（岩土工程专业论文）桩基负摩阻力试验及数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 负摩阻力会给桩基安全带来隐患，危害建筑物的安全使用，因此桩基负摩阻 力问题一直是桩基础研究和设计中的难点问题。 本文将超载一桩一土各组成部分看作一个整体进行分析，改进传统的传递函 数法，建立桩一弹簧一土的简化模型，在用矩阵位移法进行求解时，分别建立 桩方程、土方程，以弹簧方程表达二者之间的相互作用力，采用迭代算法对联 立方程进行求解。该方法考虑了地基土的分层特性和桩土间荷载传递函数的非 线性，可以方便地得到中性点位置、桩身轴力和桩侧摩阻力分布等。 本文介绍了负摩阻力模型试验设计的原理、试验方案、试验仪器和设备以 及试验过程，试验主要目的是研究桩侧土上有荷载情况下的桩基负摩阻力分布， 通过试验得出了在桩侧土有荷载情况下的桩基负摩阻力分布特性，针对试验存 在的不足，对今后的此类试验提出了改进方法。 采用大型通用数值软件对岩土工程问题进行数值模拟分析，是当今岩土工 程界进行岩土工程科学研究和理论研究的前沿手段，本文采用p l a x i s 3 d f o u n d a t i o n 对桩基负摩阻力问题进行了数值模拟分析，通过建立桩土有限元模 型，模拟了桩土界面性质、桩侧土和桩端土弹性模量、超载和桩顶荷载、土体 固结等对桩基负摩阻力的影响，分析了有无桩顶荷载情况下的桩基负摩阻力分 布特点。 最后，本文还对群桩的负摩阻力特性进行了数值模拟，分析了有无承台两 种情况下的群桩负摩阻力分布特点，并结合工程实例对实际工程中的负摩阻力 问题进行了分析计算。 关键词：超载，负摩阻力，中性点，荷载传递，模型试验，数值模拟 a b s t r a c t ab s t r a c t t h en e g a t i v es k i nf r i c t i o nw i l lb r i g h ta b o u th i d d e n d a n g e rt o t h ep i l ea n d e n d a n g e rt h eb u i l d i n g , t h e r e f o r e ，t h en e g a t i v es k i nf r i c t i o np r o b l e mi sa l w a y st h e d i f f i c u l tp o i n ti nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fp i l ef o u n d a t i o n i n t h i sp a p e r , t h eo v e r l o a d ，p i l ea n ds o i la r ec o n s i d e r e da sw h o l eb o d y t h e t r a n s f e rf u n c t i o nm e t h o di si m p r o v e d r e d u c e dm o d e lo fp i l e - s p r i n g - s o i li sp r e s e n t e d t h ee q u a t i o n so fp i l e ，s o i la n ds p r i n ga r eb u i l d ，i t e r a t i v em e t h o di su s e dt os o l u t et h e s i m u l t a n e o u se q u m i o n s t h em e t h o dc o n s i d e r st h el a y e r e ds o i la n dn o n l i n e a rp r o p e r t y o ft r a n s f e rf u n c t i o n i ti se a s yt og e tt h ec a l c u l a t i o nd a t aa n df i g u r e ss u c ha sn e u t r a l p o i n t , a x i a lf o r c ea n df r i c t i o nd i s t r i b u t i o n am o d e lt e s ti sc o n d u c t e dt os t u d yt h ed e v e l o p m e n to fn e g a t i v ef r i c t i o nc a u s e d b yo v e r l o a d t h ed e s i g np r i n c i p l e ，t h es p e c i f i ci m p l e m e n t i n gs c h e m e ，t h et e s t i n s t r u m e n ta sw e l la st h ep r o c e d u r ei sd e s c r i b e di nd e t a i l a r e r w a r d s ，t h ed a t ai s a n a l y z e da n dt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h en e g a t i v ef r i c t i o na l o n gt h ep i l e f o u n d a t i o ni so b t a i n e d s o m es u g g e s t i o na b o u tm o d i f y i n gt h es i m i l a rm o d e lt e s ti s s u g g e s t e db a s e do nt h ef i n d i n g sa b o u tt h ed e f i c i e n c y n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sal e a d i n gm e t h o di ns o l v i n gp r o b l e m si ng e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g t og e tf u r t h e rk n o w l e d g ea b o u tt h eb e h a v i o ro fn e g a t i v ef r i c t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hp l a x i s 一3 df o u n d a t i o ni sc a r r i e do u tc o n c r e t e l y , s o m e s i g n i f i c a n tf a c t o r s ，s u c ha st h ec h a r a c t e ro fi n t e r f a c e ，t h es o i le l a s t i cm o d u l u s ，t h e o v e r l o a da n dt h el o a do nt h et o po ft h ep i l ea sw e l la st h es o i lc o n s o l i d a t i o na r e a n a l y z e d a l s o ，i nt h ec a s e so fw i t ha n dw i t h o u tl o a do nt h et o po ft h ep i l e ，t h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fn e g a t i v ef r i c t i o ni sd i s c u s s e d i na d d i t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fn e g a t i v ef r i c t i o no fp i l eg r o u pi ss i m u l a t e da n d t h ed i f f e r e n c et h a tw i t ha n dw i t h o u tp i l ec a pi sa n a l y z e d a tl a s t ，t h er e s e a r c hf i n d i n g s a r ea p p l i e dt op r a c t i c ea n dn e g a t i v ef r i c t i o nd i s t r i b u t i o no fa na c t u a le n g i n e e r i n gc a s e i sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d i i a b s t r a c t k e yw o r d s ：o v e r l o a d ，n e g a t i v es k i nf r i c t i o n ，n e u t r a lp o i n t ，l o a dt r a n s f e r ，m o d e lt e s t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i 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：易系办 珥三昱兰 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 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、己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。 寥善秒 j r 月矿e l 孙 年 签圻f 塞 妒 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 建筑工程中，天然地基作为传统的承受上部结构荷载的型式，具有经济、 施工简单且快速等优点。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，随着近代科学技术的发展以及大城市大工程， 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、构筑物的 大量兴建，桩基础作为分担荷载和控制变形的手段，已成为在土质不良地区修 建各种建筑物所采用的最广泛的基础型式，如图1 1 所示，桩基础是人类在软 弱地基上建造建筑物的一种构造，是最古老、最基本的基础类型。桩基础具有 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、大的建筑要求。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 o m ：已建成的中国第一高楼上海环球金融中心坐拥1 0 1 层 高4 9 2 o m ，采用的也是桩基础，在建的中国第一高楼上海中心其基础型式也将 采用桩基础。由此可见，桩基础以其独特的适用性在工程中得到了大量使用。 图1 1 桩基与承台示意图 桩基础主要有以下几个特点： ( 1 ) 桩支承于坚硬的( 基岩、密实的卵砾石层) 或较硬的( 硬塑粘性土、 第1 章绪论 中密砂等) 持力层，具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载力，足以承担高层 建筑的全部竖向荷载( 包括偏心荷载) ； ( 2 ) 桩基具有很大的竖向单桩刚度( 端承桩) 或群刚度( 摩擦桩) ，在自 重或相邻荷载影响下，不产生过大的不均匀沉降，并确保建筑物的倾斜不超过 允许范围； ( 3 ) 凭借巨大的单桩侧向刚度( 大直径桩) 或群桩基础的侧向刚度及其整 体抗倾覆能力，抵御由于风和地震引起的水平荷载与力矩荷载，保证高层建筑 的抗倾覆稳定性； ( 4 ) 桩身穿过可液化土层而支承于稳定的坚实土层或嵌固于基岩，在地震 造成浅部土层液化与震陷的情况下，桩基凭靠深部稳固土层仍具有足够的抗压 与抗拔承载力，从而确保高层建筑的稳定，且不产生过大的沉陷与倾斜。 一般说来，下列情况可考虑采用桩基础方案： ( i ) 天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑物； ( 2 ) 天然地基承载力基本满足要求，但沉降量过大，需利用桩基减少沉降 的建筑物，如软土地基上的多层住宅建筑，或在使用上、生产上对沉降限制严 格的建筑物； ( 3 ) 重型工业厂房和荷载很大的建筑物，如仓库、料仓等； ( 4 ) 软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物； ( 5 ) 作用有较大水平力和力矩的高耸结构物( 如烟囱、水塔等) 的基础， 或需以桩承受水平力或上拔力的其他情况； ( 6 ) 需要减弱其振动影响的动力机器基础，或以桩基作为地震区建筑物的 抗震措施； ( 7 ) 地基土有可能被水流冲刷的桥梁基础； ( 8 ) 需穿越水体和软弱地层的港湾与海洋构筑物基础，如栈桥、码头、海 上采油平台及输油、输气管道支架等。 1 2 桩基负摩阻力产生的机理及危害 1 2 1 负摩阻力产生的机理 在工程实践中，桩可以作为基础直接承受上部荷载的作用，也可以作为软 2 第l 章绪论 弱地基的增强体以增强地基的承载力，如桩土共同承受上部荷载的作用形成复 合地基。但无论作为基础还是形成复合地基桩都要依靠土的作用才能承受上部 荷载，都是通过土对桩作用桩侧摩阻力和桩端阻力来实现的，工程设计中根据 这两种阻力对桩的承载力的贡献大小，把桩分为摩擦桩、端承桩和摩擦端承桩。 在这三类桩型中，都要不同程度地考虑到桩侧摩阻力。一般情况下，桩受轴向 荷载作用后，桩相对桩侧土做向下位移，使土对桩产生向上作用的摩阻力，称 之为正摩阻力，对于摩擦桩正摩阻力提供其所有的承载力：对于端承桩或摩擦 端承桩，正摩阻力也能不同程度上提高其承载力。但当软弱土层由于自重固结、 自重湿陷以及桩周地面存在大面积超载时，桩周土层的附加应力增加，导致沉 降增加，其后果是桩周土层向下的位移大于桩身的位移，因此，土相对于桩向 下运动，对桩产生向下的摩阻力，通常称之为负摩阻力，如图1 2 所示。 r 刊睦 下 警j ；巳o ：= ：二三： 沉刀：?；二：二： 中n0i卜一二：z 筝玎霞 点：f = ：三= = 图1 2 桩基正负犀阻力的形成 有可能使桩发生负摩阻力的环境条件如下晗1 ： ( 1 ) 穿过欠固结的土层( 松散填土或河口与河岸的新沉积土层) 而支撑于比 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 ) 在正常固结粘土或粉土地基中，当桩侧土层因抽水或其他原因导致大面 积地下水位下降，上覆土自重增大及土中的有效应力增加以致大范围内出现地 区性下沉时； ( 3 ) 桩设置在自重作用下虽已完全固结的软粘土地基中，当桩侧地面受到大 面积的地面超载( 堆载或填土) 作用而大量下沉时； ( 4 ) 桩设置在易受环境影响( 浸水、解冻、动力振动或地震等) 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 第l 章绪论 中。当受水浸湿、融化或受振液化导致地基土大量下沉时； ( 5 ) 饱和粘土中打入密集的桩群，打桩会使高敏感度的粘土受扰动，引起超 孔隙水压力。土体大量上涌，随后重塑土体因超孔隙水压力消散和触变作用而 又重新固结时； ( 6 ) 设在膨胀土地基中的桩，由于膨胀土绝大部分是低压缩性土，其固结压 缩变形小，且在建筑物竣工时已基本完成，因此膨胀土桩基中土的固结压缩变 形不是主要的，主要的是受周期性季节气候变化影响的膨胀变形。由于地基土 的胀缩变形是反复变向的，且主要发生在大气影响层的深度限制，估计负摩阻 力形成的下拉荷载不会太大； ( 7 ) 在采用压桩法沉桩的桩基中，由于桩身上段在压力解除后将会产生向上 的回弹，此回弹作用将使桩侧土产生负摩阻力，此负摩阻力虽可由桩身下段的 正摩阻力所抵消而不致引起桩工作状态的异常，但在桩正式承担荷载时将会使 桩的承载力降低； ( 8 ) 水下桩基建成后，由于河床的大量冲刷和随后的大量沉淀淤积，形成欠 固结的淤泥层回淤在桩周围，该淤泥层将随时间而固结沉降，从而将产生一定 的负摩阻力。 1 2 2 中性点及其位置的确定 负摩阻力并不一定发生于整个软弱压缩土层中，产生负摩阻力的范围是桩 侧土对桩产生相对下沉的范围，它与桩侧土层的压缩、桩身弹性压缩变形和桩 端下沉直接有关。桩侧土层的压缩决定于地表作用荷载( 或土的自重) 和土的 压缩性质，并随深度逐渐减小；而桩在荷载作用下，桩底的下沉在桩身各截面 都是定值，桩身压缩变形随深度逐渐减小，因此桩侧土下沉量有可能在某一深 度处与桩身位移量相等。在此深度以上桩侧土下沉大于桩的位移，桩身受到向 下作用的负摩阻力，在此深度以下，桩的位移大于桩侧土的下沉，桩身受到向 上作用的正摩阻力，正负摩阻力变换处的位置即称之为中性点，如图1 2 中所示。 中性点的位置取决于桩与桩侧土的相对位移，与作用荷载和桩周土的性质 有关。建筑桩基技术规范口1 中规定：中性点深度l 应按桩周土层沉降与桩沉 降相等的条件计算确定，如表1 1 所示。当桩侧土层压缩变形大，桩底下土层坚 硬，桩的下沉量小时，中性点位置就会下移。此外，由于桩侧土层及桩端土层 4 第l 章绪论 的性质和作用荷载不同，其变形不一样，中性点位置随时间也会有所变化。 表1 1 中性点深度乞 持力层性质粘性土、粉土中密以上砂砾石、卵石基岩 ie 性u ：t , , l o o 5 旬60 7 o 80 91 o 注：i 厶、，o 分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周沉降变形土层下限深度； 2 桩穿越自重湿陷黄土层时，l 按表列值增大1 0 ( 持力层为基岩除外) l 3 当桩周土层固结与桩基固结沉降同时完成时，取乙= o ； 4 当桩周土层计算沉降量小于2 0 o m m 时，厶应按表列值乘以o 4 o 8 折减。 另一种确定中性点深度厶的方法是按工程桩的工作性状类别分别推估的，这 种方法多半带有经验性质，其依据是实测结果，国内外现场测试成果表明： 摩擦桩：厶= 0 7 0 8 o 摩擦端承桩( 桩尖土标准贯入击数n 耋2 0 ) ：厶= 0 8 0 支承在砂或砂砾层中的端承桩( 沉降在允许范围内) ：厶= 0 8 5 0 9 5 1 0 支承在岩层或坚硬土层上的端承桩：厶= 1 o ，0 i 2 3 负摩阻力的时间效应问题 桩基设计中普遍存在着时间效应问题，例如打入桩沉桩过程中土中总应力 的增长和松弛消散，孔隙水压力随固结过程的消散，软土淤泥及淤泥质土的触 变效应，土沿桩身荷载传递过程中均受到以上因素的影响而出现时问效应现象。 当桩基负摩阻力涉及桩周土自身的欠固结和新荷载引起的附加固结问题，时间 效应更加突出h 。 桩基负摩阻力的产生和发展这一时间过程的长短首先取决于桩周土固结完 成所需时间。固结土层愈厚，渗透性愈低，负摩阻力达到其峰值所需时间愈长。 其次，这一时间过程的长短还与桩身沉降完成的时间有关。当桩的沉降先于固 结土层固结完成的时间，则负摩阻力达到峰值后就稳定不变，如端承桩。反之， 当桩的沉降迟于桩周土沉降的完成，则负摩阻力达到峰值后又会有所降低，如 有的摩擦桩桩端土层蠕变性较强者，就会出现这种特点，不过较为少见。与此 相关的，中性点位置也同样存在着时间效应。一般说，中性点的位置大多是逐 步降低的，即中性点的深度是逐步增加的。无论桩的轴向压力还是下拉荷载都 5 第1 章绪论 是随着桩周土固结过程不断增加的，例如实测资料表明，自重湿陷性黄土的湿 陷过程中以砂卵石为持力层的桩基负摩阻力及中性点的深度都逐步增长。 1 2 4 负摩阻力的危害 桩基负摩阻力的发生将使桩侧土的部分重力传递给桩，负摩阻力不但不能 成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，对入土深度相同的桩 来说，若有负摩阻力发生，则桩的外荷载增大，桩的承载力相对降低，桩基沉 降加大，桩周负摩阻力的存在使桩的负荷过大，造成桩基沉降加剧，从而影响 上部结构的安全。群桩负摩阻力的存在对桩基产生的影响更大，群桩负摩阻力 增加了桩身的竖向荷载，减小了桩端标高处土的覆盖压力，对桩的沉降产生的 影响更大。一些实测资料表明，下拉荷载的数值极为可观，如设计时未加考虑， 就有可能使桩所承受的实际荷载过大，从而使桩基的沉降过大或使桩的结构受 到损坏。负摩阻力对桩基的破坏作用，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 桩侧表面的总负摩阻力( 下拉荷载) 有可能使桩的负荷过大，从而使桩基 的沉降过大或桩身结构受到损坏； ( 2 ) 由于桩承担了一部分土体重量，负摩阻力减小了桩端标高处土的有效覆 盖压力，这可能导致桩端阻力降低； ( 3 ) 当建筑物的部分基础或同一基础中部分桩基发生负摩阻力，将出现群桩 的不均匀沉降，致使上部结构破坏。 1 2 5 减少和防治负摩阻力的措施 负摩阻力可产生于施工阶段和使用阶段，所以负摩阻力的防治应分别在这 两个阶段进行。施工阶段负摩阻力的防治尤其关键，这个阶段能有效的防止负 摩阻力的产生，最大限度的减少负摩阻力对基础的危害。在现场施工中常采取 以下措施以避免和减少施工过程中可能出现的负摩阻力哺1 ： ( 1 ) 建筑场地平整造成较厚的回填土，回填土的固结将对桩产生负摩阻力， 应对回填土进行压密，压密度可按建筑物荷载而定； ( 2 ) 建筑物桩基影响范围内存在欠固结的软弱压缩土层时，采用换土或打砂 桩等方法进行地基处理，避免地面堆载引起压缩土层下沉量大于桩身的下沉量 而产生负摩阻力； 6 第l 章绪论 ( 3 ) 大面积地面堆载场地，增设保护桩减少桩周土层固结产生的负摩阻力； ( 4 ) 对有大量地表水向下渗流和场地地下水大量抽降，且又采用桩基础的建 筑物，其地面应设置良好的排水设施以及采取有效措施处理抽水后形成的土层 下沉( 如增加支承桩) ； ( 5 ) 确定桩存在负摩阻力后，应通过计算取得负摩阻力值，利用正、负摩阻 力的极限平衡条件，采取适当的措施，如加长桩尖进入持力层的厚度，增大正 摩阻力以抵消桩的负摩阻力； ( 7 ) 计算出桩的中性点，在中性点上段涂刷强而耐久的防护涂料如沥青等， 减少桩的负摩阻力； 对于负摩阻力的防治在工程设计中主要通过对基础处理和桩身处理，以减 少地基和桩身沉降达到减少负摩阻力的目的。目前，工程中一般采用以下几种 措施以减少可能产生的负摩阻力： ( 1 ) 承柱桩法，通过增大桩断面来承受负摩阻力； ( 2 ) 群桩法，通过增加桩数来体现群桩效应，以减少负摩阻力； ( 3 ) 涂层法，对于预制打入桩，打桩前在中性点以上桩身涂沥青涂层，涂层 产生剪应变，降低桩表面的负摩阻力； ( 4 ) 地基浸水法，使地基先浸水，增加孔隙水压力，降低桩侧摩阻力； ( 5 ) 分段施工法，将桩基施工一段时间后，再继续其上部的结构施工，可以 缓解负摩阻力的作用； ( 6 ) 软土地基处治，为了避免桩基沉降，消减桩基负摩阻力，如在钻孔灌注 桩施工之前，先在桥台软土地基地段实施处治，以减少由于软土沉降对桥台桩 基产生的负摩阻力，达到减少负摩阻力的目的； ( 7 ) 套管保护桩法，在中性点以上段罩上一段直径大于桩径刚套管，使该桩 身不致受土的负摩阻力作用。 1 3 桩基负摩阻力的研究现状 负摩阻力问题的出现，对桩基础的设计和计算提出了新的课题、新的挑战。 虽然我国建筑行业等的相关规范中也涉及到了桩基负摩阻力问题，但对负摩阻 力有关计算的规定远远无法满足工程实践的需要。桩基负摩阻力的确定、考虑 负摩阻力的沉降计算、桩基负摩阻力的检测等一系列问题还有待于进一步明确。 7 第l 章绪论 无论是地基承载力不足、桩身破坏还是上部结构的不均匀沉降都是引起工 程事故的重要原因，由负摩阻力导致工程失败的例子屡见不鲜，可见负摩阻力 引起的危害应引起重视，研究和探讨桩基负摩阻力对桩在工程领域中的广泛应 用具有重要的理论和现实意义。 在2 0 世纪2 0 3 0 年代太沙基创建土力学的初期，人们就已经注意到了负摩 阻力这一现象，国内外对桩基的负摩阻力也开展了大量的研究工作，国外研究 负摩阻力始于2 0 世纪5 0 年代，在6 0 年代和7 0 年代达到全盛时期，进入8 0 年 代随着国外桩基技术水平的提高特别是钢管桩的大量应用，在一定程度上解决 了桩基的负摩阻力问题，导致这方面的研究逐渐减少。国内对负摩阻力的研究 稍晚一些，因为我国还处于大规模基础设施的建设期，仍然大量使用钢筋混凝 土预制桩和灌注桩，加之在东部沿海地区软土和淤泥质土分布广泛，地质条件 复杂，所以负摩阻力还存在很多值得研究的问题。 早在1 9 4 8 年，k t e r z a g h i 和r b p e c k 在s o i lm e c h a n i c s i n e n g i n e e r i n g p r a c t i c e ) ) 一书中就提出了打入可压缩土层中的桩会因土层固结而使桩受到向下 的负摩阻力问题，并给出了简单的计算公式1 。到目前为止，对于桩基负摩阻力， 国内外学者从试验和现场测试、理论分析以及数值模拟方面进行了大量的研究 与探索，并取得了一些进展h 1 。 1 3 1 桩基负摩阻力的试验及现场测试研究 从2 0 世纪6 0 年代初起，国内外学者就开始从试验和工程现场实测资料来 分析和研究桩基负摩阻力，试验可分为室内试验和现场试验。在工程实践中， 对于一般工程采用中性点法来确定桩侧摩阻力，而对于重要工程采用现场试验 来确定，现场试验具有较大的可靠性，是研究桩基负摩阻力的有效方法。自负 摩阻力问题出现以来，北欧、日本、加拿大、美国、及我国就陆续开展了一些 大规模的试验和现场测试研究，在这方面取得了不少有意义的成果： 1 9 6 5 年，l a j e r r u m 通过对钢管桩的负摩阻力实测资料的分析陋1 ，提出了有 效应力计算负摩阻力的方法。1 9 6 9 年，l a j e r r u m 、o e i d e 等对沥青涂层桩和无 涂层桩上的负摩阻力情况进行了研究，认为沥青涂层能够大幅度地减小负摩阻 力值旧。1 9 6 9 年始，b r o m s 、f e l l e n i u s 等分析了打入桩沉桩过程中土体扰动后再 固结过程使土对桩产生了负摩阻力n 刖。1 9 6 9 年，m b o z o z u k 和a l a b r e c q u e d u i 8 第l 章绪论 对桩基负摩阻力观测资料进行了分析n 7 1 。1 9 6 9 年，e n d o m 等对不同桩的实测 负摩阻力值用有效应力法和总应力法进行了分析n 羽。1 9 7 2 年和1 9 8 4 年，f e l l e n i u s 以试验为基础并结合其他试验成果对用于减小负摩阻力的桩身涂刷沥青涂层的 实用性方面进行了研究n 螂1 。1 9 7 3 年，w a l k e r 等比较了钢桩桩身有无沥青涂层 条件下的负摩阻力分布瞳。1 9 7 7 年，t o k a b e 通过实测研究了桩在填筑和地面自 然沉降情况下负摩阻力的发展情况以及施加桩顶荷载对负摩阻力的影响啪1 。 1 9 7 7 年，i n o u e 和t a m a o k i 等人研究了一个由负摩阻力引起桩基建筑物下沉的实 例，分析了差异沉降与负摩阻力之间的关系瞳3 】。1 9 8 1 年，c l e m e n t e 比较了混凝 土桩身有无沥青涂层条件下的负摩阻力变化乜町。1 9 8 2 年，t f u k u y a ，t t o d o r o k i 和m k a s u g a 利用现场实测数据，对n f 桩和普通桩上负摩阻力进行了对比研究， 验证了n f 桩对降低负摩阻力的效果口钉。1 9 8 2 年，t o r us h i b a t a 通过模型试验研 究了群桩的负摩阻力特性和沥青涂层降低桩基负摩阻力的效果剃刀。1 9 8 8 年， 李光煜等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 法进行了一些探讨剃刚。1 9 8 8 年，在香港地区对n f 桩和普通桩上的负摩阻力进 行了对比测试研究啪1 。1 9 8 9 年，j a l i r l e 利用模型试验研究了超载作用下的负 摩阻力口。1 9 9 1 年，在东京沿海的国际机场建设项目中研究了桩基负摩阻力以 及涂层对负摩阻力的影响，提出利用吒计算侧摩阻力取值时的建议一1 。1 9 9 5 年，e r g u n 利用模型试验研究了桩间距对负摩阻力群桩效应的影响m 1 。1 9 9 5 年， 吴一伟利用室内模型试验研究了砂土液化后桩侧负摩阻力与地面沉陷之间的关 系嘲。1 9 9 7 年，陆明生通过对单桩的表面负摩阻力的模型试验研究和非线性平 面有限元分析结构，参考国内外现场实测资料，给出了估算单桩负摩阻力及下 拉荷载的经验公式汹1 。1 9 9 7 年，马时冬根据某桥台灌注桩负摩阻力的测试结果， 对各种计算方法和参数选取进行了对比分析m 1 。1 9 9 8 年，吴文利用滑动测微计， 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嘲1 。 1 9 9 9 年，k h l e e 等人利用模型试验研究了负摩阻力与土体的超孔隙水压力消 散、土体的不排水剪强度、桩的粗糙度及桩土相对位移之间的关系嘲1 。2 0 0 2 年， 谢耀峰、王云球以湛江港高桩码头所用工程桩为原型制作了模型，研究了港口 工程中的桩基负摩阻力问题。2 0 0 4 年，c e l e u n g ，b k l i a o 利用离心机试验， 对只受负摩阻力的单桩和同时受负摩阻力和桩顶荷载的单桩进行了研究h 。 2 0 0 5 年，律文田等根据软土地区桥台桩基负摩阻力现场测试的成果，研究了桥 台路基上有填土时桥台基桩内力和负摩阻力的变化规律纠3 1 。2 0 0 5 年，在上海 9 第1 章绪论 地区对洋山港接岸结构中的桩基负摩阻力进行了测试，研究了桩基在抛填作用 下负摩阻力的发展变化1 。2 0 0 6 年，童建国进行了固结软土中的单桩负摩阻 力离心机模型试验研究。 1 3 2 桩基负摩阻力的理论研究 桩基负摩阻力的研究实际上是对桩与桩侧土的相互作用机理问题的深入探 讨，对于桩土相互作用的理论研究，主要可分为以下几种方法：荷载传递法， 弹性理论法，剪切位移法和有限元法等，这几种研究方法可以扩展到带负摩阻 力的桩基研究中去，本文将在第二章对其进行介绍，这里只对其研究进展进行 简单陈述。 1 9 6 9 年，p o u l o s 和m a t t e s 基于地基中应力的m i n d l i n 解，提出了弹性理论 计算负摩阻力的方法h 7 1 。1 9 7 2 年，p o u l o s 和d a v i s 在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。1 9 7 5 年，赵锡宏对层状土中的桩基负摩 阻力进行了研究，提出确定中性点的逐次趋近法。1 9 8 4 年，a l o n s o ，e e ，j o s a ， a & l e d e s m a ，a 提出了适用于非均质土层负摩阻力的荷载传递法侧。1 9 9 0 年， y k c h o w 、j t c h i n 和s l l e e 将弹性理论法对单桩的分析推广到群桩上的负摩 阻力分析哺。1 9 9 1 年，周国林对佐滕悟的传递函数法进行了改进，基于太沙基 一维固结理论建立了单桩负摩阻力随时间发展的计算模型哺糊1 。1 9 9 3 年，c y l e 它 提出了用简化的双曲线模型来模拟桩土界面处的土应力与应变的关系，桩与桩 之间的相互作用采用改进的m i n d l i n 解析解，是一种结合了弹性理论法和传递函 数法的混合方法一1 。1 9 9 3 年，c h l i m 等提出了可考虑桩土界面产生滑移的离 散元方法来分析单桩上的负摩阻力呻1 。1 9 9 4 年，殷宗泽等分析了土与混凝土接 触面上的剪切变形特性瞪刀。1 9 9 5 年，t e h 和w o n g 提出了一种新的迭代方法来求 解端承群桩上的负摩阻力闺1 。1 9 9 6 年，c h o w 等用三种分析方法对群桩负摩阻力 的计算结果进行了广泛的对比嘲。2 0 0 0 年，屠毓敏等从桩一土相互作用的机理 出发，建立了置于非均质地基中负摩阻桩荷载传递的弹性微分方程，利用太沙 基一维固结理论和土层分层总和法求得堆载作用下土层沉降随深度和时间变化 的规律旧1 。2 0 0 0 年，王建华利用b o i t 固结理论和第二类f r e d h o l m 积分方程对单 桩负摩阻力的进行了分析哺1 1 。2 0 0 3 年，夏力农等分析了带负摩阻力桩基的荷载 传递特点，比较了带负摩阻力桩的实际工作状态与静载试压条件下的工作性状 1 0 第1 章绪论 之间的差异嘲。2 0 0 4 年，赵明华等对佐藤悟的双折线模型进行了改进，以荷载 传递法建立了桩基负摩阻力的微分方程。2 0 0 5 年，袁灯平等利用太沙基固结 理论建立了桩侧表面负摩阻力非线性解析解模型。2 0 0 6 年，陈仁朋等在总结 前人研究成果的基础上，改进了反应桩土界面荷载传递性状的双曲线模型，改 进后的模型可以描述随着地基土的固结，桩侧土初始剪切刚度随时间增长及桩 土界面的加载、卸载循环剪切特性嘲。2 0 0 8 年，蒋庚伯利用弹性理论法和荷载 传统法相结合分析了路堤桩的荷载传递特性及负摩阻力特性。 1 3 3 桩基负摩阻力的数值分析研究 近年来，随着大型通用软件的研发使用如f l a c 2 d & 3 d ，a b a q u s ， p l a x i s 2 d & 3 d 等，人们开始采用此类软件对桩基负摩阻力进行研究。 1 9 9 5 年，施健勇等采用邓肯一张模型和修正剑桥模型，并设置了古德曼接 触面单元对负摩阻力进行了研究咖。2 0 0 2 年l e e 等用a b a q u s 对群桩上的负摩 阻力问题进行了二维和三维分析，分析了土层与桩基等参数对桩基负摩阻力的 影响旧1 。2 0 0 3 年，汪鹏程等编制有限元程序，对冻结井壁融沉作用在井壁上产 生的负摩阻力进行了塑性分析侧。2 0 0 4 年，袁灯平等利用a n s y s ，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的三维有限元分析模型叫。 2 0 0 4 年，马远刚等用a l g o r 程序对桩侧负摩阻力进行了研究n 。2 0 0 5 年，e m i l i o s m c o m o d r o m o s 等用f l a c 3 d 对单桩和群桩中的负摩阻力进行了三维非线性分 析嘲。2 0 0 5 年，夏力农等用有限元法研究了桩顶荷载对桩基负摩阻力的影响h 。 2 0 0 6 年，a d e lm h a n n a 用c r i s p 对粘土中单桩的负摩阻力进行了分析h 钔。2 0 0 8 年，赵明华建立了一个描述桩土能量传递过程的能量平衡方程，从讨论桩身变 形能与外力做功之间的关系出发，将能量法方程引入负摩阻力的数值计算射。 数值分析方法特别是有限元软件在计算中可以考虑影响桩基负摩阻力的多 种因素，建模及计算速度快，已经成为目前比较流行的分析手段。 对于桩基负摩阻力的研究，还有其他一些诸如神经网络法之类的数学方法， 如王建华将b p 型神经网络法结合信息扩散方法引用与单桩沉降的预估，建立了 以l i d 预估工作荷载下单桩沉降的神经网络模型h 明，此外，还有其他一些方法 诸如边界单元法等。 目前，国内学者对桩基负摩阻力的研究比较多，对负摩阻力的影响及解决 第l 章绪论 办法也提出了很多观点和意见，这些研究成果对今后桩基负摩阻力的研究及桩 基础设计有借鉴意义，也将促进桩基负摩阻力的研究向更深入的方面发展。 1 3 本文研究内容 在实际工程中，除少量大直径桩是单桩基础外，桩基础一般都是由多根桩 用承台连接而成的群桩基础，群桩的工作特性与单桩特性密切相关，只有先对 单桩负摩阻力机理透彻了解，才能通过群桩效应来求群桩的负摩阻力。因此本 文从单桩入手，总结以往的计算方法并提出改进的计算方法，进而通过室内试 验及数值模拟，分析了桩侧土上有超载情况下的桩基负摩阻力特性，最后结合 工程实例分析了群桩的负摩阻力特性，得出了一些有意义的结论。 本文总结了单桩负摩阻力常用的实测计算及理论计算方法，并改进传统的 传递函数法中桩侧土没有沉降的假定，将超载一桩土各组成部分看作一个整 体进行分析，建立桩一弹簧一土的简化模型，采用迭代算法对联立方程进行求 解。该方法考虑了地基土的分层特性和桩土问荷载传递函数的非线性，可以方 便地得到中性点位置、桩身轴力和桩侧摩阻力分布等。 本文负摩阻力模型试验是在同济大学岩土工程重点实验室内进行的，试验 主要目的是研究桩侧土上有荷载情况下的桩基负摩阻力分布，详细介绍了负摩 阻力模型试验设计的原理、试验方案、试验仪器和设备以及试验过程，并对试 验结果进行了分析，同时对今后的此类试验提出了改进方法。 本文采用p l a x i s 一3 df o u n d a t i o n 对桩基的负摩阻力问题进行了大量的数值模 拟分析，分析了桩侧土上有超载时桩土界面性质、桩侧土和桩端土性质，桩项 荷载和超载、土体固结等对桩基负摩阻力的影响，比较了有无桩顶荷载两种情 况下的负摩阻力特点。 针对群桩的负摩阻力问题，本文结合工程实例对群桩负摩阻力特性进行了 数值模拟分析，分析了有无承台两种情况下的群桩负摩阻力分布特点。 1 2 第2 章桩基负摩阻力的计算方法 2 1 引言 第2 章桩基负摩阻力的计算方法 桩基问题的实质是承载力和沉降问题，软土地基广泛分布于我国东部沿海 地带，由于它承载力比较低，沉降变形大，在各种建筑物和构筑物中，桩基础 的应用很广泛，在实际工程中，桩基通常是由群桩所组成，但群桩分析的理论 很大程度上取决于单桩的受力性状，而且人们不断尝试建立单桩和群桩沉降之 间的关系，用于估算群桩沉降，只有对单桩的沉降机理和各种计算方法的适用 条件有清楚的认识，才能做好桩基础的设计，这是因为：( 1 ) 近年来在工程建 设实践中采用一柱一桩的单桩结构的情况日益增多，因此单桩沉降计算就成为 设计计算中的一个实际问题；( 2 ) 可以通过研究单桩问题来探索单桩沉降与群 桩沉降之间的关系；( 3 ) 在进行群桩内力分析时往往需要提供单桩的轴向刚度， 而单桩轴向刚度的确定又常常依赖于单桩沉降的分析。 2 2 常用的桩基负摩阻力实测计算方法 对实测负摩阻力的分析方法有两种：总应力法和有效应力法。一般通过应 力计或应变计实测得到桩的轴力后，可分段求出桩身的侧摩阻力。总应力法是 将负摩阻力，m 与土的不排水剪强度建立联系，而有效应力法是将负摩阻力，m 同桩段处的有效应力佤j 建立联系。 在桩土产生足够大的相对位移的情况下，可用有效应力法或用总应力法计 算桩侧极限负摩阻力。桩土间的相互作用力是由两部分组成：粘聚力和摩阻力。 对于不同的桩材料与土质，两部分之间所占的比重不同。利用有效应力法计算 时，可将桩土间的粘聚力折算为摩阻力，而利用总应力法计算时，可将摩阻力 折算为粘聚力，两种方法所取的系数为一综合经验系数。无论哪种算法，均与 土中有效应力或土的固结程度有关，应考虑时间因素对孔隙水压力或土的不排 水剪强度的影响。 总应力法和有效应力法分别由t o m l i n s o n 和b u r l a n d 提出的，下面分别加以 第2 章桩基负摩阻力的计算方法 论述： 1 总应力法 总应力法表达式为，m2 纰”，式中口为负摩阻力系数，巳为粘性土的不排 水剪强度。 总应力法表达式中的c 。有多种测试方法，如直剪固结快剪试验、固结不排 水三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验、现场十字板剪切试验等，不同测试方 法得到的测试结果会略有差异。日本对于总应力法的研究较为深入，并提供实 测负摩阻力与土的不排水剪强度数值。 综合各地实测情况和负摩阻力分析方法的探讨可见： ( 1 ) 对于深厚的欠固结软粘土地区进行大面积大厚度填筑时( 如挪威) ， 若对软粘土强度增长缺乏定量化的研究，用有效应力法计算桩上负摩阻力可得 到较为合理的计算结果，p 值一般在较小的范围之内( 0 2 0 0 2 5 ) ； ( 2 ) 对厚层粉土地区( 夹有薄层砂) ，由于长期抽取地下水造成地面沉降 的情况下，用总应力法取口l o 一般可得到较为理想的预测结果( 如日本) ； ( 3 ) 在地面高路堤填筑或地表加固的情况下，地层土的情况也较为复杂， 用有效应力法预测负摩阻力时，则应取较高的p 值；用总应力法预测负摩阻力 时，则需研究口值沿深度由大变小的变化规律( 如加拿大及中国) 。 2 有效应力法 ， 有效应力法表达式为：厶2 m e = k o - ，t a n 虻= 弦，。 式中的p 称为负摩阻力系数，卢值与桩的几何尺寸和桩周土的性质以及时 间有着密切关系。如果在负摩阻力发生范围内存在不同的土层，p 值也会有所 变化。通常假定负摩阻力沿桩深度呈线性变化，取一个综合系数。例如，在实 测中，根据超孑l 隙水压力的基本消散和负摩阻力的充分发挥，可得到p 值，但 是，实际上孔隙水压力的消散及负摩阻力的发展是一个较为漫长的过程，尤其 是对于软粘土，这一过程甚至可持续5 年以上。在采用有效应力法对桩负摩阻 力进行预测时，应充分考虑该方法的适用条件，即由填土超载或地下水位下降 引起负摩阻力、沉降充分发展负摩阻力达到极限值，而且还需事先知道中性点 的位置。 1 4 第2 章桩基负摩阻力的计算方法 2 3 常用的桩基负摩阻力理论计算方法 从2 0 世纪6 0 年代开始，学术界就对桩基沉降进行了许多的理论研究，并 取得了丰富的研究成果，传统常见的桩基计算理论方法主要有弹性理论法、剪 切位移法、有限单元法和荷载传递法以及其他简化方法，通过对这几种方法进 行改进，形成了桩基负摩阻力计算方法，大体上可以归纳为四种方法，