（岩土工程专业论文）桩侧负摩阻力的计算及其研究.pdf

桩侧负摩阻力的计算及其研究 摘要 随着当今社会的经济和科技不断发展，人类对建筑物高度的要求也在不断的提 高。于是出现很多长桩、超长桩。从前对桩影响很小的负摩阻力将不再被忽视，现在 逐渐成为岩土工程界研究的热点问题之一。 由于桩土作用机理的复杂性，目前对桩一土间相互作用的研究还很不够深入。伴 随着桩基础的大量使用，出现了理论滞后于实践的现象。其中桩土间的负摩阻力问题 就是一个比较突出的问题，些桩基础使用后出现的一些工程问题就是对桩侧负摩阻 力的认识不足造成的。论文介绍了负摩阻力机理及其各种计算方法，具体分析了荷载 传递法，在前人研究成果的基础上，提出了一种双折线模型来计算负摩阻力。利用双 折线模型来表示桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系，并根据桩周土与桩端( 尖) 土处 于不同的弹性和塑性状态，建立桩身轴力和桩土相对位移的微分方程，利用连续和边 界条件解出桩土相对位移解析式，进而推导出桩身轴力，中性点位置及负摩阻力。 最后，本文结合工程实例，对新建立的桩侧负摩阻力简化模型公式进行了验证。 把计算结果与有限元( m i d a s g t s ) 模拟值、实测值三者进行比较，其结果较吻合， 因此具有一定的实用性。 关键字：负摩阻力中性点双折线模型荷载传递法 thep i l en e g a t i v es k i nf r i c t i o no fc a l c u l a t i o n & r e s e a r c h a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y & t e c h n o l o g y , t h eb u i l d i n g sa r eg e t t i n gt a l l e ra n d t a l l e r s ot h e r ea r es o m el o n gp i l e s ，s u p e rl o n gp i l e s t h ei n f l u e n c eo f n e g a t i v ef r i c t i o nw e r e l i t t l e ，b u tn o u ，t h e y 毅eg e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t n o w , i nt h i ss i t u a t i o n ，t h e p r o b l e mi sah o ts p o ti ng e o t e c h n i q u ee n g i n e e r i n gf i e l d b e c a u s eo ft h ec o m p l e xo fp i l e s o i li n t e r c a t i o n ，t h es t u d yo nt h i ss u b je c ti sf a rf r o m c l e a rs of a r w i t ht h ep l e n t i f u lu s eo f p i l ef o u n d a t i o n ，m a n yp r o b l e m sw e r ep r e s e n t e da n d t h e o r yl a g g e db e h i n dt h ep r a c t i c e ，e s p e s c i a l l yi nt h ea s p e c to f p i l en e g a t i v es k i nf r i c t i o n t h e i n a d e q u a c yi nu n d e r s t a n d i n go fp i l es k i nf r i c t i o nb r i n gs o m ee n g i n e e r i n gp r o b l e m sa f t e r s o m ep i l ep i l ef o u n d a t i o np r o je c t sp u t t i n gi n t ou s e t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ev a r i o u sm e t h o d so f c a l c u l a t i n gt h ep i l en e g a t i v es k i nf r i c d o n i nd e t a i l ，a n ds p d c i f i c a l l ya n a l y z e dt h el o a dt r a n s f e r r i n gf u n c t i o n a n dt h e nb a s e do nt h e a n a l y s i sa n ds u m m a r yf o rt h el o a dt r a n s f e r r i n gf u n c t i o no ft h es i d ea n dt h et o po ft h ep i l e ， t h ea u t h o rp u t su pw i man e wm e t h o dw h i c hu s e sd o u b l eb r o k e nl i n em o d e lt oc a l c u l a t e n e g a t i v ef r i c t i o n u t i l i z i n gd o u b l eb r o k e nl i n em o d e lt os h o wr e l a t i o nb e t w e e nf r i c t i o na n d d i s p l a c e m e n ta c c o r d i n gt oe l a s t i co rp l a s t i cc o n d i t i o nt h a ts o i la r o u n do ri nt h et i po ft h e p i l el i e si n a n dt h e ，t h ep a p e rw o r k e do u tt h ef o r m l ao nt h ed i s p l a c e m e n to fp i l ea n ds o i l ， w h i c hl e a dt ot h en e g a t i v ef r i c t i o n ，t h ep o s i t i o no fn e u t r a lp o i n ta n da x e lf o r c eo fs i n g l e p i l e i nt h ee n d ，c o m b i n e dw i t l lt h ea c t u a lp r o j e c t , t h ea u t h o rt e s t st h ep r e c i s i o no ft h e m e t h o d ，w h i c hs h o wt h a ti t sr e s u l to fc a l c u l a t i o ni sc l o s et ot h em e a s u r e da n df i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nv a l u e t h e r e f o r e ，t h en e wm o d e lc a nb ea p p l i e di nt h ea c t u a lp r o j e c t k e yw o r d s ：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 o u b l eb r o k e nl i n em o d e l ；l o a d t r a n s f e rm e t h o d ； 插图清单 图表2 - 1负摩阻力形成机理示意图8 图表2 - 2 单桩产生负摩阻力时的荷载传递示意图1 0 图表2 3中性点特性示意图1 2 图表2 4 某桩负摩阻力时效示意图1 5 图表2 - 5 荷载传递原理图1 9 图表3 - 1 桩土计算模型2 2 图表3 - 2 土层沉降分布图2 2 图表3 - 3 桩土双折线模型2 3 图表3 - 4 桩身示意图2 7 图表4 - 1地层柱状图4 0 图表4 - 2 沉降管平面布置图4 1 图表4 3 分层沉降曲线4 2 图表4 - 4 实测桩身轴力分布曲线4 2 图表4 51 4 模型的网格划分图4 5 图表4 61 4 模型的接触单元图4 3 图表4 - 7 有限元法计算桩土相对位移曲线4 4 图表4 8 有限元计算桩身轴力曲线4 4 图表4 9 桩土双折线硬化模型4 5 图表4 - 1 0 不同桩顶荷载下荷载传递法计算桩身轴力分布曲线5 0 图表4 - 1 1 不同计算方法与实测值的桩身轴力分布曲线。5 1 表格2 - 1 表格2 - 2 表格2 - 3 表格2 4 表格2 - 5 表格2 - 6 表格2 - 7 表格4 - 1 表格4 2 表格4 - 3 表格4 - 4 表格5 - 1 表格5 2 表格清单 中性点深度2 r 。1 3 中性点，。的经验值1 3 中性点深度系数 1 4 负摩阻力系数疗1 6 远腾的k 留缈1 7 b j e r r u l t l 的k t g 缈1 7 波兰p n 8 3 b 一0 2 4 8 2 规范负摩阻力经验值1 9 试验段桩体参数3 9 土层主要物理力学指标一览表4 1 钢筋应力计埋设情况一览表4 l 桩身轴力结果对比分析表5 0 国内外一些下拉荷载实测值5 3 沥青涂层使用效果5 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金壁王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：钐n 彳签字日期：和。 年彳月吗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁至些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期：p 彳年4 月d 弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲侧 签字日期：加听年甲月2 多日 l 电话：；76 d 兰参3b 邮编： 致谢 本文是在导师王国体教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、研究、修改最后 定稿，导师自始自终给予我高度的重视和精心的指导。王老师渊博的学识、严谨的治 学态度、忘我的工作热情激励着我：理论融会于实际的工作作风、追求一流的创新精 神深刻鼓舞着我；在学习上的严格要求，在生活上给予我无微不至的关怀，值此论文 完成之际，特向王老师致以崇高的敬意和深深的感谢! 开展论文工作之后，王老师经 常询问论文进展情况，为论文提供参考资料，仔细审阅初稿，提出修改意见，老师的 敬业精神和卓有成效的治学方法使我受益匪浅。论文凝聚了导师的心血，学生再次深 表感谢。 感谢合肥工业大学研究生院以及土木与水利工程学院的各位领导和老师，感谢他 们他们这几年来的辛勤工作和热情指导，并为本文的顺利完成创造了许多有利条件。 同时感谢吴锐、张文彦、潘峰、张硕、李耀等同学给予热情帮助。 另外，我要感谢我的父母。十几年寒窗，凝聚了我奋进的汗水，更印照了背后默 默注视我的目光。多年的异地求学生涯，得到了父母的理解和大力支持，是他们用自 己辛勤的劳动给了我创造一片宁静的学习环境，是他们在精神和物质上给予的极大支 持和鼓励时刻在催我奋进，这些都是我得以安心完成学业的可靠保障，我将用一生来 回报他们对我的爱。 最后，我要感谢本论文的审阅人、评议人、答辩委员和答辩秘书。他( 她) 们的 审核与评定是对我这几年来学习生涯的最好检验。 作者：熊小平 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 桩基负摩阻力研究的目的和意义 随着科学技术和经济建设的飞速发展，在不同地基上建造高层建筑物的情 况是越来越多。桩基础是人类在软土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，它具有比较大的整体性和刚度，能够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、大的建筑物的要求。近年来， 随着高层建筑物的大量兴建，桩基础已成为软弱地基出来的一种重要手段，也 是桥梁、港口、码头工程中的主要基础形式。在近代土木工程的发展中，桩基 础起着越来越重要的作用，尤其是现代施工技术、条件不断提高的情况下，桩 的设计长度与荷载值也越来越大。如目前，国内已建成的建筑一一上海浦东8 8 层高4 2 0 5 米的金茂大厦，桩基础如土深度超过了8 0 米；还有刚使用还不到半 年，国内第一高楼一一上海浦东1 0 1 层高4 9 2 5 米的上海环球金融中心，也采 用桩基础。目前，上海第一新高楼“上海中心 已经开工建设，竣工后有望将 上海的最高大厦高度再次提高，也同样采用桩基础。因此在很多情况下，桩基 础端部将达到岩层或不可压缩土层；或附近还有大面积填土、堆载等，很可能 会产生负摩擦力。因而负摩擦力的研究探讨也成为桩基础设计中非常重要的问 题。 当地基浅层土质不良，采用浅基础无法满足结构对地基强度、变形和稳定 性方面的要求时，往往需要采用桩基础。结构物荷载通过桩基础传递给地基， 竖向荷载由桩底土层抵抗力和桩侧土产生的摩擦力来支承。当桩穿过并支承在 各种压缩性土层中时，桩主要依靠摩擦力支持上部的荷载。但如果桩周出现负 摩擦力时，则负摩擦力非但不能为承担荷载做出贡献，反而要产生下拉荷载作 用。桩基负摩阻力可能发生在施工过程中、使用前或使用过程中，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。在实际工程中，我国沿海软土地区、湿限性黄土地区以 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、矿井井筒破坏、桥 墩倾斜等事故。下面列举一些比较典型的工程实例加以说明： 实例一由于矿井的疏排水、卸压等导致土体沉陷、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 量煤矿立井井筒( 相当于深长端部嵌固桩) 发生破坏。 实例二广东省广州市某小区商住楼：建筑物间距小，场地存在很厚的淤 泥层( 1 1 m u1 8 m ) ，建设单位坚决采用沉管灌注桩，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 却达不到设计的要求。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体的正摩 阻力，使桩受荷载后出现刺入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。 实例三沿海某局的办公大楼：场地填土厚度2 5u2 8 m ( 填土时间为3u6 个月) ，填土下面有1o 3u11 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 了设计要求，但在框架结构封顶、砌体工程完工后出现过大沉降，后续工程无 法施工。经多方调查表明：其原因在于填土作用下场地的自重固结产生较大的 负摩阻力，且静载试验时未考虑负摩阻力作用。 实例四兰州市某住宅楼：场地为湿限性黄土、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 c m 的换填) ，同时受雨季天然降雨的影 响，地基遇水软化，引起地基塌陷，使原本具有正摩擦力的土层变为负摩阻力， 进而拉动桩基整体下沉，于建成后2 年楼房墙面开始出现裂缝，2 年内桩的下 沉最大为2 7 8 c m ，为保证房屋使用的安全，最后采用注浆加固及加设水帷幕进 行补救，补救总费用达3 0 多万元，工期近5 0 天。 实例五哈尔滨市某建筑物坐落在深厚杂填土上，楼层仅为三层，并采用 了桩基础，桩尖处在原始土层持力层上。当时考虑到杂填土已沉积多年，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， 并投入了使用。但是经过很短的时间，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缝。 如今，为了满足经济发展的需要，各地高层、超高层建筑的大量兴建，但 在软土地区、湿限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。因此桩的负摩擦力引起建筑物的损坏正日益引起岩土工程专家和设 计人员的重视。为了不给国家财产和人民生活带来损失和困难，如何很好的消 减和避免负摩阻力，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和深入，无疑会对我国经济资源开发和经济建设具有 深远的影响和意义。 2 1 2 国内外桩基负摩阻力的研究状况 随着桩基础的广泛应用，桩土相互作用理论研究也逐渐深入，对桩负摩阻 力的认识也逐渐深化。最早的关于桩的荷载传递机理和桩土相互作用的认识可 以追溯到19 5 5 年，s e e d ，h b 和r e e s e ，l ，g 在“t h ea c t i o no fs o f tc l a ya l o n g f r i c a t i o np i l e s ”一文中对桩的荷载传递机理和桩土相互作用做了较为深入的研 究，提出了用十字剪切板法确定荷载传递曲线的方法，该文成为研究桩土相互 作用的经典之作【i 】。1 9 6 6 年，c o y l e ，h m 和r e e s e ，l ，g 就将桩体分段按完全弹性 原理去分析荷载传递特性【2 】；1 9 7 5 年d e s a i ，c ，s 。首先报道了应用有限元法分析 变形位移的工作成果【3 j ；1 9 7 8 年，r a n d o l p hm 。f 和w r o t hp c 介绍了用m i n d l i n 方程求土体位移的弹性理论分析法【4 】。近年来，人们又注意寻求桩土系统的弹 塑性理论解析解去研究桩土荷载的传递机理。对桩的荷载传递机理和负摩阻力 的认识可以归结为以下几个方面： 1 荷载传递分析法 荷载传递分析法是单桩荷载变形分析最常用的一种方法，这种方法最早是有 s e e d ，h b 和r e e s e ，l ，g 提出( 1 9 5 5 ) 。其最基本概念是：将桩离散为一系列 长的桩段( 弹性单元) ，每一桩段与土体之间的联系用非线性弹簧来模拟，桩端 处土体也用非线性弹簧与桩端联系。这些非线性弹簧的应力一一应变关系，即 表示桩侧摩阻力级( 或桩端阻力踢) 与位移s 间的关系( s 或踢s 关系) ， 这一关系一般称为传递函数。 现时，按照求解上式的途径不同，荷载传递分析法可分为几种计算方法： 荷载传递解析分析法、位移协调法以及其他一些方法等。 ( 1 ) 荷载传递解析法 这种方法系有k e z d i ，a ( 1 9 5 7 ) i s 和佐藤悟( 1 9 6 5 ) 【6 】等先后提出，在通 过实验实测并按一定模型建立的传递函数形式不太复杂时，即可将其代入切得 解析解。 关于此方法的传递函数的确定，对桩身荷载传递函数，一般是由桩静载试 验获得的试验资料导得荷载传递关系，并以此为基础在导出显示现场数据曲线 拟合的荷载传递关系，或使荷载传递曲线与土性或桩的参数相关的表达式。常 用的有代表性的传递函数模型有指数曲线( k e z d i ，a ，1 9 5 7 ) 、双曲线( g a r d n e r ) 和理想弹塑性关系( 佐藤悟，1 9 6 5 ) 等【刀。对桩尖的荷载传递函数，根据现场 观测结果提供的桩尖荷载传递曲线显示，在至少相当于极限端阻的1 2 内接 近线性的现象认为：桩尖荷载传递关系可表征为曲线后段是上述双曲线变换的 非线性反应构成而初始段则为线性的形式。 我国学者曹汉志( 19 8 5 ) 研究了桩土相互作用，提出了桩的荷载一沉降曲 线的数值计算方法。根据华南地区的几次试桩成果，发现实测的荷载传递曲线 可以近似地用双曲线方程来描述。从适用的角度来讨论，可将场曲线简化 3 为弹性一硬化模型来描述，并用五个参数五、航、a t 、k 2 、和。曲来表示桩侧、 桩尖土的荷载传递规律【8 】。周国林( 1 9 9 1 ，1 9 9 2 ) 基于荷载传递法的思路，研 究了单桩负摩阻力形成的机理【9 1 ，初步探讨了单桩负摩阻力形成的时间效应【l 。 ( 2 ) 位移协调法( c o y l e 和r e e s e ，1 9 6 6 ) m 1 c o y l e 和r e e s e 利用实测的桩侧和桩端的荷载传递函数，考虑桩身各单元 体位移与内力的协调关系可求出桩顶荷载一沉降关系曲线，称之为“位移协调 法 。目前，确定荷载传递函数一般采取如下两种方法：一是把传递函数简化假 定为某种类型曲线；另一种是通过现场或室内试验的方法来实测确定。在后者 的情况下，有实测求的传递函数曲线吼s 或q s 一般比较复杂，难以用简单 的数学关系来表述，因而不能将其代入桩的荷载传递的基本微分方程求解，要 从其它途径例如根据平衡条件和位移协调原则，经反复试算以求的桩身轴向力 q ( z ) 和桩侧摩阻力g 。( z ) ，这就是所谓的“位移协调法”。 2 弹性理论法 弹性理论法曾由许多研究者做过研究和改进。p o u l o s ，h g 和d a v i s ，e 。h ” 卅等人从弹性理论法中的m i n d l i n 公式出发，系统地导出了单桩和群桩的计算 理论以及一系列设计使用的系数图标，提出了用弹性理论计算负摩阻力的方法 ( p o u l o s ，h g 和m a t t e s , n s ，1 9 6 9 ) 1 3 1 。 弹性理论法把地基土看作均匀、连续、各向同性的线性弹性半空间体，具 有弹性模量e 和泊松比u ，于是可以用弹性连续介质理论去模拟桩基土体的荷 载响应。以弹性理论为根据发展出了一些计算单桩沉降的方法，这些解法虽略 有不同，但一般都基于桩的位移与临近土体位移之间的协调条件，为此，借助 于轴向荷载下桩身的压缩求得桩的位移，有应用荷载作用于半无限体内某一点 的m i n d l i n 位移解求得桩周土体的位移。由于弹性理论假定桩一土截面普遍满 足弹性及界面不发生滑移这一条件，沿界面诸相邻点的桩位移应与土体位移相 等，由此即可得桩身摩阻力和桩端阻力的分布，并进而得出桩的位移分布。 为了把均匀土中已有的分析公式高水平用到非均匀土中，p o u l o s ，h g 近似 地假定土体内的应力与原均匀土体中的应力分布情况相同，而计算土体位移时 所用到土的模量与该点所在位置有关。对于桩尖以上有若干土层的情况， p o u l o s ，h g 建议也可取加权平均模量来代替。 对于有限厚度土体及短承桩情况，p o u l o s ，h g 通过采用近似位移影响系数 及“镜像法”进行了计算。 b u t e r f i e l d ，r 和b a n e r j e e ，p k ( 1 9 7 0 ，1 9 7 1 ) 【1 4 】【”】等人在这方面也做了大量的 工作。其理论比p o u l o s 法更严格，对桩底单元进行了细分，直接对桩单元进行 计算。对刚性桩可直接求得桩荷载和位移之间的关系。对可压缩性桩，则利用 迭代法求解。 g e d d e s 1 5 】【1 6 1 先根据m i n d l i n 公式计算地基中的应力，然后再求得沉降表达 4 式，进而考虑桩与桩之间应力重叠效应，利用叠加原理求出群桩荷载作用下地 基中的应力及变形，而计算沉降时的方法与常用的沉降计算分层总和法基本相 同。在求解土中应力时，g e d d e s 将m i n d l i n 公式推广，导出了由于桩端阻力及 侧摩阻力所产生的土中应力计算公式。其中桩端阻力按集中力考虑，桩侧摩阻 力考虑了沿深度均匀分布和里线性增加的两种情况。 3 剪切变形传递法 c o o k e ，r w ( 1 9 7 4 ) 1 7 l 提出的摩擦桩荷载传递物理模型，该模型为了简化计 算，作了以下一系列假定： ( 1 ) 当荷载水平叫卑，较小时，桩在轴向荷载q 作用下沉降较小，桩土之间 不产生相对位移，亦即桩沉降使周围土体也随之发生剪切变形，剪应力从桩侧表 面沿径向向四周扩散到周围土体中 ( 2 )分析时假定桩侧上下土层之间没有相互作用 ( 3 ) 摩擦桩一般在工作荷载作用时，桩端承担的荷载比例较小，沉降主要 有桩侧传递的荷载引起 c o o k e 提出的剪应力传递概念的单桩沉降计算公式，由于忽略了桩端处的 荷载传递作用，因此对短桩误差较大后来r a n d o l p h ，m f 和w r o t h ，p c ( 1 9 7 8 ) 【1 8 】对剪切变形传递法作了补充和修正，提出了桩的影响半径与桩长及土层性质 有关，并按弹性力学方法补充了桩端沉降量的计算式。 由上述可见剪切变形传递法过于简单，忽略的因素太多，例如地基的三向 应力状态、地基的成层性、土参数随深度的变化以及桩端沉降等，因此该方法 在桩基设计的实践中一般很少应用。 4 神经网络法 王建华与林琼( 1 9 9 5 ) 1 9 1 将b p 型神经网络法结合信息扩散方法引用于单 桩沉降的预估，建立了以l d 预估工作荷载下单桩沉降的神经网络模型。 单桩沉降预估的神经网络法采用的是有r u m e l h a r t 等人提出的反向误差传 播( b a c ke r r o rp r o p a g a t i o n ，简称b p ) 神经网络，并借助于已收集到的试桩资料， 建立了神经元网络模型，它把一组训练样本的输入问题变为一个非线性优化问 题，在其迭代运算求权值的全过程中使用了最优化分析中的梯度下降法。 b p 网络是一个前馈网络，它主要有输入层、隐层和输出层组成。易见它有 点类似于“黑箱 结构，中层的隐层即相当于黑箱，当然，它比“黑箱”更进 一步。 考虑到神经网络法现时尚处于探计验证阶段，且其精确性是由条件的，所 分析沉降的单桩的情况要与建立模型的试桩情况近似，且这种方法的基础并非 力学机理的理论分析，免不了要打上“统计”的烙印。 5 数值分析法 近半个世纪以来，由于计算机技术的突飞猛进，数值方法在其研究和应用 5 方法上都取得了巨大的进展，大批优秀的计算方法相继问世。特别是近十年来， 新一代并行计算机的研制成功以及并行处理技术迅速崛起，使数值分析方法如 虎添翼。显然，正如在复杂岩体的位移、应力分析和流变分析以及航天飞机结 构分析等计算中那样，在桩基设计中引用和应用数值分析方法已是大势所趋， 因为桩基设计中涉及的某系分析，同样的不仅自由度高，而且含有非线性、随 机荷载和复杂的边界等多种因素，便于数值法优点的发挥。 以上几种方法中，都存在合理科学的先取桩、土的参数，也即如何确定桩 身的应力一应变关系、桩土接触面的应力一应变关系、土的应力一应变关系， 这也是分析桩土相互作用的关键所在。 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要首先解决的一个关键问题就是中 性点深度如何合理的确定。尽管上面提供了几种常用的计算经验公式，但是由 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变形模型，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和挑战。 现场原位测试及技术急需加强。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保守也不愿去做负负摩阻力的现场测试，这种局面一 方面浪费了资金，另一方面也可能没有解决负负摩阻力可能造成的隐患。长期 这样下去，我国的桩侧负负摩阻力的研究就不会有很大的根本性进步，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有不小的困难。 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 6 隙水压力，通常取零值，所以这种方法所计算出的是极限摩阻力，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小到中性点 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、 试验设各等条件的限制，故采用此法计算负摩阻力时结果不够准确。 经验公式对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，很难找到一个普遍的 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 偏大的问题。 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。 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，而这些参数有时难以确定。因此还需有待于进 一步的研究和发展。 1 4 本文主要工作 本文分为五章，主要围绕桩侧负摩阻力，对它进行论述和研究，所做的主 要工作有： l 、叙述了桩基的重要和负摩阻力对桩基影响的典型实例。还介绍了国内外 研究负摩阻力研究现状，以及研究当中的不足之处和亟待解决的问题，说明本 文选题的意义和可行性。 2 、 叙述了负摩阻力的特性；中性点的概念及其位置的确定；还有负摩阻力 的时效性。总结了桩侧负摩阻力的计算方法；利用传递函数法分析了负摩阻力 沿桩身的传递规律。 3 、 在国内外学者研究的基础上，选择双折线硬化模型作为荷载传递函数模 型以及桩端荷载传递函数模型。推导出了桩土相对位移方程、中性点位置、轴 力和负摩阻力的解析解。 4 、利用所选模型桩的负摩阻力计算的解析解，并结合工程实例与实测、有 限元( m i d a s g t s ) 模拟数值进行计算比较。通过对比和理论分析，得出负摩 阻力对桩基影响的一般规律。 5 、利用桩侧负摩阻力的性质阐述了如何在设计施工中避免和减少桩的负 摩阻力，以及利用负摩阻力的性质如何进行基础纠偏等方面工作。 7 第二章负摩阻力机理的研究 2 1 负摩阻力概念和产生的原因 2 1 1 负摩阻力概念 桩基础作为一种新型的地基处理方法已经越来越多的应用于土木工程建设 中。一般桩侧表面与土体之间存在着摩擦阻力，作用于桩侧表面摩擦阻力的方 向取决于桩与周围地基土之间的相对位移。在正常情况下，桩顶受到竖向荷载 作用下下沉，若桩的下沉速率( 或沉降量) 大于桩周土的下沉速率( 或沉降量) ， 桩周土对桩侧面就会产生向上作用的摩擦阻力，作用于桩侧单位面积上的这个 力称正摩擦力( p o s i t i v ef r i c t i o n ，简称p f ) ，表现为对桩起支承作用；反之，当 桩侧土体因某种原因而下沉，且其沉降速率( 或沉降量) 大于桩的沉降速率( 或 沉降量) 时，桩周土将对桩产生与桩位移方向一致，即产生向下的摩擦阻力， 作用于桩侧单位面积上的这个力称为负摩擦力( n e g a t i v ef r i c t i o n ，简称n f ) ，也 称为负摩阻力，它不但不会对桩的荷载起抵抗作用，由于它对桩产生的下拽荷 载，反而成为附加在桩的一个分布于桩侧表面的荷载。 oxoq o 匿卜一 1 车1 。、 ，一。一 一i l 矗 l ，_ _ - _ - z1 _ 。 卜一 f 譬 1 一j ， 卜1 1 z f ( b )( b )iic0d 图表2 - 3 中性点特性示意图 如图2 3 ( b ) 所示，桩土剪切相对位移线陆线在中性点处为零，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 3 ( 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；图2 3 ( d ) 示意了在负摩阻力作用下，在中性点位置处桩身轴力q 最大。 2 5 2 中性点位置的确定方法 对于桩基设计而言，除确定单位负摩阻力的大小和方向外，也应确定中性 点位置。中性点的深度与桩周土的压缩性和变形条件、桩和持力层的刚度等因 素有关。同时在桩、土沉降稳定前，它是变动的。目前对中性点的求解有不同 的方法，具体的有以下几种： ( 1 )中性点位置看根据桩的沉降万( z ) 与桩侧土沉降j ( z ) 相等条件确定 卜。在求出桩基与桩侧土体沉降后，即可找到桩土相对位移为零的中性点。 ( 2 )中性点深度可按照规范估算。j g j 9 4 9 4建筑桩基技术规范 5 2 16 3 条指出卜。”：中性点深度乙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2 1 确定。 1 2 表格2 - 1 中性点深度j 。 注：，。、乇一分别为中性点深度和桩周沉降变形土层下限深度； 桩穿越自重湿陷性黄土层时，7 。按表列值增大1 0 ( 持力层为基岩除外) ( 3 ) 根据工程桩的工作形状类别来推估中性点深度z 。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 【2 7 】 ： 摩擦桩： 厶= 0 7 0 8 l o 摩擦端承桩( 桩间土标准贯入击数n 2 0 ) ： 乙= 0 8 o 9 z o 支承在一般砂或沙砾层中的端层桩( 沉降在容许范围内) ： 乙= o 8 5 o 9 5 z o 支承在岩层或坚硬土层上的端承桩2 引： 乙= 1 0 1 0 高永华给出了z z o 的经验值2 9 】女口表2 - 2 。 表格2 - 2 中性点z 。的经验值 ( 2 1 ) ( 2 。2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 柱桩 持力层摩擦桩 制桩方式 砂砾层 岩层 打入桩 o 91 0 z z o 0 7 - - 0 8 灌入桩o 80 。9 ( 4 ) 根据现有经验，中性点深度主要随桩侧总阻力与极限承载力之比而变 【3 0 1 ，z 可按下式确定： 乞= 弘 ( 2 5 ) 式中一桩顶至固结土层底部的深度。对于新填土取填土厚度；当新填土层 1 3 下有软卧层时，应算至软卧层地面；对于自重湿性黄土和冻土融层取自重湿限 性黄土和冻土融层厚度；对于地下水位下降和大面积堆载，取桩顶至桩侧坚硬 土层( 坚硬夹层除外) 顶部的厚度。f 中性点深度系数，可按表格2 - 3 取值。 表格2 - 3 中性点深度系数彳 注：q 骝一桩侧总阻力；q 一极限承载力 ( 5 ) 根据计算公式【3 ： 厶= 踹 式中k ，一桩端土层垂直弹簧系数； & 一地基表面沉降，m ； f 一桩侧平均单位摩阻力，k p a ； u 一桩的周长，m ： 厶一桩周压缩层下限，m ； 尸一桩顶荷载，k n 。 ( 2 6 ) 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的一个非常 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( 19 9 7 ) p 刨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 ) p 刘又对此桩基负摩阻 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，没有考虑桩周地面附加荷载的大小，得出 的中性点是可能产生的最大深度。 2 5 3 影响中性点深度的因素 影响中性点深度的因素较多，其主要有3 4 1 ： 1 4 ( 1 ) 桩底持力层的刚度。一般来说持力层越硬，中性点深度就越深，柱桩 的中性点深度比摩擦桩的中性点深度大； ( 2 ) 桩周土层变形性质和应力历史。桩周土层压缩性越高，欠固结度越大， 土层越厚，中性点深度就越大； ( 3 ) 如果负摩阻力由沉桩后外部条件引起或在桩顶荷载作用下沉降已成的 情况下才产生，中性点深度就较大；堆载强度和面积、地下水降低幅度和面积 越大，中性点深度就越大 ( 4 ) 桩的长径比。长径比越小，截面刚度越大，中性点深度越大。 2 5 4 负摩阻力的时间效应 负摩阻力的发生和发展需经历一个很缓慢的时间过程，即具有时间效应。 负摩阻力的发展过程与桩周土体固结过程紧密相关，故其完成需经历较长的时 间。其初期由于桩身沉降的影响，负摩阻力增长缓慢，当桩身沉降稳定后，负 摩阻力迅速增长。最后，随着固结沉降的完成，负摩阻力趋于稳定( 如图2 - 4 所示) 。中性点也同样存在时间效应，伴随土体沉降的发展，桩土相对位移量也 随时间不断增大，桩身负摩阻力的大小及作用深度逐渐增加，中性点的位置下 移。随着时间的延续，桩土相对位移量逐渐稳定，桩身负摩阻力不再增大，中 性点也逐渐的收敛并稳定于某一固定深度。如7 0 年代在兰州的穿过自重湿限性 黄土，桩端支承在砂卵石层上，长l o m 的人工挖孔桩，侵水湿陷的负摩阻力实 验表明卜“，侵水4 0 天时中性点深度绣= ( o 7 0 9 ) ，4 6 天后稳定于扛= o 9 攻。 负摩阻力发展过程历时的长短取决于桩侧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，负摩阻力达到峰值后稳定不变；相反，当桩 身沉降迟于桩侧土固结完成时，则负摩阻力达到峰值后将有所降低。且固结土 层越厚，渗透性越低，负摩阻力达峰值所需的时间越长。 国 图表2 - 4 某桩负摩阻力时效示意图 2 6 基桩负摩阻力的计算 桩的负摩阻力强度与基桩沉降及桩侧土压缩沉降、沉降速率、稳定历时等 因素有关，且它随时间变化，分布也比较复杂。要想在计算中考虑各种因素几 乎是不可能的，一般只能简化的计算处负摩阻力的最大值，实际上，要根据具 体情况具体分析和处理。 为确定桩负摩阻力强度的大小，就必须研究产生负摩阻力时桩与土共同作 用的特点、土沿桩身的抗剪强度特征与桩侧的应力状态。为简便起见，各种负 摩阻力计算方法均假定： ( 1 )桩周负摩阻力是均匀分布的，对于分层地基，也假定在同一层内的 负摩阻力是均匀分布的。 ( 2 )对于同一土类，作用在桩周单位面积的负摩阻力和正摩阻力在数值 上大致是相等的。 实际中一般使用以下几种方法计算桩的负摩阻力： ( 1 ) 有效应力法t a a l ： 建筑桩基技术规范j g j 9 4 9 4 中推荐用此方法制，第5 2 1 6 条规定：“桩 侧负摩阻力及其引起的下拉荷载，当无实测资料时可按下拉规定计算。”单桩负 摩阻力标准值可按下列公式计算： 繇= 幺叫 ( 2 - 7 ) 其中：当降低地下水位时：一= z t 当地面有满布荷载时：叫= p + 刁 式中：g 二一第i 层桩侧负摩阻力标准值； n 一桩周土负摩阻力系数，可按表格( 2 - 4 ) 取值； 叫一桩周第i 层土平均竖向有效应力； 一第i 层土层底以上桩