（地质工程专业论文）自重湿陷性黄土场地桩基浸水荷载试验研究.pdf

摘要 随着我国近年来在湿陷性黄土地区基础建设的迅猛发展，特别是大直径桩基在该地 区的普遍应用，现有的许多理论研究，尤其是对桩基负摩阻力的研究已不能满足日益发 展的工程需要，因此桩基的现场原位试验对其设计理论的完善和实际工程应用都具有十 分重要的意义。 本文结合实际工程需要，通过自重湿陷性黄土中桩基的现场大面积试坑浸水试验， 运用滑动测微等先进测试技术，探讨了自重湿陷区天然状态及浸水状态下单桩竖向承载 力的变化情况，对自重湿陷性黄土浸水过程中桩侧负摩阻力的变化规律及浸水对桩竖向 承载力的影响等进行了研究。 通过浸水前后桩的极限承载力对比分析，前者的单桩极限承载力远大于后者。对桩 基先加载到工作荷载后再浸水，之后再次加载至破坏与先浸水后加载至破坏，其单桩极 限承载力是完全一致的，但是浸水造成的桩顶附加沉降可达工作荷载下桩顶沉降的6 3 倍，湿陷性黄土区桩基设计首先要考虑的是变形问题，之后才是承载力问题。 考虑桩基在实际工程中与土层相互作用的特殊性，基于最小二乘法原理并考虑可控 制点约束的因素，结合e x c e l 软件运用v b 编制了滑动测微数据分析程序，对实测数据 进行拟合，取得了较为精确的拟合曲线，为试验数据的进一步分析，提供了有利的条件。 本文根据实测结果，分析了负摩阻力大小的发生发展规律，以及负摩阻力与桩顶沉降、 桩土相对位移之间的关系。通过分析可知：( 1 ) 浸水后桩侧负摩阻力很快产生，但在浸水过 程中达到稳定的时间较长，停水后负摩阻力又有所增长，在浸水期”末达到最大，“浸水后” 加载过程中负摩阻力的减小也有一个过程；( 2 ) 桩顶沉降大的桩，其最终负摩阻力小，但浸 水过程中的负摩阻力大小排序未必严格等同于最终负摩阻力：( 3 ) i h 载时桩与土间微小的 相对位移即可激发侧阻力的产生，浸水湿陷造成土的沉降稍大于桩的沉降时正摩阻力即 消失并产生负摩阻力，且负摩阻力随着桩土相对位移的增大而增大，并随着浸水湿陷的 稳定而趋向稳定。中性点的产生是一个较快增长稳定加载上升的过程，其深度 要超过实测自重湿陷下限深度。 关键词：湿陷性黄土，现场试验，单桩沉降，负摩阻力 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni nc o l l a p s i b l el o e s sr e g i o n r e c e n t l y , e s p e c i a l l yw i d e s p r e a da p p l i c a t i o nw i t ht h eb i gd i a m e t e rp i l e si nt h i sr e g i o n ，m a n y t h e o r i e sn o w , e s p e c i a l l yt h eo n ea b o u tn e g a t i v es k i nf r i c t i o n ( n s f ) o np i l e s ，a r en o tp e r f e c t e n o u g ht of i tt h er e q u i r e m e n t so fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ot h ef i e l dt e s t sf o rp i l e sa r eq u i t e s i g n i f i c a n tt op e r f e c tt h ed e s i g nt h e o r i e sa n ds a t i s f yt h ea p p l i c a t i o nf o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d so fe n g i n e e r i n g ，t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt h en a t u r a ls i t u a t i o no f s e l f - s u b s i d e n c ea r e aa n d c h a n g es i t u a t i o no fv e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep i l ei ns o a k i n g s t a t e ，w h i c hu s e dt h ev a n g u a r dt e c h n o l o g ys u c ha ss l i d i n gm e a s u r e dm i c r ot e c h n o l o g y , t h r o u g ht h el o c a le x t e n s i v es o a k i n gt r a i lp i tt e s t so fp i l ef o u n d a t i o no fs e l f - w e i g h tc o l l a p s e l o e s s a tt h es a m et i m e ，t h ea r t i c l ed os o m er e s e a r c hi nc h a n g e so fn e g a t i v es k i nf r i c t i o no f p i l es h a f to fs e l f - w e i g h tc o l l a p s el o e s sa n di n f l u e n c e so ft h es o a k i n gt op i l ev e r t i c a lb e a r i n g c a p a c i t y t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h e p i l e s h a sd i s t i n c td i f f e r e n c eb e c a u s eo ft h e i m m e r s i o n t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep i l ew h i c hi sn o ts u b m e r s ei sm o r el a g e r t h a nt h eo n e i m m e r g e d t h ep i l ew h i c hl o a dt h ew o r kl o a df i r s tt h e nw a t e ri t ，a f t e rt h a tl o a di t t of a i l u r ec o m p a r ew i t ht h ep i l ew h i c hl o a dt of a i l u r ed i r e c t l ya f t e rw a t e r i n g ，t h e yh a v et h e v e r ys a m eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y b u tt h ee x t r as e t t l e m e n to ft h ep i l eb e g o t t e nb y i m m e r s i o ni s 6 3t i m e st h a nt h eo n ew h i c hi sc a u s e db yw o r k i n gl o a d t h ep i l ed e s i g ni n c o l l a p s i b l el o e s sr e g i o nm u s tc o n s i d e rt h ed e f o r m a t i o nm o r ei m p o r t a n tt h a nt h eb e a r i n g c a p a c i t y c o n s i d e r i n gt h ep a r t i c u l a r i t yo fp i l ef o u n d a t i o ni n t e r a c t i o nw i t l ls o i lh o r i z o ni na c t u a l e n g i n e e r i n g ，t h ea r t i c l ed r a wu pap r o c e d u r eo fa n a l y s i ss l i d i n gm e a s u r e dm i c r od a t au s i n gv b a s s e m b l yl a n g u a g ec o m b i n e dt oe x c e l s o f l w a r e ，w h i c hi sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fl e a s t s q u a r em e t h o da n dt h ec o n t r o l l a b l er e s t r i c t i o n sf a c t o r s t h e nw ef i tt h em e a s u r e dd a t aa n d o b t a i n e dc o m p a r a t i v e l ya c c u r a t ef i t t i n gc a lv e ，w h i c hp r o v i d et h ea d v a n c e st of u r t h e ra n a l y s i s o ft e s td a t a a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dr e s u l t s ，t h ea r t i c l ea n a l y s i st h ed e v e l o p m e n td i s c i p l i n e o fn e g a t i v ef r i c t i o n ，a n dr e l a t i o no f n e g a t i v ef r i c t i o n 、p i l et o ps e t t l e m e n ta n dp i l e s o i lr e l a t i v e d i s p l a c e m e n t w ek n o wt h a t ：( 1 ) t h en e g a t i v ef r i c t i o nw i l lg e n e r a t eq u i c k l ya f t e rs o a k i n g ，b u t i t ss t e a d yt i m ei sg o n gt ob el o n gi ns o a k i n gp r o c e s s ，a n di tw i l li n c r e a s et os o m ee x t e n tw h e n w ec u to f f t h ew a t e rs u p p l e t h en e g a t i v ef r i c t i o nc a nr e a c ht om a x i m u mi nt e r m i n a lp h a s eo f s o a k i n g i tw i l lt a k ea l i t t l et i m et od e c r e a s et h en e g a t i v ef r i c t i o ni nl o a d i n gp r o c e d u r eo fa f t e r s o a k i n g ( 2 ) t h ep i l ew i ml l i g hp i l et o ps e t t l e m e n th a st h el o w e rn e g a t i v ef r i c t i o nf i n a l l y b u t t h eo r d e r i n go fn e g a t i v ef r i c t i o ni ns o a k i n gp r o c e s sn o te q u a lt of i n a ln e g a t i v ef r i c t i o n s t r i c t l y ( 3 ) t h em i c r or e l a t i v ed i s p l a c e m e n tb e t w e e np i l ea n ds o i lw i l la r o u s es i d er e s i s t a n c e t h ep o s i t i v ef r i c t i o nw i l ld i s a p p e a r e da n dt h en e g a t i v ef r i c t i o nw i l lg e n e r a t ew h e ns e t t l e m e n t o fs o i li sb i g g e rt h a np i l e sw h i c hi sc a u s e db ys o a k i n gc o l l a p s e t h en e g a t i v ef r i c t i o n e n l a r g e dw i t ht h eh i g h e ro fp i l e s o i lr e l a t i v ed i s p l a c e m e n t 。a n dr e a c ht os t e a d y 谢t hs t a b i l i z e o fs o a k i n gc o l l a p s e n e u t r a lp o i n tw h i c hh a sap r o c e s s ：i n c r e a s ef a s te a r l yd a y sf i r s t ，t h e nk e 印 s t a b i l i z a t i o na n da s c e n da l o n g 、析t ht h ec o n t i n u o u sl o a df m a l l y k e yw o r d s ：c o l l a p s i b l el o e s s ，f i e l di n v e s t i g a t i o n ，s i n g l ep i l es e t t l e m e n t ，n e g a t i v ef r i c t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：咨锄仁 矽- 声石月莎e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) p 口鼍年| | 只6e t 叩年月参日 和 。眇 锨叶 桶铷 名 乳 獬 名 者 签 作 丽 文 咖 途 导 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景及问题的提出 第一章绪论 黄土是第四纪时期的陆相沉积物，在全世界范围内分布广泛，面积为1 3 0 0 万k m 2 。 在我国分布的黄土面积达6 4 万k m 2 ，而且地层全，厚度大，主要分布在西北、华北等 地区，其中湿陷性黄土约占分布总面积的3 4 1 】。在黄土广泛分布的这些地区，矿产及 能源储量很大，战略地位重要，是西部大开发的主战场。“十一五 规划期间，我国将 继续完善西部地区的基础设施建设，特别是在强化煤炭等能源矿产的运输通道，扩大西 部路网覆盖面、加强中东西部通道建设上，将要继续扩大在西部地区的各类基础设施， 以适应国民经济的发展要求。但是在黄土地区道路桥梁建设方面，开展的研究工作尚不 深入。 黄土有湿陷性和非湿陷性的区分，其工程性质差异较大，由于湿陷性黄土特殊的生 成环境和结构特性，使得湿陷性黄土地基在力( 包括上覆土自重压力及建( 构) 筑物附 加压力) 和水的共同作用下会产生显著的附加变形，从而对工程建( 构) 筑物的正常使 用造成威胁，甚至产生严重破坏。而且对于自重湿陷性黄土，桩基础在浸水后，不但正 摩阻力完全消失，还会由于湿陷的过大沉降产生负摩阻力。负摩阻力的不利影响主要是 降低桩基承载力、使桩基础沉降增加和减小桩身强度的安全储备。当桩周出现负摩阻力 时，中性点以上部分不仅不能提供荷载抗力，还会增加桩基荷载。这样既减少了提供正 摩阻力的桩周面积，减小了桩侧正摩阻力的总量，又额外增加了桩基荷载。作用于桩侧 表面的总负摩擦力( 下拉荷载) 会使桩的负荷增大。这可能引起三个方面的问题，一是 桩基的沉降量加大；二是桩身抗压强度的安全度下降，严重的会出现桩身受压破坏；三 是桩身的最大轴力位置下移，桩身的最大轴力不在桩顶，而是出现在中性点的位置，这 一点与常规桩基最大轴力出现在桩项不同，也需要在桩身强度的设计中给予重视1 5 3 。这 就给在湿陷性黄土地区修建沉降敏感的重要工程提出了新的挑战。 根据现行湿陷性黄土地区建筑规范( g b5 0 0 2 5 - - 2 0 0 4 ) t 2 ，在自重湿陷性黄土 场地进行桩基设计时，不仅不能计入自重湿陷地层的正摩阻力，还要扣除负摩阻力，从 而使桩的设计长度增加，施工难度加大，经济效益明显降低。另外，我国所用的技术规 范( 包括公路、铁路规范) 中对黄土地区桩基础的设计参数因试验研究上有限而具有一 定的不确定性，从而使得在湿陷性黄土地区设计的桩基础的可靠性也具有一定的不确定 第一章绪论 性。因此，对于湿陷性黄土地区桩的承载力和桩的负摩阻力及中性点的进一步研究，无 疑会对我国中西部地区的经济资源开发和经济建设都具有深远的意义。特别是针对负摩 阻力及中性点进行现场原位试验研究，对湿陷性黄土区桩基设计理论的完善和实际工程 应用都具有十分重要的意义。 1 2 单桩负摩阻力的研究现状 1 2 1 桩基负摩阻力概述 2 0 世纪3 0 年代太沙基( t e r z a g h i ) 和佩克( p e r k ) 通过调查研究荷兰沿海一带出现 的一些采用桩基础的建筑物因沉降( 不均匀沉降) 原因导致引起开裂而无法使用的现象 发现，桩周欠固结土体的沉降大于桩基沉降时，桩土界面的摩阻力不仅不能提供荷载抗 力，反而与荷载作用方向相同，会增加实际作用在桩上的荷载。这种方向向下的摩阻力 正是造成基础失效的主要原因。在此研究的基础上，他们第一次提出了桩基的“负摩阻 力”概念【3 1 。如图1 1 ，桩基由于上部轴向荷载的作用而产生了向下的位移( 曲线c a ) ， 该位移由桩端沉降量s p 和桩身压缩量s 。两部分组成，a b 为桩周土的位移曲线s 。，图中 a b 与c d 相交于o ，该点即为中性点，此处桩土相对位移为零，作用在该点的摩阻力也 为零。可以看出在该点以上，桩的沉降小于桩周土的沉降，桩周土对桩产生负摩阻力； 在中性点处，桩土相对位移为零，桩侧摩阻力也为零，但是桩身轴力在中性点处将达到 最大值；而中性点以下，桩周土的沉降量小于桩体的沉降量，土表现为对桩的向上的作 用力，此时产生的侧阻力是正摩阻力【3 】。中性点以上的负摩阻力总和即为下拉荷载。因 此负摩阻力的发生机理就是桩的位移小于桩周土的沉降时，桩周土对桩身产生了向下的 摩擦力即负摩阻力。 舀工了 l l - - _ 。- _ - 一一 i 【 i 、 r 1 、_ f 够 _ 二甚n s d 一 f 疋 s 位移 l l 负摩擦区 ， 。中性意 i t 正摩擦区 玉f ( + ) = 1 型 罗 7 壬 仁 e = z ( t )c b )( c )( d ) ( a ) 正、负摩阻力分布( b ) 中性点位置确定( c ) 桩侧摩阻力分布( d ) 桩身轴力分布 图1 1 负摩阻力的分布与中性点 2 长安大学硕士学位论文 造成桩周土沉降变形的原因是多方面的，也即产生负摩阻力的条件有下列几方面1 4 1 ： 1 桩穿过新沉积的欠固结软粘土或新填土( 例如河口或海岸新的沉积土层、人工水 力冲填土层) 而支承在硬持力层上时，土层产生自重固结下沉； 2 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，随后土体因超 孔隙水压力消散而重新固结时； 3 在正常固结粘土和粉土地基中，由于下卧砂层或砾石层中抽取地下水或其他原 因，地下水位降低，使土层产生自重固结下沉； 4 桩侧地面因大面积堆载或大面积填土而大量下沉； 5 在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉； 6 由于地层应力松弛，如挡土工程中板桩挠曲变形，隧道施工等引起地基沉降时， 桩周非粘性土在动力作用下被夯、振密实时。 由于桩基负摩阻力可能发生在施工过程、使用前或使用过程中，其中发生在使用过 程最为不利。对于摩擦桩，负摩阻力会引起附加下沉。对于柱桩，负摩阻力会导致桩身 荷载增大，致使桩身强度破坏，或桩端持力层破坏。正因为负摩阻力有此诸多不利影响， 我国铁路、公路、建筑等行业的规范都对负摩阻力有专门的规定。 由于桩土体系是一种非常复杂的力学体系，黄土又是一种具有结构强度和湿陷性的 特殊土，黄土地区桩基工程的设计方法仍是半理论半经验的，桩基工程的理论和实践都 需要进一步去研究和发展。 1 2 2 桩基负摩阻力研究现状 负摩阻力问题是近年来桩基工程中遇到的常见问题，国内外的一些专家、学者进行 了一系列的桩基原位和模型试验，他们的研究取得了一定成果，为桩基负摩阻力的理论 发展和工程实践奠定了基础。 j o n h a n n e s s e n & 8 j e r r u m ( 1 9 6 5 ) 5 1 、a j e r r u me ta 1 ( 1 9 6 9 ) 6 】和b o z u z u k ( 1 9 8 1 ) 7 】对软土中 端承钢桩的负摩阻力进行了量测，得出负摩阻力产生的下拉荷载大于桩身容许荷载。 f e u e n i u s & b r o m s ( 1 9 6 9 ) 量测了砂，粉土上的打入预制桩在打桩造成桩周孔隙水压力上 升后的再固结过程中产生的负摩阻力现象嘲。陈福南，龚晓南，马时冬等人通过试验测 得中性点的深度1 9 1 。李光煜( 1 9 8 8 ) 引进滑动测微仪成功的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【1 0 1 ，新式测试方法及仪器的出现使负摩阻力的测试 更为精准。 第一章绪论 虽然关于饱和软土地区的负摩阻力问题，国内外已有许多研究成果，但对于西北地 区广泛存在的黄土地基而言，特别是自重湿陷性黄土地区则研究得相对较少，特别是静 载荷试验、运用应力应变测试元件进行应力分析不过十余年。湿陷性黄土中桩基的工作 性状，尤其在浸水状态下的情况，一直没有搞清楚【l l 】。早至2 0 世纪7 0 年代，原机械工 业部第七设计院等单位采用悬挂法进行过少量负摩阻力的试验研究。伴随着桩基础在黄 土地区的发展，许多专家学者也进行了一些研究，李大展、滕延京、何颐华等根据采用 测试元件的现场试坑浸水试验，分析了黄土的浸水湿陷对桩基承载力的影响，得出了负 摩阻力的发展规律【1 2 】。张炜，隋国秀通过分析在黄土地区两个不同场地进行的钻孔灌注 桩单桩承载力试验及桩身和桩底应力应变测试结果，研究了黄土中钻孔灌注桩负摩阻力 发生、发展、消亡的过程及与桩土位移的关系，评价了桩的荷载传递性状【1 3 1 。 对于负摩阻力的不利影响，我国铁路、公路、建筑等行业的规范都有所规定： 铁路桥涵地基和基础设计规范( t b1 0 0 0 2 5 - 2 0 0 5 ) 【1 4 】第6 2 7 条规定：位于湿 陷性黄土和软土地基中的桩基础，当土壤可能出现湿陷或固结下沉时应考虑桩侧的负摩 阻力的作用。 公路桥涵地基与基础设计规范( j t j0 2 4 - 8 5 ) 1 5 】第4 3 1 条规定：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。 建筑桩基技术规范( j g j9 4 - 9 4 ) 1 6 】第5 2 1 4 条规定：符合下列条件之一的桩 基，当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，应考虑桩侧负摩阻力。 1 桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层时； 2 桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大长期荷载，或地面大面积堆载( 包 括填土) 时； 3 由于降低地下水位，使桩周土中有效应力增大，并产生显著压缩沉降时。 湿陷性黄土地区建筑规范( g b5 0 0 2 5 - - 2 0 0 4 ) 2 1 第5 7 5 条规定：在非自重湿陷 性黄土场地，当自重湿陷量的计算值小于7 0 m m 时，单桩竖向承载力的计算应记入湿陷 性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力。在自重湿陷性黄土场地，除不计湿陷性黄 土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力外，尚应扣除桩侧的负摩阻力。 负摩阻力问题是近年来桩基工程中遇到的常见问题，近年来的研究取得了一定成 果，但由于桩土体系是一种非常复杂的力学体系，其工程设计方法仍是半理论半经验的。 对于湿陷性黄土地区的桩基，现场测试方面由于受到现场地质条件的复杂性、试验测试 4 长安大学硕士学位论文 经费及技术上的制约，有关桩的负摩阻力现场测试的文献与资料并不多旧；理论计算方 面由于至今不能对黄土湿陷量准确进行计算和模拟，所以负摩阻力的理论计算方法、数 值模拟方法研究也进展缓慢。由于实测资料少，按现有方法确定的湿陷性黄土区负摩阻 力大小和中性点位置精度都不高。湿陷性黄土地区建筑规范( g b5 0 0 2 5 - - 2 0 0 4 ) 条文 说明中写道：“鉴于目前自重湿陷性黄土场地桩侧负摩阻力的试验资料不多，本规范有 关桩负摩阻力计算的规定，有待于今后通过不断积累资料逐步完善。” 桩基负摩阻力受到工程界的关注以来，国内外的专家、学者对其进行了大量的研究， 归纳当前分析、计算桩基负摩阻力的各类方法，主要分为以下几类： 1 经验方法 主要根据土的种类，桩的类型等条件依据经验来判定中性点的位置和桩侧土体所产 生的负摩阻力大小，并假设负摩阻力在中性点以上充分发挥，从而确定下拉荷载。太沙 基( t e r z a g h i ) 和佩克( p e r k ) 在提出负摩阻力概念后进而提出了端承单桩下拉力的总 应力法，该法假设了桩身侧摩阻力完全发挥，桩土位移发展于桩身全段。2 0 世纪6 0 年 代中性点概念提出后，国外负摩阻力的研究进入全盛时期，以乔哈南森( j o h a n e s s e n ) 和比伦( b j e r r u m ) 提出的有效应力法【1 8 】较为经典。这些经验方法中涉及到中性点位置 的确定大多由经验公式确定。有效应力法以及基于该法的派生方法由于公式较为简单， 应用很广泛。目前大多数规范采纳和推荐的方法都属于经验方法的范畴。 湿陷性黄土地区建筑规范( g b5 0 0 2 5 - - 2 0 0 4 ) 规定自重湿陷性黄土场地桩侧负 摩擦力进行现场试验确有困难时，可按表1 1 中数值估算【2 j 。 表1 1 桩侧平均负摩擦力特征值( k p a ) 自重湿陷量的计算值( n u n )钻、挖孔灌注桩 预制桩 7 0 2 0 01 01 5 2 0 01 52 0 建筑桩基技术规范( j g j9 4 9 4 ) 规定摩擦型基桩取桩身计算中性点以上侧阻力 为零，进行承载力验算；对端承桩尚应考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载进行基桩承载 力验算。 单桩负摩阻力可按下列公式计算( 该方法为有效应力法的一种) ： 虻= 厶0 ( 1 1 ) 当降低地下水时： q2 乃乞 当地面有满布荷载时： q 2 p + 以毛 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 第一章绪论 式中醵第i 层土桩侧负摩阻力标准值； 岛一桩周土负摩阻力系数，可按表1 2 取值； 吼桩周第i 层土平均竖向有效应力； 乃第i 层土底以上桩周土按厚度计算的加权平均有效重度； 乙自地面起算的第f 层土中点深度； p 地面均布荷载。 表1 2 负摩阻力系数厶 土类 。 饱和软土 0 1 5 - - 0 2 5 粘性土、粉土 0 2 5 0 4 0 砂土 0 3 5 0 5 0 自重湿陷性黄土 o 2 0 o 3 5 注：在同一类土中，对于打入桩或沉管灌注桩，取表中较大值，对于钻( 冲) 挖孔灌注 桩，取表中较小值； 填土按其组成取表中同类土的较大值： 当昵计算值大于正厚阻力时，取正摩阻力值。 除了上述规范采用的经验公式，也有采用标贯、静力触探等原位测试方法结合经验 公式对单桩负摩阻力进行估算【1 6 】【1 9 】【2 0 1 1 2 1 】： 建筑桩基技术规范( j o j9 4 9 4 ) 对于砂类土，也可按下式估算负摩阻力标准值： 加等+ 3 ( 1 4 ) 式中以第i 层土桩侧负摩阻力标准值； m _ 一桩周第i 层土经钻杆长度修正的平均标准贯入试验击数。 对于粘性土地基中单桩负摩擦力强度，可按无侧限抗压强度吼加以确定嗍，即 = 警 ( 1 5 ) 或按现场静力触探的贯入阻力凤加以确赳1 9 1 【2 0 】： = 告 ( 1 6 ) 6 长安大学硕士学位论文 关于砂土地基中单桩负摩阻力强度，可按现场标准贯入击数n 加以确定1 9 】： z ：华+ 3 0 ( 1 7 ) ) 式中：z 桩身单位面积上的负摩阻力( k n m 2 ) 经验方法都从工程安全和实用的角度考虑负摩阻力，基本上均假设桩侧负摩阻力完 全发挥，不考虑桩顶荷载施加时间与负摩阻力发展的关系，尤其桩周土体与桩身沉降往 往同时发生，负摩阻力的发展是一个动态变化的过程，因此经验方法对负摩阻力的估计 都是粗略的，结果往往偏于保守。 2 荷载传递法 由s e e d 和r e e s e 首先提出，并经过大量学者发展。这些方法的基本概念是把桩视 作由许多弹性单元组成，每一单元与土体之间( 包括桩尖) 都用非线性弹簧联系。这些非 线性弹簧表示桩侧摩阻力( 或桩尖阻力) 与剪切位移( 或桩尖位移) 之间的关系，通常统称 为荷载传递函数或p s 曲线【2 2 1 。其基本微分方程为： d2 su， 矿2 面f 引 ( 式1 8 ) 该方法的求解取决于荷载函数的形式。 3 弹性理论法 弹性理论法的基本假定是，在一个各向同性的、理想匀质的弹性半空间体内，其泊 松比us 和弹性模量e s 不因桩的存在而变化；桩的底部平滑而周边粗糙。由于桩与土之 间保持弹性接触，因此具有桩身位移等于毗邻土位移的相容条件【2 3 1 。在计算中，认为桩 和土在径向的变形很小，可忽略不计，而只考虑桩在垂直荷载下的竖向变形。把作用有 垂直荷载的桩及桩周土分成若干小段，分别建立桩身位移方程和土的位移方程，并引入 桩土交界面处毗连点的位移相容条件建立单桩差分方程进行求解 2 4 1 。 1 9 6 9 年，m a t t e s 和p o u l o s 基于m i n d l i n 解的基础上，假定地基土体为弹性连续体， 首先提出了弹性理论计算负摩阻力的方法【1 9 1 。在这一方法中，他们采用了镜像单元的处 理手段以满足桩尖边界条件，使得该方法仅适用于端承桩。由于基于弹性理论的方法考 虑桩土界面的滑移比较困难，因此后来便产生了大量改进的计算方法，在弹性理论法的 基础上，1 9 7 5 年d v a i s 和p o u l o s 引入了太沙基一维固结理论【2 0 l ，1 9 8 8 年s m a l l 在引入 b i o t 固结理论的基础上导出了单桩负摩阻力与时间的关系，这个关系对于土在沉降方面 产生的负摩阻力研究有了很大进展【2 1 1 。2 0 0 0 年王建华、陆建飞等人在借助l a p l a c e 变换 7 第一章绪论 求解的方法的基础上，利用b i o t 固结理论和f r e d h o l m 积分方程研究了单桩负摩阻力的 计算【2 5 】，他们的方法不仅可以直接求出各时刻桩侧摩阻力，还可以求出中性点位置，但 仅适用于在饱和半空间土体上且施加圆形荷载作用的单桩，推导计算过程较为复杂且未 考虑土体的非线性、成层性以及桩土之间的滑移。 弹性理论法的优点是考虑了土体连续性，但计算较为复杂费时，对于土体参数特别 是e s 、o s 等重要指标的确定都有待进一步研究确定。 4 剪切位移法 剪切位移法是把桩身和桩间变形分别计算。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元向四周传播，桩尖部分 则按一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【2 l 】。 5 有限单元法 有限元法作为一种数值解法，可以结合荷载传递法和弹性理论法利用计算机软件对 桩的负摩阻力进行求解。但是由于岩土条件的复杂性，该方法的研究重点是模型的建立 和参数的确定1 2 1 1 。 1 3 研究的目的与内容 目前，桩基础在实际工程中的应用越来越广泛，但是对于负摩阻力的研究还不够全 面和深入，设计计算方法和承载力评价方法还很不完善。国内外对于负摩阻力桩基的承 载力计算还更多是经验性的，例如中性点位置的确定就是经验性的，对于桩顶荷载作用 的影响也没有考虑，桩身强度的验算安全系数相对偏小等；承载力检测方法还不能合理 地反映负摩阻力因素，并由于未能正确评价负摩阻力的不利影响而出现较大的差异沉 降、甚至出现桩身压碎，并由此导致建筑物无法使用的实例。另外，对于湿陷性黄土地 区大直径桩基一般要穿透湿陷性黄土层，其桩长较大，在上部荷载作用下，桩顶沉降量 如何? 能否满足对沉降要求十分严格的工程需要，在满足沉降、承载力要求的前提下， 如何对桩基设计参数进行优化同样有着重大的意义。况且，根据目前黄土地区桩基试验 及工程经验，有些地区自重湿陷性黄土中的桩基侧摩阻力与已有的认识不一致。通过试 验研究，不仅得出试验场地桩基的实测数据，验证优化了桩基设计参数的合理性，确保 了工程设计、施工的合理性及竣工后的正常运营，同时对湿陷性黄土地区桩基荷载传递 性状，负摩阻力的发生过程及分布、中性点的深度等性质的研究增加了湿陷性黄土区桩 8 长安大学硕士学位论文 基试验资料，为以后的工程提供借鉴和依据，推动桩基的研究。 本文在野外原型试验的基础上，对自重湿陷性黄土区桩基的负摩阻力的研究作了一 些探讨，具体工作内容及要达到的目的包括以下几个方面： ( 1 ) 实测湿陷性黄土中的钻孔灌注桩在浸水过程中侧阻力的折减程度及负摩阻力 的发生与发展情况、中性点的变化规律( 包括加荷情况和不加荷情况) 。实测得出湿陷 性黄土桩基在浸水饱和状态下的侧阻力等设计参数。 ( 2 ) 实测在工作荷载作用下，桩基浸水时的附加变形及其变化规律，掌握湿陷性黄 土中桩基的变形性状。 ( 3 ) 测定湿陷性黄土中桩基在天然状态、浸水饱和状态下考虑了负摩阻力的单桩竖 向承载力。 ( 4 ) 利用试验成果，探讨湿陷性黄土浸水湿陷与桩基侧阻力、变形与承载力的关系， 丰富湿陷性黄土区桩基工程的实践经验，为湿陷性黄土场地桩基的优化设计提供更为可 靠的资料。 9 第二章桩基浸水载荷试验设计 第二章桩基浸水载荷试验设计 2 1 试验区工程地质条件 1 _ 场地位置及地形、地貌 试验区位于陕西省渭南市某地，地貌单元为渭河i i i 级阶地( 高阶地) 。试验场地的 具体地理位置见图2l 。 图2 1 试验场地地理位置示意圈 2 场地土的物理力学性质 根据试验前开挖的两个探井( 深度穿透湿陷性黄土层) 和钻孔现场地层描述和室内 土工试验结果，钻探深度范围内的土层可划分为：00 3 32 1 为砂质黄土层( 均) ， 3 3 2 3 6 ，2 m 为黏质黄土层( 古土壤q ；) ，3 6 2 6 2 3 m 为砂质黄土层( 饼“) 。 桩长范围内地层综合柱状图见图2 2 依据探井内间隔l m 取的土样室内试验，各土 性指标随深度的变化曲线见图2 3 。 长安大学硕士学位论文 层号土名层底深度层底标高 柱状剖面 岩芯描述 物理力学 l ：3 0 0 性质指标 蛐( 正) ( m ) 桩曩标奇 、 1 1 5 3 抽 o o = l o 6 ，e = 1 0 5 ：i p = 1 4 6 9 c 耐 ：i褐黄色，土质均匀。针状 砂质黄土 s r = 2 7 0 ，i p = 9 7 ：l孔隙发育顶都0 4 m 为耕 ( q 字1 ) ：i 土 8 s = o 0 5 3 ，8 z s = o 0 3 6 o 盯- - 0 5 5 , i l 司0 8 o4 0 7 8 2 ：i i ：i ：i ：i 0 0 = 1 0 8 ，e = o 9 8 ：i p = 1 51 9 c m 砂质黄土 ：l 褐黄色。土质均匀，针状 s r = 3 0 0 ，i p = 9 8 ( q 字1 ) ：i 孔隙发育，偶见蜗牛壳8 s - - - o 0 2 8 ，8 z s = o 0 2 7 ：i a 【谚屯2 2 ，i l o ：i ：i 2 3 5 3 9 2 3 2 ：i ：l t a 0 = 1 4 2 ，e = o 8 8 ：i 尸1 6 4 9 c m 3 ；i褐黄色，土质均匀，针状 s r - - 4 4 0 ，i p = 9 9 砂质黄土 ：i 孔除发育，偶见蜗牛充 8 s = o 0 1 5 ，8 z s = o 0 1 4 ( q 字1 ) ；i m 锄1 2 ，i i o ：i 7 黏质黄斛3 3 2 3 8 2 6 2 ；l红褐色，块状结构，含较f 0 ，e = 旬 ( 古土壤) p = l _ 1 54 y 7 6 7 8 9 c mn 多钙质条纹，少量钙质结 ( q ；1 ) 3 6 2 3 7 9 6 2 i 核 s r = 5 6 0 ，i p = 1 0 3 1 5 s = 电0 0 6 ，& ：产o 8 i ：i ia i 。= 吣1 0 ，i l o i ：it a e = 1 1 3 ，e = o 8 1 砂质黄土 i ：i 褐黄色，土质均匀，儡见 p = 1 6 6 9 c m 3 ( q e 0 1 ) l ：i 钙质结核 s r = 3 8 0 ，畛矽8 8 s = o 0 0 4 ，8 z s = o 0 0 6 i ：l a 。f 司1 0 ，i l o 4 6 5 3 6 9 3 2 i i i ： - 1 1 i ：i i ：i i ：i l ：i o o - - 9 。9 ，e = o 。8 3 8 砂质黄土 i ：i褐黄色，土质均匀，偶见 p = 1 6 2 9 c n f ( q 7 1 ) i ：i钙质结核底部5 7 0 铲 s r = 3 2 ，i p = 9 7 i ：i5 7 3 皿，5 9 8 m - 6 0 o m 夹薄层 o u - - - - 0 1 4 ，i i t 溆 妫 l 各 跆 ie 。 - _ l _ l 出 一 j 一jl l 毫 。! ! oot1r t一咐拇*一 一， iij 一 ”、；。 ：i 3 6 ：竺专燃； 刮 峰制、- 奠 - - i iiit i i 。j j j j _ j - j j l i j u 1 1 ili l i i i - 72 i ii ；： l ： l i i i 霎 - - t - - h i - l j i l i ： 1 il i i i 妁 s - l c 弥) 岱l 图3 5s 1 单桩s l g ( t ) 曲线 图3 6s 2 单桩s - - - l g ( t ) 曲线 图3 7 s 3 单桩s - - - l g ( t ) 曲线 长安大学硕士学位论文 图3 8 刚单桩s - - q g ( t ) 曲线 图3 9s 5 单桩s - - 4 9 ( t ) 曲线 3 2 3 单桩竖向承载力的确定 按建筑桩基技术规范( j c j9 4 9 4 ) 附录c 及铁路桥涵施工规范( t b 1 0 2 1 8 2 0 0 2 ) 附录a 有关极限承载力取值的规定，依照q s 曲线及s l g ( t ) f l 扫线( 图 3 8 3 1 3 ) ，各桩的极限承载力标准值如表3 2 所示。 表3 2 单桩竖向抗压极限承载力取值表 桩长 q u 取值方法( 1 州)综合判定相应桩顶沉降 桩号 桩周土状态 ( m ) s l 舀法 ( 1 洲)( n m l ) q - s 法 s l6 0 天然 1 4 0 4 0 1 4 0 4 01 4 0 4 04 0 6 9 s 25 01 2 9 6 01 2 9 6 01 2 9 6 03 7 2 l s 36 0 8 6 4 08 6 4 08 6 4 02 8 2 l s 4