a r tdp ( 1 9 9 4 ) 4 】采用离心模型试验研究了路堤填土对桥台桩基的影 3 第1 章绪论 响。e l l i se a ( 1 9 9 7 ) f l5 】也采用离心试验研究了土层深度和路堤填筑速率的影响 关系，证实了土的侧向位移对桩的作用。 b r a n s b ym f ( 1 9 9 6 ) 【l6 】采用三维有限元对超载荷载附近群桩基础进行建模 和计算分析填土和桩基之间的相瓦作用。主要采用的方法是对以土体应力历史 和最近的应变历史为依据的朴线性结构计算模型，和离心模型试验得出的几种 结果进行比较分析。通过原型离心模型试验分析和研究不同的应力应变情况下 对桩基周边填土的荷载变化关系和填土变形行为的影响。 e l l i se a ( 2 0 0 1 ) 【l7 】采用等效三维问题的二维有限元分析了桥台、软土和桩 基的共同作用，得出了应力、位移、孔隙水压力的分布。 李仁平等( 2 0 0 1 ) 【ls 】以沿海地区软基中桥梁工程为例，说明了软基中桥头 路基对附近桥墩及桩基的影响，采用能够考虑桩土体系参数及侧向土压力沿深 度任意变化情况的新方法进行计算。滑面以上部分桩身受到的侧压力根据基于 散体极限平衡理论推导的公式计算得到，计算结果及分析结论能够很好地解释 现场调查情况。 谢洪涛等( 2 0 0 2 ) i i9 】基于非线性粘弹性理论描述了土体的蠕变特性并对某 小桥桥台挡板开裂原凶进行分析，l 司时对修建在软土中桩基与土、桥台及台背 填土的相互作用进行了有限元计算，得出软十侧向挤出是挡板开裂原因的结论。 岁志强( 2 0 0 2 ) 2 0 】结合公路桥梁工程实际，讨论桩基负摩擦力的发生条件， 分析软土地区桥台桩基负摩擦力的大小和发生深度，提出降低桩基负摩擦力的 方法。 以上是国内外学者从不同和相同的方面对填土与桥台桩基作用机理的研 究，已成为高填土对桥台桩基作用机理的主要理论基础和重要的计算手段。而 且随着工程实践的发展，尚在不断地创新。然而，由于土体本身的复杂性，以 及工程条件的各种不确定性，填上对桩基的作用情况非常复杂。现有计算方法 还有许多问题有待研究，存在一些不足之处： 1 、被动桩桩基负摩阻力的研究不够深入 虽然国内外关于桩基负摩阻力的研究较为常见，在负摩阻力的理论计算、 模型试验及现场试验方而都取得了很大的进展，但研究多集中在主动桩及大面 积堆载形成的桩基负摩阻力上，对被动桩及不对称堆载形成的桩基负摩阻力问 题的研究则很少。对于高速公路桥台桩基米说，其填土施工期承受的竖向荷载 4 第l 章绪论 主要为路堤填土引起的负摩阻力作用，为典型的被动桩问题，而且桥台后填土 对桩基而言为不对称堆载。迄今为止，对这一问题研究仍不够深入。 2 、桥背高填土对桩基侧压力作用机理研究不够透彻 目前为止，一般情况下研究者采用的理论研究模型为弹性、弹塑性、粘弹 性模型。最好的模型是粘弹塑性模型，但是，土的塑性参数很难选取，考虑塑 性过程很困难；对水平荷载作用下桩土共同作用问题的研究大多采用桩线性、 土体非线性的模式，这与实际情况不符：地基液化作用下，土体的侧向变形对 桥台桩基的影响以及桩一土动力特性分析，在桥梁工程中一直没有得到系统的 研究；理论研究和工程应用差距较大。 1 3 本文研究内容 本文拟采用理论分析及数值计算的方法对桥台桩基进行研究探讨，旨在建 立和完善软- 十桥背高填土对桥台桩基作用的分析理论与方法，研究内容主要包 括： l 、总结分析高填土路堤对桥台桩基作用造成危害和影响，并对这些影响进 行分析，得出造成其危害的主要原因； 2 、研究桥台桩基负摩阻力工作机理，探讨桩身单位负摩擦强度、中性点深 度的确定方法：此外，负摩阻力的发挥具有时间效应，文中还将采用有限元数 值计算方法对负摩阻力的时间效应做了初步的探讨研究； 3 、引进力法、结合弹性地基梁理论建立了桩身侧向上压力的平面计算模型， 并提出阐述一个计算获得桥台桩土压力具体计算方法； 4 、采用有限元计算方法分三种工况对桥台桩基模型进行了计算分析，i ：进行 对比研究，以验证台后轻质材料填土和台前填土反压两种灾害防治措施的有效 性。 5 第2 章高填十桥台桩基负摩阻力研究 第2 章高填土桥台桩基负摩阻力研究 在正常情况下，受桩顶竖向荷载作用，桩相对于桩侧土向下运动，土对桩就 产生向上作用的摩阻力，称为桩侧正摩阻力。但是当桩侧十由于某种原冈产生 的沉降变形人于桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部或一部分面积上将出现 向下作用的摩阻力，称之为桩侧负摩阻力。自1 9 4 8 年t e r z a g h i 和p e c k 提出桩基 负摩阻力这一概念以来，负摩阻力问题己受到国内外工程界的普遍关注，国内外 很多学者开展了桩基负摩阻力的理论研究和试验研究。 位于压缩性地基中的桩基础上都有可能产生负摩阻力，如果在设计时不考虑 或未充分考虑的话，可能造成桩端地基的屈服或破坏、桩身破坏、结构物不均 匀沉降。国外在7 0 年代后期，开始j “泛使m s l ( s l i p el a y e rc o m p o u n d ) 复合滑动 层钢管桩，基本上解决了负摩阻力问题【2 。而到目前为止，在我国仍在大量使 用钢筋混凝土的预制桩和灌注桩，工程桩负摩阻力问题严重。估计在近期内， 这种状况不可能有大的改变。因此，有关负摩阻力的研究仍然具有重要的现实 意义。 一般情况下，桥梁桩基在轴向荷载作用下，当桩基周围土体因某种原因产生 下沉，其沉降速率大于桩基下沉时，则桩侧土就相对于桩基作向下位移，使土 对桩产生向下作用的摩阻力。对于桥台桩基工程，如果成桩之前未对软土地基 处理，即没有减少成桩后的地基沉降，则桥台桩基施工完成后，由于桥头路堤 高填土是一个很大的地面荷载且位于桥台的一侧，存在桥台背后路堤填土引起 的负摩阻力问题。而桥侧软弱土层受到桥头路堤填土竖向荷载的作用，使软弱 土层的压缩下沉量大于桩的竖向位移值时，包括桩身压缩和桩底下沉位移，此 时压缩土层将对桩产生向下的负摩擦力。 在软土地区修建桥梁时，桥头路基填土引起地基土同结沉降，使桩基产生负 摩阻力，并引起不均匀沉降，这对桥台和上部结构非常不利。如果桥台桩基础 6 第2 章高填土桥台桩基负摩阻力研究 在设计时未考虑或未能充分合理地考虑到负摩阻力，对于端承桩，就有可能造 成桩身或桩端地基破坏；对于摩擦桩，上部结构就会加大沉降或产生不均匀沉 降。然而桩的负摩阻力在桥台设计工作中却经常被忽视，例如在浙江某桥台因 路基填土引起桩基产生负摩阻力，并伴随而生大量沉降与桥台后仰的事故之后， 同样的事故却又在武汉某公路桥的桥台上产生。武汉某桥由于桥墩桩基半边打 在路基的新填粘十中，新填土下沉所产生的负摩阻力使得此一半基础中的桩完 全丧失了承载能力，从而产生了大量不均匀沉降，并最终导致了桥墩横梁折断， 不得不拆除另修新墩的重大事件f 2 。 近年来，随着高等级公路的迅速发展，越来越多的桥梁修建在软土地基e ， 在公路桥涵地基与基础设计规范0 t j a 2 4 - 8 5 ) 第4 3 1 条中的规定“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位下降所 引起的负摩阻力的影响。”但在规范中对负摩阻力如何确定，如何计算以及对 桩基计算的影响等并没有作介绍。 然而在我国沿海地区，由于普遍存在着厚层滨海或浅海相的淤泥或淤泥质软 土，负摩阻力的问题则显得较为突出，到日前为止负摩阻力的计算方法却还很 不成熟，这也正引起岩土工程专家和设计人员的重视，正成为桩基问题研究的 热点之一。 2 1 负摩阻力的机理分析 2 1 1 负摩阻力的概念 一般情况下，施加于竖直桩上的竖向外荷载，将通过桩侧表面与土的相互作 用传至桩周土和桩尖土上，桩壁和桩周土的相对位移则会产生摩阻力。作用于 桩侧的摩阻力的方向取决于桩和其周围地基土的相对位移情况。如果桩的沉降 大于地基土的沉降时，地基土对桩侧表面就会产生向i ：作用的摩擦阻力，这个 力对桩起支承作用，称为正摩阻力；反之，当地基土的沉降大于桩的沉降( 包括 桩身压缩及桩尖下沉) 时，则桩侧土相对于桩向下移动，压缩的地基土对桩侧表 7 第2 章高填十桥台桩基负摩阻力研究 面产生向下作用的摩擦阻力，这个力就称之为负摩阻力。 桩基负摩阻力是桩周土产生相对于相应深度桩截面向下位移时作用于桩身 的向下的力，因而在桩身分布负摩阻力的所有情况中，一般存在中性点，即该 深度桩土相对位移为零、桩身摩阻力为零，另有沿桩身全为负摩阻力的情况， 这种情况比较少见。 z ( a ) - 忙 zi ( b )( c ) 图2 1 桩基摩阻力分布示意图 当在整个桩长范围内桩的沉降大于桩周土体的沉降时，如图2 1 ( a ) 所示，在 桩侧土体对桩体产生向上的作用力，即正摩阻力，这是整个桩侧均为正摩阻力 的情况；在桩的上半部分桩的沉降小于桩周土体的沉降，而在桩的下半部分桩 的沉降大于桩周土体的沉降，如图2 1 ( b ) 所示，在上部桩侧，土体会对桩体产生 向下的作用力，即负摩阻力，在下部桩侧，土体会对桩体产生向上的作用力， 即正摩阻力，这是上部桩侧为负摩阻力的情况；当在整个桩长范围内桩的沉降 小于桩岗土体的沉降时，如图2 1 ( c ) 所示，桩侧土体会对桩体产生向下的作用力， 即负摩阻力，这是整个桩侧均为负摩阻力的情况，一般多出现于端承桩。 z 图2 2 中性点位置力意图 f j f 。 l j 一一 o1f；十-i， 第2 章高填土桥台桩基负摩阻力研究 桩侧负摩阻力并不一定发生于整个软弱压缩土层中，产生负摩阻力的深度是 桩侧土层对桩产生相对下沉的范围，它与桩侧土的压缩、固结，桩身压缩及桩 底下沉等直接有关。桩侧土的压缩与地表作用荷载及土的压缩性质有关，并且 实测表明，土层的沉降量总是由表层向深层逐渐减小的，而桩在外荷载作用下， 桩底的下沉量为一定值，桩身压缩变形随深度相应减小。在特定的桩断面上， 该深度以上的十的。卜沉量大于桩的。i - 沉量，则该断面以上的桩受负摩阻力；该 深度以下的桩的下沉量人于土的下沉量，则该断面以下的桩受正摩阻力，该点 就称为中性点，如图2 2 所示。 j 桩身轴 c a ) ( b )( c )( d ) 图2 3 桩基负摩阻力特性示意图 负摩阻力的发生发展的过程是桩与十的沉降相互协调的过程，当桩土相对沉 降稳定时，也即负摩阻力稳定时，在桩顶处负摩阻力为零，随着桩深的增大， 负摩阻力也逐渐增大，直到其最大值并开始减小，最后在中性点位置达到最小 值零。图2 3 ( a ) 为桩及桩周土体受力和沉降的示意图；图2 3 ( b ) 是桩与其周围土 体各个深度在某一时刻的下沉曲线，两条曲线在某一深度相交，该交点以上土 的沉降大于桩的沉降，交点以下土的沉降小于桩的沉降，在交点处土与桩的沉 降相等，这一点就是中性点；图2 3 ( c ) 为桩侧摩阻力沿深度分布曲线，在中性点 以上摩阻力方向向下，为负摩阻力，在中性点以下摩阻力向上为正摩阻力，在 此点处摩阻力为零；图2 3 ( d ) 为桩身轴力曲线图，在桩顶轴力等于外荷载，而后 由干负摩阻力的叠加，轴力随着深度逐渐增大，在中性点处达到最大值，往下 9 第2 章高填十桥台桩基负摩阻力研究 逐渐减少。 影响中性点深度l 。的因素较多，主要有以下几个方面： ( 1 ) 桩底持力层的性质：持力层愈硬，中性点l 。愈深；端承桩的l 。大于摩擦桩； ( 2 ) 桩周土层的变形性质和应力历史：桩周土层压缩性愈高，欠同结度愈大， 结土层愈厚，中性点深度l 。愈大； ( 3 ) 桩的长径比愈小，截面刚度愈大，则l 。愈大。 2 1 2 负摩阻力产生的原因 桩基产生负摩阻力根本原冈是：整个或部分桩长范围内，桩周土沉降较大， 相对桩身产生向下的位移。以下几种情况下，桩基产生负摩阻力： ( 1 ) 桩穿过欠压密的软粘土或新填士，而支承于硬粘性土、中密砂土、砾卵 石层或岩层等较坚硬的土层，桩侧土因固结而产生的沉降大于桩的沉降； ( 2 ) 当桩侧非固结压缩软弱土层受竖向荷载( 如桥头填土及路堤) 作用； ( 3 ) 由于地下水位全面下降，致使土的有效应力增大，从而引起桩周土下沉； ( 4 ) 在饱和粘性土地基中，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，则会产生负摩阻力： ( 5 ) 桩侧存在自重湿陷性黄土或季节性冻土层或可液化土层的条件下，当黄 土浸水湿陷或冻土融沉时，或当可液化土受地震或其它动力荷载而液化，液化 土重新固结而出现大量下沉时。 2 1 3 影响负摩阻力的因素 影响负摩阻力大小的主要因素有以下几点： ( 1 ) 土的成分。例如纯粘土或含少量砂的粘土，负摩阻力较小，但当含砂土 成分较多时，负摩阻力就会显著增大； ( 2 ) 地基土的含水量。含水量降低，负摩阻力就会增大，含水量增大，负摩 阻力就降低； ( 3 ) 软弱地基的下沉速度。下沉速度快时，负摩阻力也大； ( 4 ) 桩的倾斜度。斜桩受到的负摩阻力要比直桩大，当桩的斜度大于l ：l0 l o 第2 章高填十桥台桩基负摩阻力研究 时尤为显著； ( 5 ) 负摩阻力的大小与桩和土之间的相对位移大小有关。当桩不下沉，仪周 围地基下沉，这时产牛的负摩阻力最大；当桩与地基均有下沉，但桩的下沉小 于地基的下沉量，就会产牛相应的负摩阻力；当桩与地基土的沉降量相等时，桩 与土无相对变形，不产生摩阻力； ( 6 ) 桩穿过的软弱十层厚度，其值愈大，负摩阻力也愈大。 2 2 桥台桩基负摩阻力的计算方法 6 0 年代和7 0 年代，国外对负摩阻力的研究进入全盛时期。1 9 6 5 年j o h a ne s s e n b j e r r u m i l l 提出了采用有效应力法计算负摩阻力的方法。这种方法基本上属于 极限分析法，对桩土相对位移较小的情况。该方法计算的结果往往偏大，此外， 计算要涉及到一个重要参数一中性点的位置往往是用经验方法确定的：1 9 6 9 年 p o u i o shg & m a t t e sns1 2 2 】基于明德林解，提出了弹性理论计算负摩阻力的方 法。在这一方法中，为了满足桩尖边界条件，由于采用了镜像单元的处理手段， 故该方法只适用于端承桩。1 9 7 2 年p o u l o shg & d a v i seh 【2 3 1 在上述方法的基础 上并根据太沙基一维固结理论导出了单桩负摩阻力与时问的关系。1 9 7 5 年，他 们又用此方法计算了几个原位测试实例【4 9 】。随着计算机技术的发展，人们开始 用有限元方法来求解负摩阻力问题，w a l k e & d a r v a l l 2 4 】，s m a l l 【2 5 1 ，在用有限元 数值计算求解负摩阻力方面作出了一些尝试。 随着t 程建设尤其是高速公路建设的发展，国内关于桥台桩基负摩阻力的研 究也逐渐开始成为热点。目前，国内所采用的负摩阻力计算方法多种多样，总 结起来一般有以下几类： ( 1 ) 根据试验结果或经验公式估算单位负摩擦强度及中性点深度。该类方 法，简单易行，便于工程实际应用，但是由于理论性不强，其计算结果刁i 够准 确，用来指导设计容易使设计偏于保守，不利控制建设成本。 ( 2 ) 厂玎通常意义卜计算正摩阻力的方法求解负摩阻力【2 6 】。由于摩擦力是 桩土相互运动j 托生，同样的地质条件下正摩阻力与负摩阻力由于只是运动方向 第2 章高填士桥台桩基负摩阻力研究 相反，理论上桩相对土体的摩擦系数应相同。借用计算正摩阻力的方法求负摩 阻力，可以省去其它方法不易取得计算参数的缺陷，另外由于j 下摩阻力计算方 法为广大工程设计人员所熟悉，易于操作及应用。 ( 3 ) 随着计算机技术的发展，数值计算方法被用来分析负摩阻力问题。利 用各种有限元软件来模拟真实情况下的桩基，可较全面的模拟桩土相互作用的 机理，并取得了一定成果。但是有限元法在计算时需进行大量的数据准备工作， 计算参数不易确定，计算结果及其影响因素之间的关系不直观等缺点。故在工 程应用设计中还难以得到精确解和广泛应用。 ( 4 ) 剪切位移法是把桩身和桩间变形分别计算口7 1 。对于桩身部分，由于 桩上荷载的作用使周围土体发生剪切变形而剪应力又通过桩侧周围连续环形土 单位向四周传播，桩尖部分则按，般弹性理论方法计算其变形：然后考虑两个 变形相容条件，求解桩的轴力、位移和摩阻力等。 ( 5 ) 弹性理论法是对桩十系统用弹性理论方法来研究单桩在竖向荷载作用 下桩土之问的作用力与位移之间的关系，进而得到桩对桩、桩对土、土对桩以 及土对土的共同作用模式【2 8 1 。并且假定桩侧剪应力的不同分布形式，如桩侧剪 应力以轴线集中力代替、以桩段中间圆截面的均布应力代替、以桩中各单元的 圆周环上的线荷载代替等。 工程实际中，一般是根据试验结果或经验公式估算单位负摩擦强度及中性点 位置，进而计算获得负摩阻力，具体计算方法下文中将简要做一介绍。 2 2 。1 高填土路堤自重产生的附加应力 桥台桩基与其它桩基的不同之处就在于台后路堤填十，获得高填十路堤自 重对地基产生的附加应力可以计算桥台地基的沉降量，为桥台桩基单位负摩擦 强度及巾性点的确定提供参数，因此有必要对高填土路堤自重对地基土产生的 附加心力稍作阐述。 路堤自重附加应力是指路堤填土的荷重在土体中引起的附加于原有应力之 上的应力。地而以下深度为z 处的附加土压力2 9 1 可以对单元微分体的附加土压 1 2 第2 章高填十桥台桩基负摩阻力研究 力进行积分求得。路堤填土荷载可以看做梯形分布荷载，下文将利用布辛奈斯 克解，推导得出梯形分布荷载作用下土体中的附加应力计算公式。 ( 1 ) 竖向集中力作用下土体中的附加应力计算 图2 4 所示均质的各向同性的线性半空问表面上作用一集中力p ，在线性变 形体内任何点m 的应力分布的弹性理论公式，已由布辛奈斯克( b o u s s i n e s q ) 于 1 8 8 5 年解出，计算示意图如图2 4 ，具体计算公式见式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) ： p粤 。 ： ，z 甸旺 图2 4 集中荷载下半无限体中某点的应力图 吒2 丽厶，h 3 p z 2 v o ，2 瓦隶 3 p z 2 x 乇2 五万 式( 2 1 ) 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) ( 2 ) 梯形分布荷载作用下土体中的附加应力计算 由布西奈斯克解可推导得出线荷载、条形荷载、矩形分布荷载及三角形分布 第2 章高填土桥台桩基负摩阻力研究 荷载作用下土体中任一点的应力状态，进而可以推导得出梯形分布荷载作用下 土体中的应力计算公式。 先研究半梯形荷载作用下m 点的应力情况，如图2 5 。m 点实际上可看成是 梯形荷载中心下z 深度处的一个点，计算该点应力时，可将半梯形荷载视为三角 形面积d c o 及e e f 的代数和。 d 毛 一刊l f。 口6 氧龟 奄f 一补 p d 钆 了 诞 o ： _ 、。毫 m 。 。 图2 5 梯形荷载中点下上巾应力计算示意图 假定。f 的荷载强度为p ，则口f ：竺生p ，而矿：鱼p 。先讨论d c o 三角荷载 口口 情况，厂( 孝) ：一a + b - 孝p ，可得： 口 珏毫弓半p c o s 2 阳p = 警胁埘c o s 2 肛t a n p c o s 2 咖 式( 2 4 ) = p - - - - ( a + b ) ( p , + 履) 同理可得e c f 部分的应力 1 4 第2 章高填士桥台桩基负摩阻力研究 j 一2 。j b | ( b - ，善) p c o s 2 瞰j b = 垒a t r 【6 c 0 s 2 一z 姗c o s 2 伽 式( 2 5 ) ：业反 对m 点总的盯为： 吒= 仃：一盯”：= 笔【( 口+ 6 ) ( 屈+ 厦) 一参履】 式( 2 6 ) 口万 对称梯形即实际路堤下附加应力分布公式为： b 口 22a r 2 三：一 一 b 1 1 像， 。 - 。r ? 丁 r d ，。 z e e = c r s 恶2 ) = ( x le 2 ) + z 图2 6 路堤荷载作用下的示意图 对于路堤工程，一般为等腰梯形分布荷载，如图2 6 所示，计算土中任意点 的应力公式，也可根据前述原理，将应力叠加后得到。 吒= 詈 一反一三s ；n2 反+ 屈+ j 1 s ；n2 屈 + 里 口万 = p k l s i n2 f 1 + s i n2 厦一t 柚屈( 一届一j 1s i n2 届+ 压+ 芝1s i n2 展) + s ；n2 8 3 - s i n 2 反+ t a n 反( 一屈一三s i n2 孱+ 屈+ 圭s t n2 反) 式( 2 7 ) 第2 章高填十桥台桩基负摩阻力研究 吒= 詈 - 屈+ 三s ；n 2 屈+ 属一三s ；n 2 屈 + 丝 口万 = p k 2 一c 。s 2 , 层l + c o s 2 屈一t a n 届( 一届+ 三s ；n 2 届+ 届一兰s t n 2 屈) + c 。s 2 , o ，- c o s 屈+ t a n 屈( 一层+ j ls i n 2 屈+ 屈一三1s i n 2 屈) + 21 n c o s , o , c o s p , c o s p 2c o s f l 3 式( 2 8 ) 吒= 丢( c o s 2 反- c o s 2 f 1 3 ) + 孙p z - 2 2 慨( f l l - 一, 6 2 ) + s i n2 2 i l 屈l - + s i n2 2 , 8 屈2 - + t a n t l r , o , ) - s i n s i n t a n 聃f 1 4 ( c 0 s o s 2 2 外f 1 3 - c o c 0 8 2 s2 刚, 6 4 ) 式( 2 9 )【- + 2 【岛一2 屈+2 屈+ ) l 。 = p k 3 其中：k l 、k 2 、k 3 为附加应力系数， 脚n 一陋割月 屈一1 卜别 f 1 3 = t a l l - i ( x + 艄 屈= t a n 。1 ( x + 詈+ 口) 卢 p = 7 h 式中符号意义见图2 6 。 2 2 2 桩基单位负摩擦强度的确定 ( 1 ) 有效应力法计算单位负摩擦强度 式( 2 1 0 ) 式( 2 1 1 ) 式( 2 1 2 ) 式( 2 1 3 ) 式( 2 1 4 ) 挪威毕杰隆( b j e r r u m ) 等人根据试验，单位摩阻力f 建议按下式计算3 0 】： 1 6 第2 章高填十桥台桩基负摩阻力研究 f = k a ：t a n q , = 盯： 式中： 尺为土的侧压力系数； 盯z 为土的垂直有效应力( k p a ) ，矿：= 尸o + 矿一如； 尸。为桩顶平面以上的土重或堆载( 1 ( p a ) ： 疋为深度z 以上土的甲均有效容重( k n m 3 ) ； z 为自桩顶至计算深度的距离( m ) ； 如为深度z 处的超孔隙水压力( 1 ( p a ) ；工程中不予测定时，取阮= 0 ，即取有效 应力最大值； 矽为桩土摩擦角； 为负摩擦力系数，= k t a n p 。k 为有效应力与骚向有效应力之比；可 近似取静止土压力系数值k 0 ； 系数主要由土质条件决定，同时与桩型( 材料、表而状态、桩端形式及尺 寸等) 、沉桩方法、支承条件、地基性质、桩与地基间的相对位移速度以及地基 含砂量等凶素有关【3 i 】。系数一般应由试验确定，其取值范围可见表f 3 2 】。 表2 1k t a n 伊的规范取值范围 土类建筑桩基技术规范( 中国)建筑基础构造设计规范( 日本： 饱和软土 o 1 5 0 2 5 粘十、粉十 0 2 5 0 3 5 粘性土、粉土 0 2 5 0 4 0 砂质粘十0 3 5 0 5 5 砂性上o 5 5 0 6 5 砂土o 3 5 0 5 0 自重湿陷性黄上o 2 0 0 3 5 毕杰隆( b j e r r u m ) 给出kt a np , 的经验值如下表所示【1 】。 1 7 第2 章高填土桥台桩基负摩阻力研究 表2 2k t a n 矽的经验值 土类 矿xk t a n l p 粉质粘上3 00 4 5 o 2 5 低塑性粘土 2 0o 5 00 2 0 塑性粘土 1 5o 5 50 15 高塑性枯土1 0o 6 0o 1 0 ( 2 ) 根据室内外土工试验资料计算 一些学者3 3 矧对负摩擦强度进行了深入的研究，他们根据室内外试验资料 提出的计算单位负摩擦强度的方法有：根据单面剪切试验确定土的单位负摩擦 强度；根据室内三轴压缩试验所得的强度指标计算单位负摩擦强度；根据现场 静力触探试验和标准贯入试验确定单位负摩擦强度等。其中影响最大的要数口 本的小泉安则根据土的单轴无侧限抗压强度来确定土的单位负摩擦强度，即 f = q ，2 ，式中：q 。为土的无侧限抗压强度( k p a ) ；f 为桩周的负摩擦强度。 对于粘性土= q 。2 或厂= g ；