（岩土工程专业论文）桩基负摩阻力的试验研究.pdf

摘要 摘要 支承于土中的桩，如果其附近有大面积填土、抛石、堆载等，很可能会在桩 侧产生负摩阻力。桩身的负摩阻力往往给桩基带来很大的危害，进而危害到建筑 物的安全使用，因此桩基负摩阻力问题也一直是桩基础设计中非常重要的难点问 题。为了对负摩阻力进行计算研究，本文对传统的位移协调法进行了改进，考虑 了桩土之间的相对位移，并结合土与结构材料接触面的固结快剪试验结果提出了 桩土荷载的传递函数。本文对上海软土与钢、混凝土材料之间的接触面进行了固 结快剪试验，并比较了原状土和重塑土对于钢、混凝土接触面性能的差异，试验 结果显示接触面内剪应力与剪切位移之间里双曲线关系。利用接触面固结快剪试 验成果确定了传递函数中各个参数。利用位移协调法进行了大面积堆载下桩身负 摩阻力的计算研究，分析了影响桩身中性点位置的两个因素。最后还对上海某码 头桩基的负摩阻力现场实测数据进行了分析和实测研究，分析了负摩阻力形成和 发展的规律。鉴于负摩阻力的危害性，本文还介绍了目前实际工程中常用的减少 和防治负摩阻力的措施和方法。 关键词：负摩阻力，中性点，位移协调法，传递函数，参数，接触面，固结 快剪试验，大面积堆载 a b s t r a c t a b s t r a c t i f t h e r ei sl a r g e - a r e a f i l l ，r i p r a ps t o n eo fs t a c k i n gf i l ln e a r b y , n e g a t i v ef r i c t i o nw i l l o c c u ro nt h ep i l ew h i c hi sd r i v e ni n t oc o m p r e s s i b l es o i l n e g a t i v er i c t i o nu s u a l l yi s d a n g e r o u st ot h ep i l ea n dt h eb u i l d i n gs e t0 nt h ep i l e n e g a t i v ef i i c t i o ni sa l w a y st h e t o pi m p o r t a n tp r o b l e mi ng e o l o g i c a le n g i n e e r i n g i no r d e rt oc a l c u l a t ea n ds t u d yt h e n e g a t i v ef r i c t i o n , d i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t e dm e t h o di si m p r o v e da n dt h er e l a t i v e d i s p l a c e m e n tb e t w e e nt h ep i l ea n ds o i li sc o n s i d e r e d t h ec o n s o l i d a t e dq u i c kd i r e c t s h e a rt e s to ft h ei n t e r f a c eb e t w e e ns o i la n ds t r u c t u r a lm a t e r i a li sc a r r i e do na n dt h e l o a dt r a n s f e rf u n c t i o ni sp r e s e n t e d t h ec o n s o l i d a t e dq u i c kd i r e c ts h e a rt e s t so f t y p i c a l s h a n 曲a ld e p o s i ta n ds t e e l c o n e r e t ei sc a r r i e do n u n d i s t u r b e da n dr e c o n s o l i d a t e ds o i l t e s ta r ec o m p a r e dt or e s e a r c ht h ed i f f e r e n c e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h e a rs t r e s s a n ds h e a rd i s p l a e e m e ni sh y p e r b o l i cf u n c t i o n a n dt h ep a r a m e t e r so f t h el o a dt r a n s f e r f u n c t i o ni sp r e s e n t e d u s i n gt h ed i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t e dm e t h o d ，n e g a t i v ef r i c t i o no f p i l eu n d e rl a r g e - a r e n as t a c k i n g 锄i sc a l c u l a t e da n da n a l y s e d ，a n dt w oe f f e e t i n gf a c t o r a r ed i s c u s s e d i ns i t u - t e s to f ad o c kp i l ei sc a r r i e do n t h eg e n e r a t i o na n dd e v e l o p m e n t o fn e g a t i v ef r i c t i o ni sr e s e a r c h e d s o m em e t h o d so fr e d u c e i n ga n dp r e v e n t i n g n e g a t i v ef r i c t i o na r ep r e s e n t e d k e d v o r d ：n e g a t i v ef r i c t i o n , n e u t r a lp o i n t , d i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t e dm e t h o d ， t r a n s f e rf u n c t i o n , p a r a m e t e r , i n t e r f a c e ，c o n s o l i d a t e dq u i c kd i r e c ts h e a rt e s t , l a r g e - a r e a s t a c k i n gf i l l 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：夯汔磅 7 年岁月厶。日 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： 家讫磷 聊年岁月2 日 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 随着工程技术和经济建设的飞速发展，越来越多的摩天大楼拔地而起。人们 在惊叹一栋又一栋高楼耸立的时候，也看到了这一栋栋的高楼大多数是建在桩基 础上的。桩基础整体性好、刚度大，能承受较大的竖向荷载和水平荷载，并且沉 降小，能适应高、重、大的建筑物的要求。近年来，随着科学技术的发展，桩的 种类和桩基形式、施工工艺和设备以及桩基理论和设计方法，都有了很大的发展。 桩基已成为在土质不良地区修建各种建筑物，特别是高层建筑、重型厂房、桥梁、 码头和具有特殊要求的建筑物、构筑物所采用的最广泛的基础形式。在近代土木 工程的发展中，桩基础起着越来越重要的作用，尤其是在现代施工技术、条件不 断提高的情况下，桩的设计长度与承载力也越来越大。譬如，国内已建的最高建 筑，上海浦东8 8 层高4 2 0 5 m 的金茂大厦，桩基础入土深度超过8 0 m ；在建的上 海浦东1 0 1 层环球金融中心，高度超过4 8 0 m ，也采用桩基础。对于港口高桩码 头来说，沉桩后往往抛石回填以减少桩上部自由段长度，在很多情况下，桩基础 端部将达到岩层或不可压缩土层，因此，若附近有大面积填土、抛石、堆载等， 很可能会在桩身产生负摩阻力。桩基负摩阻力问题也一直是桩基础设计中非常重 要的难点问题。 如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，而又 不适宜采取地基处理措施时，就要考虑以下部坚实土层或岩层作为持力层的深基 础方案了。相对于浅基础，深基础埋入地层较深，结构形式和施工方法较浅基础 复杂，在设计计算时需考虑基础侧面土体的影响【”。桩基是应用最为广泛的深基 础形式，有着悠久的历史。结构物上部荷载通过桩基础传递给地基，竖向荷载由 桩端阻力和桩侧阻力共同承担。当桩周出现负摩阻力时，负摩阻力不仅不能为承 担上部荷载作出贡献，反而对桩产生下拉载荷作用。桩基负摩阻力可能发生在施 工过程、使用前或使用过程，发生在使用过程中最为不利。对于摩擦桩，负摩阻 力会引起桩的附加下沉，当建筑物的部分基础或同一基础中部分桩作用有负摩阻 力，将出现不均匀沉降，从而导致上部结构损坏；对于端承桩，负摩阻力会导致 桩身荷载增大，以致桩身强度破坏，或者桩端持力层破坏【2 】。在实际工程中，我 国沿海软土地区、湿陷性黄土地区以及季节性冻土地区都出现过负摩阻力导致建 筑物差异沉降、矿井井简破坏【3 】、桥墩倾斜f 4 肄事故。下面列举一些较为典型的 工程实例加以说明 5 1 ： 实例l 由于矿井的疏排水、卸压，导致土体沉陷、固结，造成土体施加给矿 井井壁的类似于桩基负摩阻力的附加力，结果导致我国黄淮、徐淮地区大量煤矿 第1 章绪论 立井井筒( 相当于深长端部嵌固桩) 发生破坏。 实例2 广东某小区商品房：建筑物间距小，场地存在很厚的淤泥层( 1 l 1 8 m ) ，建设单位坚持采用沉管灌注桩，施工速度较快，结果造成地面普遍隆起。 静载试验表明，大部分桩的承载力达不到要求，进行高应变、低应变检测及对桩 基混凝土、持力层抽芯检查，结果证实桩身大部分完整，但承载力却始终达不到 要求，后在多方监督下再施打1 0 0 多根桩，但绝大部分桩的承载力仍达不到设计 要求。研究表明，其原因在于施工造成的土体隆起在自重作用下重新固结，造成 桩侧表面产生负摩阻力，进而抵消了一部分下部土层中桩的正摩阻力，使桩受荷 后出现刺人破坏而使承载力降低，此桩基工程因负摩阻力造成的经济损失超过 2 0 0 万元。 。 实例3 珠海某局办公楼：场地填土厚度2 5 2 8 m ( 填土时间3 6 个月1 ，填土 下面有1 0 3 1 1 3 m 厚的淤泥及淤泥质土( 欠固结) ，采用沉管灌注桩，按j g j 9 4 9 4 建筑桩基技术规范有关规定进行验算，设计要求的地基承载力和桩身材料承 载力均符合规范要求，单桩静载试验表明桩基承载力达到设计要求，但在框架结 构封顶、砌体工程完工后出现过大沉降，后序工序无法施工。经多方调查表明： 其原因在于填土作用下场地土的自重固结产生较大负摩阻力，且静载试验时未考 虑负摩阻力作用。 实例4 兰州市某7 层住宅楼：场地为湿陷性黄土、人工填土地基，采用人工 挖孔灌注桩，桩端持力层为泥质砂岩，楼房建成后，由于地基建筑物四周地坪均 未做硬化处理或仅做了浅层处理( 4 0 e r a 的换填) ，同时受雨季天然降水影响，地基 遇水软化，引起地基塌陷，使原本具有正摩阻力的土层变为负摩阻力，进而拉动 桩基整体下沉，于建成后第2 年楼房墙面开始出现多处裂缝，2 年内桩的下沉量最 大达2 7 8 c m ，为保证房屋安全使用，最后采用注浆加固及加设防水帷幕进行补救， 补救总费用达3 0 多万元，工期近5 0 天。 实例51 9 8 9 年，国道2 0 6 线改造工程某一桥台直径1 2 m 的钻孔灌注桩，桩长 1 9 5 m ，因对桥台台后高达5 3 m 的填土产生的桩基负摩阻力考虑欠周，且在成桩 之前未对地表以下1 5 2 0 m 的软土层进行处理，结果桥台桩基施工完成后，桩基 沉降量达3 4 c m l 6 。 实例6 哈尔滨市某住宅区取暖锅炉房因忽视负摩阻力而盲目相信试桩结果 而导致墙体开裂。这是因为目前规范给的试桩方法没有考虑负摩阻力对试桩结果 的影响，容易造成在设计过程中，虽然在估算承载力时考虑了负摩阻力，但确定 承载力的依据却是试桩的数值，这试桩数值不能反映桩身潜在的负摩阻力，因为 在试桩时沉降速度大于土的固结速度川。 实例7 哈尔滨市某建筑物坐落在深厚杂填土上，楼层仅为1 层，并采用了桩 基础，桩尖落人原始土持力层上。当时考虑到该杂填土已沉积多年，忽略了杂填 土对桩表面产生的负摩阻力的影响。当桩基础完工后，进行了单桩静载试验，结 果表明：单桩承载力满足设计和使用要求，随后进行上部结构施工，并投人使用。 2 第l 章绪论 但是经过不长时间，墙体上出现多处裂缝。经查，单桩承载力满足设计要求，是 杂填土产生的负摩阻力使得桩基础产生较大的沉降变形，由于杂填土的极不均匀 性及外界条件影响的不均匀性，桩基础产生的不均匀沉降最终导致建筑物墙体出 现裂型胡。 现今，为了满足经济发展的需要，各地高层、超高层建筑大量兴建，但在软 土地区、湿陷性黄土地区以及季节性冻土地区，负摩阻力产生危害的可能性非常 大。为了不给国家财产和人民生活带来损失和困难，如何很好的控制负摩阻力， 降低工程风险，是工程设计施工人员必须面对的重要课题。对桩基的负摩阻力的 研究的深入，无疑会对我国经济资源开发和经济建设具有深远的影响。 1 2 国内外桩基负摩阻力的研究现状 早在1 9 4 8 年，t c 弦a g l l i 和p e c k 9 l 在合作的著作s o i lm e c h a n i c si ne n g i n e e r i n g p r a c t i c e s 中，就提出了桩基负摩阻力问题并给出了简单的计算公式。此后6 0 多 年间，大批的岩土工程专家学者、从事岩土工程设计施工的人员都积极努力地通 过各种方法研究桩基负摩阻力问题。国外研究负摩阻力的全盛时期是2 0 世纪6 0 年代、7 0 年代，7 0 年代后期s l 桩( s l i d el a y e rp i l e ) 的研制投入使用，基本上解决 了负摩阻力问题。尽管如此，由于桩- 土体系非常复杂，在工程设计中负摩阻力 计算仍然是半理论半经验的。所以，国内外学者没有放弃对负摩阻力的深入研究， 进一步完善计算理论。 国内外学者对于负摩阻力的研究主要通过三个途径：现场实测、室内试验和 理论公式，并且往往将三者结合在一起考虑，以便得到更真实的计算方法。 1 9 6 5 年，j o h a n e s s e n & b j e l - r t l n l 1 0 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，但是这种方法使用范围有局限性，而且该方法计 算的结果往往偏大。这种方法只适用于桩土剪切位移较小的情况，而且负摩阻力 问题中另一个重要环节一中性点的位置仍是根据经验确定的。之后经过 z e e v a e r t 、b i r r r u m 、g a r l a n g e r 、j a n b u 、f l a a t e 等专家的发展【l l 】【1 2 1 ，主要考虑了孔 隙水压力消散、有效垂直应力、有效内摩擦角、土体侧压力系数以及塑性指数等 对负摩阻力的影响。 荷载传递分析法是根据桩身荷载、沉降及桩身摩阻力随深度变化的规律来求 解桩顶荷载与沉降曲线、桩身荷载沿桩身的传递曲线以及侧阻力沿桩身分布曲线 的方法。a l o n s o 掣”1 ( 1 9 8 4 ) 、l e e 1 4 ( 1 9 9 3 ) 利用一系列简化的荷载传递函数求解 了桩身或群桩的负摩阻力。 s a l a s & b e l z u n c e ( 1 9 6 5 ) 、b e g e m a n n ( 1 9 6 9 ) 、v e r r u i j t ( 1 9 6 9 ) 、p o u l o s & m a t t e s ( 1 9 6 9 ) ， w a l k e r & d a r v a l l ( 1 9 7 3 ) “纠等利用弹性或弹塑性理论法，对负摩阻力进行了求解。 这种方法假定土体为弹性或弹塑性连续体，求解基本上都是以m i n d l i n 解或以有 限元法为基础，但是基于弹性或弹塑性理论的方法很难考虑桩土界面滑移机理。 3 第1 章绪论 随着对负摩阻力取决于土的沉降方面的认识的加深，p o u l o s & d a v i s ( 1 9 7 5 ) 【1 6 1 应用t e r z a g h i 固结理论，s m a l l ( 1 9 8 8 ) 【l 7 】应用b i o t l 香l 结理论对桩基负摩阻力进行 了一系列分析。另外。k u w a b a l - & & p o u l o s ( 1 9 8 9 ) t 博】c h o we ta l ( 1 9 9 0 ) 1 1 9 1 、t e h w o n g ( 1 9 9 5 ) t 2 0 等对群桩负摩阻力进行了分析。p o u l o s 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，借助两桩桩群的分析，得出了两桩相 互作用系数，利用叠加原理及对称性进行了群桩的分析；c h o we ta l 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 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。 随着计算机技术的发展，人们开始用数值分析方法来计算负摩阻力问题，从 原则上说，数值分析方法特别是有限单元法在计算中能同时考虑影响桩基负摩阻 力的许多因素。如：w o n g & t e h ( 1 9 9 5 ) 2 u 在桩土界面处引人双曲线弹簧来表征 桩土之间的相互作用，建立了成层地基土体单桩负摩阻力数值计算模型；c h o w e ta l ( 1 9 9 6 ) ( 2 2 1 建立了群桩负摩阻力简化的数值计算模型：j e o n g e t a l ( 1 9 9 7 ) 1 2 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， 并采用非关联流动法则。后来j e o n ge ta l ( 2 0 0 4 ) 洲又采用大型有限元软件 a b a q u s 对桩土界面滑移对负摩阻力计算值的影响进行了重点分析；另外，s h e n & 1 c h ( 2 0 0 2 ) 口5 】采用变分法建立了群桩负摩阻力计算模型等等。 国内对桩基负摩阻力的研究相对来说起步较晚，主要是由于当时我国大型的 工程建设相对还较少，涉及到桩基负摩阻力的问题并不突出。近2 0 多年来，在国 内城市尤其是沿海城市，随着高层建筑、大型工业厂房、港口工程及高速公路桥 涵工程的发展，桩的负摩阻力问题引起的建( 构) 筑物损坏也日益突出，由此也引 起国内有关专家和设计人员的重视并开始着手研究负摩阻力问题。1 9 7 5 年，同济 大学赵锡宏【2 6 1 发展t z e e v a e r t 的公式，推导一个适用于成层土的负摩阻力的有 效应力计算公式；提出一个简便的确定中性点的逐次趋近法；提出一个在k i 5 ( k 为桩基安全系数) 条件下近似估计今后可能发生沉降的方法；并对上海地区四个 工程单桩和群桩进行了计算。赵锡宏方法能综合考虑上覆荷载、桩距、桩的排列 方式以及桩周土的特性，计算结果与实测结果吻合较好。1 9 9 9 年，赵锡宏，张启 辉，张保良 2 7 】又采用迭代法对承受负摩阻力的桩基沉降进行了研究，并对日本 大阪( o s a k a ) 个工程进行了验算。我国对于自重湿陷性黄土地区及煤矿立井 建设中因负摩阻力出现的间题较重视，且做过较多研究，典型的如：李大展等 ( 1 9 9 4 ) 【2 8 、张厚先( 1 9 9 4 ) 2 9 、刘明振( 1 9 9 9 ) 【3 0 、杨维好等( 1 9 9 9 ) 【3 1 、李 文平( 2 0 0 0 ) 3 2 1 等。而软土地区的桩基负摩阻力问题主要集中在沿海港1 2 1 码头以 及高速公路桥涵工程中，先后也进行了一定的研究。魏汝龙( 1 9 8 2 ) 3 3 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 ) 3 4 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 ) 3 5 利用传递函数法提出了计算 4 第1 章绪论 单桩负摩阻力的力学模型，但由于其模型是以传递函数法为基础的，因此仍未考 虑单元之间土体位移存在的相互影响，并且在数值计算方法中，有关参数的取值 对计算的收敛性以及收敛速度均有影响。吴一伟( 1 9 9 5 ) 3 6 利用室内模型试验研 究了砂土液化后因固结沉陷引起的桩侧负摩阻力与地面沉陷之间的关系，结果表 明在地面沉降较小时( 1 0 r a m ) ，两者之间近似呈线性关系。陆明生( 1 9 9 7 ) 3 7 通 过对单桩的表面负摩阻力的模型试验研究及有限元分析，并在k e r i s e l 总应力法基 础上提出了估算单桩下拉荷载的经验公式，但其认为摩擦桩的中性点位置不随时 间和超载变化而变化及端承桩不存在中性点的结论与实际有些不符；同时，其所 作的模型试验结果与经验公式的计算结果误差均超过5 0 ，而其经验公式在用于 日本及澳大利亚的某实测桩时误差基本在1 5 以下。马时冬( 1 9 9 7 ) 3 8 对某高速 公路桥台2 根直径1 5 m 、长2 8 m 的钢筋混凝土灌注端承桩进行了桩基负摩阻力的 现场测试研究，其测出了中性点深度和桩侧负摩阻力的分布情况，实测结果表明 按我国桩基规范估算的中性点深度比实测深度大7 m ，并介绍了一种较接近于实 际的日本规范采用的中性点深度计算公式，该公式考虑能够反映附加荷载引起的 地表沉降、桩顶荷载、桩径、土层压缩性和桩侧摩阻力，以及桩端持力层性质等 各种因素的影响，但该法的难点在于参数的选取上可能存在较大误差，故在工程 应用中有一定难度。吴文( 1 9 9 8 ) 3 9 利用瑞士产的滑动测微计研究了在静载试验 过程中因堆载效应产生的负摩阻力对试验结果的影响，其实测表明：从堆载到试 验开始间隔时间较短时( 如2 4 小时) ，负摩阻力来不及发展，因此中性点位置较高， 测得的轴力也不太高，如果堆载维持较长，中性点将下移，轴力也将增高；随着 静载试验的进行，上部堆载逐渐减小，堆载效应的影响逐渐减小；极限荷载状态 下，其影响小于3 。王建华( 2 0 0 0 ) 4 0 提出了一种利用b i 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 变换求解来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；同年，陆建飞【4 1 将该方法推广应用于群桩负 摩阻力分析，但两者都未考虑土体的非线性、成层性以及桩土滑移的影响，且推 导计算过程较为复杂，在工程应用方面有困难。 国内有关规范( 或设计手册) 中关于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，属较为 保守的设计方法，给实际工程造成一定的浪费。 ( 1 ) j g j 9 4 9 4 建筑桩基技术规范【4 2 】：该规范规定由持力层种类确定一个 值或一个值域，指出了桩侧负摩阻力计算深度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。 ( 2 ) g b j 2 5 - 9 0 湿陷性黄土地区建筑规范【4 3 】：该规范规定负摩阻力的数值 宜通过现场试验确定，桩侧负摩阻力的计算深度应自桩的承台底面算至其下非湿 陷性的土层项面为止，实际上所提出的中性点深度很保守。 ( 3 ) g b j 7 8 9 建筑地基基础设计规范：该规范中列有当桩周土层产生 5 第1 章绪论 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。而g b 5 0 0 0 7 - 2 0 0 2 建筑地基基础设计规范【4 5 】仅在8 5 1 2 条中规定：软土地 区的桩基应考虑桩周土自重固结、蠕变、大面积堆载及施工中挤土对桩基的影响， 实际上这条规定暗含了负摩阻力的影响。 1 3 亟待解决的问题和不足之处 1 3 1 亟待解决的问题 正确计算负摩阻力导致的下拉荷载需首先解决的一个关键问题就是中性点 深度如何合理确定。尽管上面提供了几种常用的计算经验公式，但由于中性点深 度受到桩土相互作用的各种因素的影响而呈明显的动态变化，在对中性点的考虑 过程中，如何反映施工过程以及以后使用过程中可能遇到的因素变化等，这对于 考虑负摩阻力桩的合理设计意义重大。 桩侧负摩阻力的合理计算仍需加强。实际上桩侧负摩阻力的发挥及大小与桩 土的剪切位移密切相关，因此桩侧负摩阻力并不是都同时达到极限。而目前的研 究中，基本上都是采用理想弹塑性模型，即认为桩侧负摩阻力发挥到极限值后保 持恒定，而实际情况远非如此，这主要是由桩土相互作用的复杂性所决定的。特 别是近年来各种大直径超长桩以及各种新型桩的出现，对桩侧负摩阻力的确定提 出了新的课题与挑战。 现场原位测试及测试技术急需加强。由于桩土相互作用的复杂性、原位测试 费用昂贵等原因，我国关于桩侧表面负摩阻力的现场原位测试仍然少见。有些生 产单位甚至宁愿把桩基设计成很保守也不愿去做负摩阻力的现场试验，这种局面 一方面浪费了资金，另一方面也可能没有解决负摩阻力可能造成的隐患。长期这 样下去，我国的桩侧负摩阻力的研究就不会有大的根本性进步，仅仅依靠那些层 层简化的理论公式或者实测数据不多的经验公式是解决不了问题的，特别是随着 城市经济建设的发展，将会出现越来越多的负摩阻力问题。如城市中的环境岩土 工程问题、沿海沿江超高填土码头、围海造陆工程等都不可避免遇到负摩阻力问 题。另外，在存在负摩阻力的桩基中，桩基的静载试验如何反映负摩阻力的存在 及大小一直是一个难点。目前的常规桩基承载力检测方法，要准确评估负摩阻力 的影响仍然是很困难的。 1 3 2 不足之处 在计算桩基负摩阻力的方法中，对于有效应力法，由于工程中不易测定孔隙 水压力，通常取零值，所以这种方法所计算出的是极限负摩阻力，并且，单位负 摩阻力随桩深增大而增大，负摩阻力的最大值出现在中性点处，而依据中性点的 6 第l 章绪论 定义此处负摩阻力应为零。而实际上，由负摩阻力的最大值减d , n 中性点处负摩 阻力为零要经过相当长的一段桩长。同时，在计算过程中，还必须依据经验来确 定中性点的深度，因此这种方法与事实有相当的不相符合之处。 试验参数计算方法，是通过工程试验并对试验数据进行分析后，才综合得到 的一个公式，但是此公式缺少基本理论依据，而且参数的精度受到现场环境、试 验设备等条件的限制，故采用此法计算负摩阻力时结果不够准确。 经验公式多是对某一具体地层条件提出的，推广性常受到限制，而且不同的 研究人员依据不同的经验公式得出的结果也差别很大，很难找出一个普遍的经验 公式。另外从安全方面考虑，往往经验公式估算的结果，大多不可避免有偏大的 问题。 有限元计算方法计算繁琐，在大多数情况下，需要借助于计算机进行计算。 并且要通过试验确定一些参数，而这些参数有时很难确定，因此，还需有待于进 一步的研究和发展。 弹性理论法中，假定了桩土之间没有产生滑动，桩身某点的位移即为相邻点 土体的位移，这显然不符合实际。一般来说，在产生负摩阻力的情况下，土体的 沉降要大于桩体的沉降。 1 4 本文主要工作 鉴于经验参数法计算负摩阻力没有可靠的理论依据，有效应力法计算时中性 点深度按经验而定，本文采用位移协调法对桩基负摩阻力进行分析。位移协调法 应用时一个关键问题就是如何确定剪应力位移关系曲线，为了得到有说服力的 剪应力- 剪切位移关系曲线，本文对上海软土与钢、混凝土材料之间的接触面进 行了固结快剪试验，并比较了原状土和重塑土对于钢、混凝土接触面性能的差异 根据试验结果，得到相应的关系曲线，并确定一些相关的参数。 对负摩阻力的研究，本文主要集中在大面积堆载情况下产生负摩阻力的情 况，并利用位移协调法对负摩阻力进行了计算。文中考虑了大面积堆载情况下土 体中附加应力的分布与一般情况的区别，在利用位移协调法时，考虑了桩周土体 的沉降，从而有效应用了本文得到的上海软土与钢、混凝土材料之间的接触面试 验结果。 最后，本文还借助于上海某一工程桩基负摩阻力的实测数据的分析，对负摩 阻力产生的机理和影响因素做了一些分析。比较了不同桩型在大面积抛石情况 下，桩身轴力不同的分布形式，进而对桩侧负摩阻力的分布何发展趋势作了进一 步分析。 7 第2 章负摩阻力机理的研究 第2 章负摩阻力机理的研究 2 1 负摩阻力的发生机理 在正常情况下，竖向外荷载施加于桩顶时，桩身会产生相对于桩周土向下的 位移，外部荷载通过桩身与土的相互作用传递至桩周土体和桩端土体，此时，桩 周土体对桩身产生向上的摩阻力，即正摩阻力。当桩侧土体因某种原因而下沉， 其沉降量大于桩的沉降，此时，桩周土体将对桩身产生向下的摩阻力，即负摩阻 力。负摩阻力对桩形成下拉荷载，相当于在桩顶荷载之外，又附加了一个分布于 桩侧表面的荷载。 ooo 、厂 j 臣j i 。 j j 刘 z n 、一 r 一 济一一 ：-一 s 7 一 z 卜。 l 一1 b i j r 1r z ( d )( b )( c ) 图2 1 负摩阻力形成机理示意图 桩周土对桩身摩阻力的方向取决于桩土剪切位移的方向，如图2 1 所示。图 ( a ) 表示了当桩的沉降大于桩周土的沉降时，桩周土对桩体产生向上的摩阻力， 即正摩阻力。图( b ) 所示为桩周上部土体沉降大于桩身沉降，而桩周下部土体 沉降小于桩体沉降，因此桩周土体对桩体的摩阻力就分为上部负摩阻力和下部正 摩阻力两个部分。而图( c ) 所示为桩周土体沉降在桩长范围内都大于桩体沉降， 此时负摩阻力作用于桩侧全范围内。 2 2 产生负摩阻力的条件 桩基产生负摩阻力主要有以下几个条件【2 1 ： 1 当桩穿过欠固结的松散填土或新沉积的欠固结土层而支承于较硬土层中， 桩侧土因固结而产生的沉降大于桩的沉降时； 2 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 第2 章负摩阻力机理的研究 新固结而出现大量下沉时； 3 当桩侧土层因抽水或其它原因而出现大面积地下水位下降，土的有效应力 增大而导致地面下沉时； 4 桩侧地面因大面积堆载或大面积壤土而大量下沉时； 5 饱和软土中打入密集的桩群，引起超孔隙水压力，土体大量上涌，随后重 塑土因超孔隙水压力消散而重新固结时。 2 3 负摩阻力的特性及其研究 2 3 1 中性点及其位置确定 负摩阻力在桩身的作用范围根据桩土剪切位移情况而定的。如图2 2 ( a ) 所 示，桩周上部土体沉降大于桩身沉降，而桩周下部土体沉降小于桩体沉降，因此 桩周土体对桩体的摩阻力就分为上部负摩阻力和下部正摩阻力两个部分，这样就 有一个正负摩阻力发生转变的地方，称为中性点( n e u t r a lp o i n t ) 。中性点是桩土 剪切位移、摩阻力和桩身轴力沿桩身变化的特征点。 r l l 1 f nl n q 1卜一【o 厦一 ( 力 会7 | ( o )( b )( o d ) 图2 2 中性点特性图示 如图2 2 ( b ) 所示，桩土剪切位移曲线在中性点处为零，在中性点之上桩身 沉降小于桩周土沉降；在中性点之下桩身沉降大于桩周土沉降。桩土剪切位移产 生摩阻力，图2 2 ( c ) 示意了桩身摩阻力的分布情况。中性点之上为负摩阻力， 至中性点处，负摩阻力减小为零，向下转变为正摩阻力。 一般情况下，通过桩周土沉降曲线和桩身沉降曲线可确定中性点位置。如图 2 3 所示，霸：) 为桩侧土沉降变化曲线，s p ( ：1 为桩身沉降变化曲线，两条曲线 的相交点就是中性点的位置。图2 3 ( b ) 中，j m l 包含两个部分：( 1 ) 桩端沉 降；( 2 ) 桩身弹性压缩量。通常桩身弹性模量远大于桩侧土，桩身的弹性压缩量 可忽略不计。 9 第2 章负摩阻力机理的研究 oxo 卜一 1 一 瞬一 i n1 - - - 卜hi 1 一 崞 。| 5 5 z ) 一 1 o 9 f 1 o0 90 8o 7 在j g j 9 4 - 9 4 建筑桩基技术规范5 2 1 6 3 条也指出： 中性点深度厶应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件确定，也可以参照下 表确定。 表2 - 2 中性点深度 持力层性质粘性土、粉土中密以上砂砾石、卵石基岩 中性点 0 5 o 60 7 o 8o 91 0 深度比厶乇 注：厶、乇分别为中性点深度和桩周沉降变形土层下限深度 1 0 第2 章负摩阻力机理的研究 桩穿越自重湿陷性黄土层时，l 。按表列值增大l o ( 持力层为基岩除外) 。 还有一种根据工程桩的工作性状类别来推估中性点深度乙的方法，这类方法 多半带有经验性质，大多是依据实测结果而得出的。国内外现场实测成果表明： 摩擦桩：厶= 0 7 0 8 毛 摩擦端承桩( 桩间土标准贯入击数n 2 0 ) ：厶= 0 8 0 9 ，0 支承在一般砂或沙砾层中的端承桩( 沉降在容许范围内) ： = 0 8 5 0 9 5 l o 支承在岩层或坚硬土层上的端承桩： 厶= 1 o t o 众多学者专家都将如何确定中性点位置定位为负摩阻力研究中一个非常关 键的问题，同时也对这一问题做了大量的实测和理论研究。许多实测经验表明， 中性点的位置与规范给出的经验值存在着不小的差距。中性点的深度与桩周土的 压缩性和变形条件、桩和持力层土的刚度等特性有关。在桩、土变形稳定前，它 也是变动的。 在马时冬( 1 9 9 7 ) 嗍对某高速公路的中桥桥台桩基础负摩阻力实测研究中， 测得中性点位置在1 5 1 6 米处，而根据规范估算中性点位置在2 3 米处，存在着较 大的差距。此后，陈福全、龚晓南、马时冬( 2 0 0 0 ) 【蜘又对此桩基负摩阻力作 了三维有限元研究，都指出造成中性点位置确定如此差异的大致原因是：规范估 算只考虑桩端持力层的性质，没有考虑桩周地面上附加荷载的大小，得出的中性 点是可能产生的最大深度。 当有地面堆载时，中性点的深度取决于堆载的大小，堆载越大，中性点位置 越深。例如宝钢某工程根据实测地基沉降推算7 1 m 长桩的中性点位置，当荷载 由2 7 k p a 增至8 0 k p a 时，中性点位置将由1 6 m 变为6 0 m ，即相当于( 0 2 2 o 8 5 ) 乇。 日本远腾等人对穿过深厚粉质粘土及粉土冲击层的四根钢管桩( 包括开口桩 和闭口桩) 进行了实测研究，结果表明，在此土质条件下，中性点的位置都在 ( o 7 3 0 7 8 ) l o 的狭小范围深度处( 厶为桩在固结土层内的长度) 。 软土中的端承桩试验表明，厶2t o ，即不存在中性点。 2 3 2 负摩阻力计算 对负摩阻力的计算通常采用以下列两种方法： 第2 章负摩阻力机理的研究 ( 1 ) 有效应力法 单位负摩阻力按下式确定： z = k t g 妒t ( 2 1 ) 式中o i 桩侧土深度z 处的竖向有效应力； 吒2 风+ y z u ： ( 2 - 2 ) p o 桩项平面以上的土重或堆载( k p a ) ； y 深度z 以上土的加权平均有效重度( k n m 3 ) ； z 自桩顶至计算深度z 的距离( m ) ； u z - 深度z 处的超孔隙水压力( k p a ) ；工程中不予测定时，取u z = 0 ，即为 有效应力最大值； k 一水平有效应力与竖直有效应力之比；可近似取静止土压力系数值； k t g 妒一与土质、桩型、成桩工艺有关的系数，由试验或实测确定；远腾和 毕杰隆( b j e r r u m ) 给出的k 留妒分别列于表2 - 3 、表2 _ 4 。 表2 - 3 远腾的k 留妒 土类土中含砂量( ) k t g q , 。 粘土、粉土 2 00 2 5 o 3 5 砂质粘土、粉土 2 0 5 00 3 5 o 5 5 砂土( n l m m ) 每产生o 2 m m 剪切位移记录 一次剪应力读数。 5 ) 终止剪切：剪切位移增长到6 m m 8 m m 时停止剪切。 6 ) 数据处理：绘制不同垂直压力下剪应力、摩擦系数随剪切位移发展的曲 线，分析各曲线趋势，并对各曲线进行数值拟合，得到拟合方程的参数。 3 3 试验影响因素及其相应措施 为了找出土与结构物材料接触面的特性，国内外许多学者进行了大量的接触 面摩擦试验 4 9 1 ，总结前人的经验，影响接触面性能的因素主要有材料表面的粗 糙程度、土的性质、法向压力、剪切速率等。本文应用不同的材料、不同埋深的 土层、以及不同等级的垂直压力分别加以考虑。 1 6 第3 章土与结构物材料接触面性能的试验研究 3 3 1 剪切过程中接触面积的修正及其处理 剪切过程中，由于剪切位移逐渐增大，试样与材料块体的接触面积逐渐减小， 则接触面内的压力分布会发生变化，引起测量结果的误差，有必要对此采取有效 措施进行修正处理。 u 图3 2 接触面积在剪切过程中减小情况 接触面积的修正： 图3 2 中阴影部分面积记为彳 止z ，2 一等一等网 其中：a u 为剪切位移( c a n ) ； ，为土样半径( 锄) 。 土样面积：彳：! ：! ：! ! ：3 0 c m ： 彳4 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 当u 分别发展到0 4 、0 6 、0 8 c m 时，生分别为9 1 7 5 、8 7 6 5 、8 3 5 5 。 彳 由此可以看出，随着剪切位移的发展，承受垂直方向压力的接触面面积在不断减 小。对于接触面积在剪切过程中变化引起的测量误差，一般是忽略的。 3 3 。2 剪切过程中发生偏向的处理 理想状态下，剪切过程中剪切上下盒的移动是反向的，且应该在同一直线上。 试验过程中往往发生剪切上盒顶杆偏向的现象，这必然会造成测量数据的失真。 1 7 第3 章土与结构物材料接触面性能的试验研究 这种情况应该尽量避免在试验中发生，因为偏向产生的误差无法进行估算，无法 采取可靠的措施对数据进行恢复处理。本文进行剪切试验时，除了必须及时记录 数据，还密切注意剪切上盒顶杆是否发生偏向。 3 4 试验结果统计分析 3 4 1 土与钢接触面直剪试验数据分析 ( 1 ) 牯土与钢接触面的直剪试验： 图3 3 为在不同的法向压力作用下，粘土与钢块接触面内剪应力t 与剪切位 移a u 的发展曲线： 图3 3 粘土与钢接触面内t a u 发展曲线 从图中可以看出，随着剪切位移的增长，接触面内剪应力不断增大；剪切位 移达到一定值之后，剪应力的发展趋于平缓；由图还可以明显地看出法向压力对 接触面内剪应力的影响：在不同的法向压力下，剪应力发展趋于平缓所需要的剪 切位移a u 是不同的( 这里将剪应力发展趋于平缓时所对应的a u 记为a 1 | l i ) ，法 向压力值越大，1 l i i 越大；并且，随着法向压力的增大，接触面内的剪应力也相 应增大。 由于剪切应力值没有出现峰值，而且不同法向压力下，各剪切应力发展曲线 几乎都在a u = 4 m m 时开始趋于平缓的，所以本文取a u = 4 m n l 对应的剪应力值 作为粘土与钢接触面抗剪强度包络线，如图3 4 所示。 第3 章土与结构物材料接触面性能的试验研究 图3 a 粘土与钢接触面抗剪强度包络线 由图3 4 可见，粘土与钢接触面的抗剪强度包络线，倾角为2 2 。，截距为2 。 由图3 3 考察接触面内t a u 关系是困难的，只能看出它是非线形的增长关 系，故利用1 】t a u 曲线考察t a u 的相互关系，如图3 5 所示。 图3 5 粘土与钢接触面内a l l t a u 关系曲线 图3 5 显示的信息很明显，“t a u 呈线形关系，各曲线可以用下式表示： a u f = a + b a u ( 3 3 ) 将上式变换可以的到： a “ 仁石i石(3-4) 上式表明了t a u 呈双曲线关系。 对式( 3 4 ) 求极限： 1 9 第3 章土与结构物材料接触面性能的试验研究 1 l i m f = 一 血_ + 6 ( 3 5 ) 由图3 5 也可以看出法向压力对接触面性能的影响：随着法向压力的增大， 1 l ，t a u 关系曲线的斜率减小，即式( 3 3 ) 中的b 值在减小。工程应用中， 各个计算式的参数大多具有一定的物理含义，b 值也同样具有物理含