（岩土工程专业论文）路堤荷载下钉形搅拌桩复合地基沉降计算方法研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明i 1111iiilllu刁tilt。lt(it(qiflllliiffll7tfhi 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 并表示了谢意。 签名：谰姆缒日 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 。 期： 摘要 摘要 钉形搅拌桩复合地基的沉降计算方法是实际工程中关心的一个重要问题，工程上一 般利用复合模量法计算钉形搅拌桩复合地基沉降，未考虑到群桩效应的影响，计算值常 与实际值存在差异。本文在已有研究成果与实测资料的基础上，从桩侧负摩阻力研究入 手，采用数值模拟的方法分析了钉形搅拌桩桩侧负摩阻力的分布规律，并研究了中性点 位置变化规律；基于已有的钉形搅拌桩单桩的位移模式以及单桩中性点位置求解公式， 分析了钉形搅拌桩复合地基“群桩效应”形成机理；在考虑“群桩效应”的条件下，提出将 钉形搅拌桩复合地基加固区分两层进行沉降计算的双层复合地基法，并结合工程实例验 证，得到了较为满意的结果。主要包括以下内容： ( 1 ) 用f l a c 3 d 对钉形搅拌桩单桩负摩阻力的各影响因素进行数值模拟；阐述了钉 形搅拌桩复合地基“群桩效应”的形成机理：路堤填筑过程中，钉形搅拌桩复合地基不仅 在路堤填土范围内存在土拱效应，而且在扩大头范围内也存在土拱效应；拱体的存在使 得“群桩 复合地基桩土荷载分担比与单桩复合地基荷载分担比存在较大差异；同时拱 体的存在使得拱体内部桩段上的负摩阻力大大减弱甚至消除，导致桩体的中性点上移， 降低了“群桩”的总体负摩阻力。 _ 庸，一n ( 2 ) 利用a l a g m i r 位移函数比( z ，) = s p ( z ) + 厂( z ) 仁一p “、口”) ，推导钉形搅拌桩的 口 位移解析解以及中性点位置的求解经验公式；假设土体受力时对桩体作用的有效影响面 积，基于极限平衡原理，建立了计算钉形搅拌桩负摩阻力作用下“群桩效应”系数的计算 公式，并通过工程实例验证，确定了钉形搅拌桩复合地基扩大头深度范围存在“群桩效 应 。 ( 3 ) 在钉形搅拌桩复合地基加固区的沉降计算时，引入双层复合地基模型，并对其 进行了可行性分析；选取典型单元体，分析了沉降计算中各参数如桩体变形模量、扩大 头和下部桩体范围复合模量、计算变形的分层厚度以及计算深度的计算方法。 ( 4 ) 对本文所提出的钉形搅拌桩沉降计算方法和规范中的沉降计算方法以及数值模 拟结果和实测值进行了工程实例验证，结果表明本文所提出的双层复合地基法是合理可 行的。 ( 5 ) 分析了钉形搅拌桩复合地基的设计原则、设计参数、设计流程以及设计步骤， 对设计步骤中的桩体设计强度、布桩方式、加固范围、沉降计算、整体稳定性验算的计 算方法以及相应计算公式作了较详细分析，同时基于理论与经验公式，深入分析了钉形 搅拌桩设计中各设计参数的计算方法。 关键词：钉形搅拌桩；复合地基；沉降计算；负摩阻力：数值模拟；群桩效应； 土拱效应；双层复合地基法 a b s t r a c t t h es e t t l e m e n to ft - s h a p e dc o l u m nc o m p o s i t eg r o u n di sak e yv a l u ef o re n g i n e e r i n g d e s i g n n i n g ，a n di sg e n e r a l l yc a l c u l a t e du s i n gt h em e t h o d ，h o w e v e r ，t h es e t t l e m e n tc a l c u l a t e d u s i n gt h eg e n e r a l i z e dc o l u m nm e t h o di s s m a l l e rt h a nt h eo b s e r v e dd a t ai nt h em e t h o do f c a c u l a t i n gs e t t l e m e n t t h ec a l c u l a t e dd a t au s i n gt h ed r a i n a g ep a s s a g em e t h o di sc l o s e rt ot h e a c t u a ls i t eo n e ，b u tt h em e t h o df o rc a l c u l a t i o no fs e t t l e m e n ti sc o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l tt o c o m p u t i n gi n t e g r a l b a s e do nt h e o t h e rp e o p l e sa c h i e v e m e n ta n da c t u a lm a t e r i a l ，f r o mt h er e s e a r c h i n g t h e o r yo fn e g a t i v es k i nf r i c t i o n ，t h ef a c t o r so fi n t e r f e r i n gt h es i d en e g a t i v ef r i c t i o no f t - s h a p e dp i l ee a c ht h r o u g ht h ev a l u es i m u l a t i o na 化a n a l y z e di nt h i ss t u d y t h e nt h e d i s p l a c e m e n tp a t t e r no ft - s h a p e dp i l ea n dt h ef o r m u l ao fc o l u n m sn e u t r a lp o i n tp o s i t i o ni s o b t a i n e d a n dt h et - s h a p e dc o l o u n m sp i l e - g r o u pe f f e c ti sa n a l y s e d c o n s i d e r i n gp i l eg r o u p s ， t - s h a p e dc o l u m nc o m p o s i t eg r o u n dw a sd i v i d e di n t ot h r e eg r o u p s ， a n dt h em e t h o do f d o u b l e l a y e r e dc o m p o s i t eg r o u n da r ee m p l o y e dt oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n t t h e nt h ep r o j e c t e x a m p l ew a sc o n f i r m a t e d t h em a i nw o r k s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef a c t so ft h et - s h a p e dc o l o u n m sn e g a t i v es k i nf r i c t i o nw a sa n a l y s e du s i n g f l a c 3 d ；t h ef o r m sm e c h a n i s mo f t h et - s h a p e dc o l o u n m sp i l e g r o u pe f f e c tw e r ee x p l m n e d ( 2 ) t h ep r o c e s so fr e a s o n i n gd i s p l a c e m e n tf u n c t i o no ft - s h a p e dc o l u m nf r o ma l a g m i r s y ，( z ，) ：s 口( z ) + 厂( z ) 二一e 以 1 ) w a si n 仃o ( 1 u c e d b a s e do nl i i l l i te q u i l i b r i u mt h e o r y ， a a s s u m i n gt h a tt h ef o r c e o fs o i lt ot h ep i l ew h e nt h er o l eo fe f f e c t i v ei m p a c ta r e a ，t h e c a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft - s h a p e dc o l o u n m s n e g a t i v ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tu n d e rt h ea c t i o no f p i l e g r o u pe f f e c t w a se s t a b l i s h e d ( 3 ) c a r r i e do nf e a s i b i l i t ys t u d ya n a l y s i s a b o u tt h e m e n t a l i t yb r i n gm e t h o do f d o u b l e - l a y e r e dc o m p o s i t eg r o u n di n t oc a l c u l a t i n gt h es e t t l e m e n to ft h et - - s h a p e dc o l u m n c o m p o s i t eg r o u n d s e l e c tt h em o d e lo ft h ed o u b l e l a y e r e dc o m p o s i t eg r o u n d ，a n dl i s t i n gt h e f o r m u l ac a l c u l a t i n ge a c hp e r a m a t es u c ha s ：c o l u n mm o d u l u s ，c o m p o s i t em o d u l u sb e t w e e n e n l a r g e dc o l u n mc a pa n dc o l o u n m ，l a m i n a t i o nt h i c k n e s sa n dc o m p u t a t i o nd e p t h ( 4 ) c a r r i e do nt h ep r o j e c te x a m p l ec o n f i r m a t i o nb ym a k i n g u s eo fe a c hm e a nw h i c hi s m e n t i o n e d f i n a l l yd e m o n s t r a t e d ：u s i n gt h eg e n e r a l i z e dc o l u m nm e t h o di ss m a l l e rt h a nt h e o b s e r v e dd a t a u s i n gt h ed r a i n a g ep a s s a g em e t h o di ss l i g h t l yl a r g e rt h a nt h eo b s e r v e dd a t a t h e c a l c u l a t e dd a t au s i n gt h em e t h o do fd o u b l e l a y e r e dc o m p o s i t eg r o u n di sc l o s e rt o t h ea c t u a l i t c o n f i r m e dt h a t t h i sm e t h o di sp r a c t i c a b l e ( 5 ) s u m m e du p t h et - s h a p e dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nd e s i g na n dp r a c t i c a la p p r o a c ht o t h ed e s i g ns t e p s ，d e s i g ne l e m e n t s ，p i l ec a p a c i t ye i g e n v a l u e s ，u p p e ra n dl o w e rp i l ed i a m e t e r d e p t h t h a nt h ed e s i g ni nd e t a i l ；a n a l y s i s e do ft s h a p e dm i x i n gc o m p o s i t ef o u n d a t i o nc o n t r o l o ft h eo p t i m u md e s i g np a r a m e t e r s k e y w o r d ：t s h a p e dc o l u m n ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ； n 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 n ；t h ee a r t ha r c h e se f f e c t ；p i l e g r o u pe f f e c t ： d o u b l e l a y e r e dc o m p o s i t eg r o u n d 1 i i 目录 目录 摘要i a b s l r l t i ：t 1 1 目录i v 第一章概述1 1 1 研究背景与意义1 1 - 2 国内外研究现状及存在问题i 1 2 1 水泥土搅拌桩复合地基研究现状l 1 2 2 负摩阻力基本理论与研究现状3 1 2 2 1 负摩阻力、群桩效应基本理论3 1 2 2 2 负摩阻力、群桩效应研究现状4 1 2 2 3 水泥土搅拌桩侧摩阻力研究现状7 1 2 3 水泥土搅拌桩复合地基变形特征及沉降计算研究现状9 1 2 4 钉形搅拌桩复合地基变形特征及沉降计算研究现状1 4 1 2 5 存在问题1 8 1 3 本文主要研究内容与采用的技术路线1 8 1 3 1 主要研究内容1 8 1 3 2 研究采用的技术路线1 8 第二章钉形搅拌桩单桩负摩阻力数值模拟分析2 0 2 1 引言2 0 2 2 三维问题有限差分数值原理与方法2 0 2 3 有限差分数值计算程序f l a c 皿简介与本构模型2 1 2 3 1f l a c 肋简介2 1 2 3 2 本构模型2 2 2 3 2 1n u l l ( 空单元) 模型2 2 2 3 2 2m o h r - c o u l o m b ( 莫尔一库伦) 塑性模型2 2 2 3 3 材料参数选取2 5 2 3 4 边界条件、约束条件及网格划分2 5 2 3 5f l a c 曲求解流程2 6 2 4 钉形搅拌桩负摩阻力的数值模拟及其影响因素分析2 6 2 4 1 参数选取2 7 2 4 2 桩侧摩阻力分布及中性点影响因素分析2 8 2 5 本章小结3 3 第三章钉形搅拌桩复合地基口群桩效应一分析3 4 3 1 引言3 4 3 2 钉形搅拌桩单桩中性点位置计算3 4 3 3 钉形搅拌桩复合地基的。群桩效应刀分析3 4 3 4 钉形搅拌桩复合地基“群桩效应力系数计算3 6 3 4 1 钉形搅拌桩复合地基“群桩效应”系数计算模型建立3 6 3 4 2 工程实例分析3 9 3 5 本章小结4 0 i v 目录 第四章钉形搅拌桩复合地基沉降计算研究4 2 4 1 引言4 2 4 2 含有硬壳层的复合地基承载性能及沉降特性分析4 2 4 2 1 含有硬壳层的搅拌桩复合地基承载性能分析4 2 4 2 2 含有硬壳层的搅拌桩复合地基沉降特点分析4 2 4 3 双层复合地基模型可行性分析4 4 4 3 1 双层复合地基的板体效应4 4 4 3 2 含有硬壳层的双层复合地基附加应力分布4 5 4 4 路堤荷载下的钉形搅拌桩沉降计算4 6 4 4 1 沉降计算基本假定4 6 4 4 2 双层复合地基模型典型计算单元体选取4 7 4 4 3 沉降计算基本公式4 8 4 4 4 工程实例分析5 4 4 5 本章小结5 7 第五章按变形控制的钉形搅拌桩复合地基设计及工程应用5 9 5 1 引言5 9 5 2 设计原则5 9 5 3 设计参数5 9 5 4 设计流程5 9 5 5 设计步骤6 0 5 5 1 桩体设计强度6 0 5 5 2 布桩方式6 1 5 5 3 加固范围6 1 5 5 4 钉形搅拌桩复合地基沉降计算6 1 5 2 5 整体稳定性验算6 4 5 6 设计要点6 4 5 6 1 设计参数确定6 4 5 6 3 优化设计问题6 6 5 7 本章小结6 6 第六章结论与不足6 8 6 1 全文主要结论6 8 6 2 存在的不足6 9 参考文献7 0 致谢7 4 作者学习期间发表论文7 5 v 第一章概述 第一章概述 1 1 研究背景与意义 近年来，我国高速公路的建设进入了快速发展阶段，特别是东部沿海地区高速公路 的建设。由于沿海省份大量软弱土层的存在，在高速公路建设中，软基处理成了不可回 避的问题，在软基处理的实践中，涌现了不少各有特色的软基处理方法，常用的方法如： 经济节约、施工简单的堆载预压；具有强抗侧向变形能力的土工加筋技术；具有较高的 承载力和较大抗变形能力的刚性桩复合地基；以及水泥土搅拌桩复合地基等。虽然这些 方法都有各自的优势，但也有其不可克服的缺陷，如堆载预压法处理软土的深度不深， 刚性桩造价相对高昂，水泥土搅拌桩成桩质量难以保证等，这就为一种新综合性价比更 高的软基处理方法的产生提供了机遇，而钉形水泥土双向搅拌桩就是在这种背景下应运 而生的。 针对水泥土搅拌桩复合地基存在的问题，东南大学交通学院刘松玉教授等在充分研 究水泥土搅拌桩加固机理和影响水泥土搅拌桩成桩质量和桩身因素的基础上，成功研制 了一种新型水泥土搅拌桩施工工艺，即钉形搅拌桩和双向水泥土搅拌桩施工工艺相结 合，形成钉形搅拌桩双向搅拌桩。 钉形搅拌桩是在分析水泥土搅拌桩复合地基荷载传递规律和土拱效应的基础上，对 现有设备进行改进，使搅拌叶片可以伸缩从而改变叶片的直径，通过搅拌叶片的伸缩， 使上部一定深度内截面扩大，形成钉子形状的水泥土搅拌桩，称为钉形搅拌桩，其中上 部扩大部分简称为“扩大头”。钉形搅拌桩优势明显：在柔性荷载作用下，扩大头的存在 能助于土拱形成，提高桩体荷载分担；桩体采用变刚度设计，上部刚度较大、下部刚度 较小，既有效减小了沉降，又减少工程投资；扩大头能有效协调复合地基变形，减小地 表桩土相对沉降，0 扩大头作用、土拱效应，无需设置加筋或垫层，可大幅增加桩间距， 节省工程成本。 目前，对钉形搅拌桩复合地基的研究成果主要集中在承载力和土拱效应方面，对固 结、沉降、变形特性等也有定性或定量的计算分析，但还不是很完善。而实际工程设计 中更多的是以沉降为控制标准，除必须考虑承载力是否满足要求的同时，还需考虑沉降 计算值是否与实际值相符，这就对钉形搅拌桩复合地基沉降计算值的精确度提出了更高 的要求，因而提出较为准确的钉形搅拌桩复合地基沉降计算方法已经势在必行。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 水泥土搅拌桩复合地基研究现状 我国于1 9 9 6 年在杭州召开全国复合地基专题学术研讨会和2 0 0 8 年在南京东南大学 召开的全国地基处理学术研讨会，以及国内外召开的各种土力学与基础工程学术会议上 都有相当数量的论文介绍水泥土搅拌桩复合地基的最新研究成果。 ( 1 ) 现场模型试验研究 陆贻杰等【1 】在室内模型试验中采用承台下埋设微型土压力计、水泥土桩侧壁上粘贴 查堕查堂堡主堂篁丝兰 应变片的方法，研究了搅拌桩加固砂土地基基底压力分布、水泥土桩荷载传递规律以及 桩长和置换率与承载力和变形的关系。 叶观宝等【2 】、段继伟等1 3 】通过现场足尺试验研究了刚性基础下水泥搅拌桩复合地基 单桩和单桩带台情况下的荷载传递规律。研究表明，复合地基存在临界桩长l c 。桩体 的变形、轴力和侧摩阻力主要集中在0 一l c 深度内。 韩杰等【4 j 根据多年的研究成果，对复合地基受荷过程中基底反力、附加应力分布和 桩土应力比特性等进行了分析。陈趁等【5 1 在水泥粉喷桩单桩、复合地基以及天然地基载 荷试验的基础上，认为桩身应力应变随深度呈非线性分布，桩土应力比随荷载而变化， 桩身应力应变在桩身中的传递深度是有限的。 林彤【6 j 通过不同类型粉喷桩复合地基的静载试验分析研究，得出了桩土应力比、地 基承载力及桩土分担荷载等实测值，得到了粉喷桩复合地基在荷载作用下的应力应变规 律。 张建新等【7 】通过粉喷桩复合地基的静载荷试验，分析了整个加荷过程中水泥搅拌桩 复合地基的桩土应力比的变化，并对复合地基中桩土共同作用机理进行了探讨。 晏启祥等【8 j 对一软土路基三种粉喷桩加固方案( 不同桩长、不同布置方式) 进行了沉 降、侧向位移和桩土应力比等观测分析，认为粉喷短桩为最优方案。 俞亚南等1 9 1 报道了桥头粉喷桩处理地基的成果，包括地表沉降、分层沉降、水平位 移、孔隙水压力：土压力和桩身应变等，并对粉喷桩作用机理及处理效果进行了分析。 ( 2 ) 室内试验研究 林琼等【l o l 通过水泥土一土复合体一维压缩试验和三轴固结不排水剪试验，发现水泥 土一土复合体的应力应变曲线类似于超固结土。随着围压的减少、置换率的提高和水泥 掺合比的增大，复合土体由塑性破坏向脆性破坏转化。林琼等【l l 】也进行了搅拌桩加固软 粘土地基室内模型试验，发现桩土应力比与荷载水平有关，在某一荷载下达到峰值。 ( 3 ) 数值计算 刘一林等【1 2 】将水泥搅拌桩复合地基分别当作“双层地基”和“群桩”两种完全不同的 模型进行有限元分析。计算表明，复合地基的沉降随加固区深度和模量的增大而减少， 但存在临界的加固区深度和模量。当加固区深度和模量超过了相应的临界值后，并不再 有效地减少复合地基沉降。 段继伟【1 3 1 用线弹性轴对称有限元法研究了水泥搅拌桩单桩带台复合地基桩土应力 比与各影响因素的关系以及沉降和荷载传递特性，计算结果也表明临界桩长与桩土模量 比有关。 马海龙等【1 4 l 采用弹性半无限空间体内的m i n d l i n 应力解及分层总和法，计算分析了 柔性桩的桩土应力比随荷载水平、置换率、固化剂掺入和桩长变化的规律，提出了以目 标桩土应力比为控制因素的柔性桩复合地基优化设计方法。 黄涛等【1 5 】对水泥粉煤灰钢渣桩复合地基承载力特性、桩土应力比、荷载分担比各自 特性及相互关系进行了分析。 郑刚等【1 6 】通过模型试验和轴对称有限元一无穷元藕合分析，研究了软土层中水泥搅 2 第一苹概述 拌桩的荷载传递。结果表明，基础、桩长和垫层对水泥搅拌桩复合地基的荷载传递有较 大影响。在软土中桩身上部桩土之间可能产生相对滑移，产生相对滑移的深度与桩土模 量比有关。 a l a m g i 等【l7 j 在分析柔性基础下端承桩复合地基时，假定桩土为线弹性体，选择适 当的典型单元体位移模式，利用典型单元体侧面零剪应力和桩土界面位移协调条件，通 过桩土单元的平衡分析获得了桩、土的沉降和应力分布。有限元法分析表明，此种方法 的精度是令人满意的。 以上研究成果基本上都是在考虑单桩的条件下对水泥土搅拌桩作的沉降变形特性 研究，未考虑到路堤荷载下负摩阻力对沉降的影响，而且在水泥土搅拌桩“群桩”复合地 基中，有关土拱效应引起的“群桩效应”系数的研究也未曾有，因而需要对此作初步研究。 1 2 2 负摩阻力基本理论与研究现状 1 2 2 1 负摩阻力、群桩效应基本理论 ( 1 ) 中性点位置 桩侧产生负摩阻力的直接原因是桩土之间产生相对位移，但是这种对工程产生不 利影响的负摩阻力并不是存在于整个高压缩性软土地基中的整个桩身。桩体沉降由于桩 顶荷载的施加以及桩体本身的压缩变形而产生，桩周土体沉降由于自身的固结以及桩周 土堆载作用而产生。正常情况下，在桩顶荷载作用下，桩体沉降趋于定值，而桩周土体 的沉降固结时间的增加也趋于稳定，但是随着深度的增加而逐渐变小。桩一土体系中必 会存在某一深度处桩身的沉降与周围土体沉降相等，也就是桩周土与桩之间没有发生相 对位移，这时负摩阻力为零。在该深度以上，桩身所受的是负摩阻力；在该深度以下， 桩身所受的是正摩阻力；正负摩阻力变换处的位置称为中性点。 图卜1 桩基负摩l 咀力中性点示意图 如图1 1 所示，中性点是桩土相对位移、正负摩阻力变化以及桩身轴力沿深度变 化的特征点。桩身轴力由桩顶荷载和下拉荷载构成，中性点以上由于负摩阻力的存在， 桩身轴力从桩顶到中性点位置不断增大，到中性点位置为轴力的峰值；而中性点以下由 于正摩阻力的发挥桩身轴力又逐渐减小。中性点位置决定桩体的最大荷载，是承受负摩 阻力桩最基本的一个特性，说明中性点有三个特征：所在断面处桩土位移相等、摩阻力 查堕奎堂堡圭堂篁丝茎 为零、桩身轴力最大。 ( 2 ) 桩基负摩阻力的时间效应 如果负摩阻力是由桩周土体的固结沉降而产生的桩土相对位移所引起的，那么负 摩阻力的产生和发展必然要经历一段时间过程。这一过程的长短取决于桩周土固结完成 的时间和桩身沉降所完成的时间，当后者先于前者完成时，则负摩阻力达峰值后稳定不 变；反之则负摩阻力达峰值后又会有所降低。发生固结的土体越厚，渗透性越低，负摩 阻力达峰值所需时间越长，例如软粘土等。在不同的土层中，固结系数的不同以及地下 水位的变化直接影响着桩负摩阻力的大小，中性点位置；可见，在固结沉降完成前，桩 基负摩阻力是一不稳定的动态变化值。 ( 3 ) 桩侧负摩阻力的群桩效应 正常情况下，桩基础是以群桩基础方式应用到实际工程之中的。因为群桩和单桩的 工作状态有很大的不同，所以用单桩的受荷理论来解释桩距较小的群桩是不合适的。和 承受正摩擦力的群桩一样，承受负摩阻力的群桩也具有特殊的群桩效应。桩距较小的群 桩中，若群桩中各桩表面单位面积所分担的土体重量应小于单桩的负摩阻力极限值，将 导致群桩内基桩负摩阻力降低，也就是说平均每根桩负摩阻力比单根桩小；群桩中作用 于边桩和角桩的负摩阻力大于中心桩上的负摩阻力，这就是负摩阻力的群桩效应【l s l 。由 于群桩土体的复杂的共同作用，使得群桩内中间桩的桩、土相对位移减少，从而使内 部桩段上的负摩阻力大大减弱甚至消除，导致桩体的中性点上移，降低了群桩的总体负 摩阻力。 1 2 2 2 负摩阻力、群桩效应研究现状 桩侧的负摩阻力问题是工程界比较关心的问题之一，早在2 0 世纪4 0 年代后期负摩 阻力问题就逐渐被国外学者所认识，并不断在前人的基础上提出桩的负摩阻力概念及其 计算方法：而国内起步则较晚，于2 0 世纪8 0 年代才有基本的研究，由于桩基负摩阻力 原位试验耗资大、周期长，对这一问题的研究还不够深。到目前，对桩侧摩阻力研究的 方法主要可以概括为：现场试验研究、模型试验研究、数值模拟实验研究、理论分析实 验研究四个方面。以下从这几个方面简介国内外学者的研究成果。 ( 1 ) 现场试验研究 马时冬【1 9 1 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 近于实际的日本规澍2 0 】采用的中性点深度计算公式： l k v 。s q + z u | n p 0 一i 瓦万西万 该公式考虑能够反映附加荷载引起的地表沉降( & ) 、桩顶荷载( p ) 、桩径、土层 压缩性( ，o ) 和桩侧摩阻力( f ) ，以及桩端持力层性质( k ) 等各种因素的影响，但该法的难 4 第一章概述 点在于参数的选取上可能存在较大误差，故在工程应用中有定难度。 吴文 2 1 1 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 d x 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 。 。 夏力农，柳红霞等田】通过对在地面堆载作用下3 根施加不同荷载桩的负摩阻力性状 的时间效应进行现场测试。试验结果表明，负摩阻力随堆载作用时间的延续而变化；堆 载使土体沉降，土体沉降就会引起负摩阻力。在堆载初期，负摩阻力引起的桩附加沉降 速率随着桩顶荷载的增大而加快，且稳定的附加沉降随着桩顶荷载的增大而增加。在有 无桩顶荷载的2 种情况下，下拉力随着堆载作用的时间延续而增大，稳定的下拉力随着 桩顶荷载的增加而减小。在堆载作用下，桩顶荷载推迟了负摩阻力出现的时间。桩顶荷 载越大，中性点初次出现的时间越晚、位置越浅。中性点出现的时间随着桩顶荷载的增 加而延后，桩顶荷载的增大会加剧这些现象。 ( 2 ) 模型试验研究 吴一伟 2 3 j 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表明负摩阻 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 m m ) 两者之间近似呈线性关 系。 。 陆明生 2 4 1 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。 谢依航等1 2 5 】设计了一套可以改善长期温度效应的测试桩基负摩阻力特性的模型试 验装置，通过试验测得桩侧负摩阻力在土体压密沉陷时以及压密完成后的变化情况。试 验结果表明，负摩阻力历时曲线与土体压密历时曲线相似，其生成主要集中在压密阶段， 之后随时间趋于缓和；随着上覆土应力的增加，桩侧负摩阻力也随之增加。 杨庆一等1 2 6 j 通过对粉土中混凝土单桩竖向静载荷的模型试验研究认为，摩擦端承桩 “中性点”位置随桩周土含水率、堆载等级的变化而变化，在最优含水率附近，土层的下 陷量较大，致桩体沉降量也大，故“中性点”的位置会有所上升；随着桩周土堆载的增大， 桩周土对桩侧的下拽力也增大，桩体进一步下陷，使桩土相对位移反而减少，“中性点” 有所上升。 孙波等口7 】针对堆载条件下单桩模型负摩阻力特性进行了模型试验和现场试验研究， 比较分析了有、无堆载情况下单桩的承载力性状。试验结果表明，桩顶荷载增加使中性 点上移、下拽力减小。 孔纲强等【2 8 】通过针对桩项荷载和地面堆载共同作用并考虑地基土固结沉降条件下， 饱和粘土中倾斜群桩负摩阻力特性进行了模型试验，并进行了同等条件下竖直单桩及竖 直群桩试验作为比较分析。研究了中性点位置、桩身下拽力以及土体分层沉降随地基土 固结时间的变化规律。试验结果表明，桩基负摩阻力随着固结时间的增大而逐步发展( 数 5 东南大学硕士学位论文 值逐渐增大、增长速率逐渐减小) 并最终趋于一个稳定值，表现出明显的时间效应；当 桩一土相对位移达到2 m m 时，桩侧负摩阻力将达到其最大值的8 0 - 9 0 左右。 ( 3 ) 数值模拟实验 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 和t e h 2 9 】在桩土界面出引入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 等【3 0 】建立了群桩负摩阻力简化的 数值计算模型；j e o n ge ta 1 1 3 i 】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 【3 7 】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的影响进行了重点分析；另外，s h e n 和 t e h l 3 2 1 采用变分法建立了群桩负摩阻力计算模型等。 h o q u e 、h a b i b 等【3 3 1 1 3 4 1 基于p l a x i s 有限元软件，建立了考虑地基土体固结沉降的 单桩负摩阻力数值计算模型，并分析了桩一土相对位移、中性点位置随土体固结时间的 变化规律。研究结果表明，桩基负摩阻力、中性点位置随着土体固结时间的增加而增大， 并逐渐趋于一个稳定值；考虑地基土固结时间效应对全面认识桩基负摩阻力特性十分必 要。 赵敏等【3 5 】基于有限元软件，建立了大面积堆载下桩基负摩阻力特性的数值模型，分 析了地基土固结过程、桩顶荷载大小以及桩端支承条件等因素对桩侧负摩阻力和中性点 位置的影响规律。研究结果表明，在地基土固结过程中，桩侧负摩阻力和中性点位置也 处于变化过程中，桩基承载力逐渐减小；桩顶竖向荷载越大，中性点深度越浅，桩身承 受的下拽力越小。 屠毓敏等1 3 6 j 基于有限元软件，建立了承受邻近堆载作用下排桩负摩阻力特性的数值 模型，分析了桩侧负摩阻力特性随排桩间距以及堆载与排桩之间距离变化的变化规律。 研究结果表明，随着堆载的增大，桩身轴力也随之增大，当堆载增至一定值时，桩间土 产生土拱效应，桩身轴力略为减小，堆载继续增大时，土拱效应遭到破坏，桩身轴力再 次增大；当堆载增大到一定值时，桩顶部产生局部拉应力，且随着堆载与桩之间距离的 增大而增大，中桩的拉应力比边桩要大；桩身最大轴力点位于0 6 5 0 7 5 倍的桩长处， 边桩的轴力大于中桩：随着桩距的增大，桩身轴力也随之增大，而土拱效应削弱；当堆 载距排桩一定距离时，桩身轴力达到最大。 孔纲强等1 3 7 1 基于f l a c 3 d 有限差分法软件，建立了群桩三维数值计算模型，并利 用模型试验和现场试验实测资料结果进行验证分析。着重分析了加载速率与加载方式对 群桩负摩阻力、桩身下拽力以及中性点位置特性的影响规律。研究结果表明，桩身下拽 力和桩顶下拽位移随着加载速率的减慢而减小并最终趋于一个稳定值；分级加载比直接 加载产生的桩身下拽力值略小，随着荷载等级的增大两者差异减少并趋于一致。群桩效 应受桩间距大小的影响显著，桩间距在( 3 d - 4 d ) 时，群桩效应明显，当桩间距大于6 d 时， 群桩效应近似为零。由于受群桩效应的影响，群桩中各位置桩的受力情况有所不同，中 心桩受到的由负摩阻力引起的桩身下拽力小于边桩和角桩情况； 6 第一章概述 ( 4 ) 理论分析研究 t e r z a g h i 和p e e k 于2 0 世纪6 0 年代提出了计算端承桩单桩下拖力的方法，其假设桩 身极限摩阻力已完全发挥，桩土位移发生于整个桩长范围内；2 0 世纪6 0 年代末，中性 点的概念被提出，并先后出现各种各样计算中性点的计算方法，如j o h a n e s s e n 和 b j e r r u m 3 8 】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。 p o u l o s l 3 9 1 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 w 等【4 0 】采用弹性桩一土界面方法计算下拖力在桩群中的分布；t e h & w o n g 4 1 1 考 虑了桩一土滑移，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。 魏汝龙1 4 2 1 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【4 3 】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m 】利用传递函数法提出了计算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，因此未考虑单元之间土体位移存在的相互影响，并且数值计算方 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。 赵锡宏 4 5 j 利用半理论一半经验的桩基沉降计算公式，通过简单迭代计算对承受负摩 阻力的桩基的中性点、桩基沉降等进行了分析，并强调软土地区桩基的负摩擦力问题 主要是沉降问题，而不是强度问题，但由于其仅采用分层总和法来计算桩周土体沉降， 得出的实际上仍为最大中性点深度，因此其不能够考虑负摩阻力随时间发展变化的动态 过程。 陈仁朋等 4 6 1 利用改进的桩土界面荷载传递双曲线分析了大面积堆载下，在桩项作用 大小不同的竖向荷载以及桩侧土达到不同固结度时再施加桩顶荷载情况下，桩身摩阻力 的发展变化规律。研究结果表明：随着地基土的固结，桩身中性点位置处于一个变化过 程中，桩顶作用的荷载大小不同，桩身中性点位置也不同；地基土固结一段时间后再打 桩能减小桩侧负摩阻力。 王建华1 4 7 1 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 郴】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，较难被工程师所接受。 1 2 2 3 水泥土搅拌桩侧摩阻力研究现状 刘添俊、李彰明【4 9 】在采用m i n d l i n 解计算桩侧摩阻力及桩端阻力对土中附加应力的 影响时，假定桩顶和桩端侧摩阻力为零，最大桩侧摩阻力发生在三分之一桩长( l ) 处， 如图1 2 7 东南大学硕：b 学位论文 桩顶荷载 1 jlj h 3 1 卢 l h i 桩 i 体 i i i 1， 1 1 g ，一7 图l - 2 搅拌桩桩侧摩阻力分布示意图 得到计算最大桩侧摩阻力的公式：吼一= 名二) 匕为桩顶荷载( k n ) ；r 为桩的半径( m ) ； 刘利吲5 川等在用实体基础法计算水泥土搅拌桩复