基桩负摩阻力的计算.doc

基桩负摩阻力的计算岩土工程 方楹 1122090001摘要：分析了摩阻力与轴力的关系、负摩阻力产生的原因以及负摩阻力时桩的影响，论述了不同情况下负摩阻力的计算方法。关键词：桩 负摩擦阻力 计算 方法Negative Frictional Resistance For Calculation of Foundation PileAbstract:This paper analyzes the relationship between frictional resistence force and axial force,exerting cause of negative frictional force and its influence pile. The calculation method of negative frictional force under different condition is described.Keywords:pile;negative frietional resistanee force:ealeulation;method1负摩阻力的产生桩在竖直的轴向荷载作用下，桩身横截面产生了轴向内力和位移，由此桩土之间就有了相对位移，于是土对桩侧产生了摩阻力，相应于桩尖的位移，则产生了对桩端的阻力。通过桩侧摩阻力和桩端阻力，桩将荷载传给土体。即桩侧总摩阻力和桩端阻力之和等于桩顶轴向荷载。桩的荷载传递以及桩的位移，体现了桩在轴向荷载作用下的工作性能。图1(b)为一根进行静载试验的桩，若在桩身中每隔一段距离埋设应力测量元件，当桩顶作用有轴向压力P时，根据量测结果，可画出桩身轴力的分布曲线，如图1(c)所示。然后找出轴力分布曲线的函数式P(z)，这个曲线和函数P(z)表达了沿桩身深度:处的荷载传递关系，而摩阻力f(z)就是桩侧单位面积上的荷载传递量。在桩身某一深度z处取出长度为dz的一小段桩体，其上下截面和侧面的受力情况如图1(a)所示，设桩的横截面周长为U，根据该桩体单元体的平衡条件得: (1)则 （2）上式表示摩阻力与轴力的基本关系。式中，摩阻力向上时，取正号，这时随着深度的增加而减小，因而为负值，故的大小分布可由上式求得。如果随着深度的增加而增大，则为负值，其方向向下，则表示出现了负摩阻力的情况。桩土之间相对位移的方向，对于荷载传递的影响很大。在一般情况下，桩受轴向荷载作用后，桩相对于桩侧土体作向下位移，使土对桩产生向上作用的摩阻力，称正摩阻力。但是，当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降速率大于桩的下沉时，则土层相对于桩侧向下位移，产生于桩侧的向下的摩阻力称为负摩阻力，如图2。产生负摩阻力的情况有多种，例如:位于桩周的欠固结软粘土或新填土在自重作用下产生固结;大面积堆载使桩周土层压密;在正常固结或稍微超固结的软粘土地区，由于地下水位全面降低(如抽取地下水)，致使有效应力增加，因而引起大面积沉降;自重湿陷性黄土浸水后产生湿陷等。在这些情况下，土的自重和地面上的荷载将通过负摩阻力传递给桩，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，对人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，这在确定桩的承载力和桩基设计中应予以注意。2负摩阻力的计算桩侧负摩阻力问题，实质上和正摩阻力一样，如果得知土与桩之间的相对位移以及负摩阻力与相对位移之间的关系，就可以了解桩侧负摩阻力的分布和桩身轴力的变化了。图3(a)表示一根承受竖向荷载的桩，桩身穿过正在固结中的土层而达到坚实土层。在图3(b)中，曲线1表示土层不同深度的位移，曲线2为该桩的截面位移曲线。曲线1与曲线2之差为桩土之间的相对位移。曲线2和曲线1的交点为桩土之间不发生相对位移的截面位置，称为中性点。在点之上，土层产生相对于桩身的向下位移，在这部分桩长范围内出现负摩阻力。在点之下，桩截面产生相对于土层的向下位移，因而在桩侧产生正摩阻力。图3(c)及(d)分别为桩侧摩阻力曲线和桩身轴力曲线。其中为负摩阻力引起的桩身最大轴力 (又称下拉力)，为总的正摩阻力。从图中可知，在中性点处桩身轴力达到最大值，而桩端总阻力。由于桩周土层的固结是随时间而发展的，所以土层竖向位移和桩身截面位移都是时间的函数。在一定的桩顶荷载尸作用下，这两种位移都随时间而变，因此中性点的位置、摩阻力以及轴力都相应发生变化。如果在桩顶荷载作用下的截面位移已经稳定，以后才发生桩周土层固结，那么土层固结的程度和速率是影响负摩阻力的大小和分布的主要因素。固结程度高，地面沉降大，则中性点往下移;固结速率大，则负摩阻力增长快，不过负摩阻力的增长要经过一定时间才能达到极限值。在这个过程中，桩身在负摩阻力作用下产生压缩。随着负摩阻力的产生和增大，桩端处的轴力增加，桩端沉降也增大了。这就必然带来桩土相对位移的减小和负摩阻力的降低，而逐渐达到稳定状态。如果桩端沉降和桩身截面位移都大于土层的位移，则负摩阻力消失。2.1中性点位置的确定确定桩身负摩阻力的大小，就要先确定产生负摩阻力的深度和负摩阻力强度的大小。桩身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就是桩侧土层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底下沉直接有关。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，且它随时间的变化和分布也比较复杂。为确定负摩阻力强度大小，就必须研究产生负摩阻力时桩与土共同作用特点和土沿桩身的抗剪强度特征及桩侧的应力状态。一般认为，桩侧土与桩的粘着力和桩表面负摩阻力的大小取决于土的抗剪强度;负摩阻力虽有时间效应，但从安全考虑工程上可取其最大值。中性点位置的确定是比较麻烦和困难的，目前多采用依据一定的试验结果得出的经验值，或采用近似的估算方法。例如:先假设中性点位置，计算出所产生的负摩阻力，然后将它加到桩上荷载中，计算桩的弹性压缩，并以分层总和法分别计算桩周土层及桩底下土层的压缩变形，绘出桩侧土层的下沉曲线(图3b中l线)和桩身的位移曲线(图3b中2线)，两曲线的交点即为计算中性点位置，并与假设的中性点位置进行比较，看其是否一致，若不一致，则重新计算。根据试验结果分析，可按经验估计产生负摩阻力的深度即 （3）式中为产生负摩阻力的深度(m)，为软弱压缩层或自重湿陷黄土层厚度(m)。2.2软粘土层负摩阻力强度的计算对于软粘土层的负摩阻力强度计算，可按太沙基建议的方法计算，即 （4）式中为负摩阻力强度(kPa)，为软粘土层的无侧限抗压强度(kPa)。2.3软弱土层上的其他土层的负摩阻力强度计算对于位于软弱土层上的其他土层，由于软弱粘土层下沉，也将对桩产生向下作用的负摩阻力。可用下式计算由此产生的对桩的负摩阻力，即 （5） （6）式中为竖向有效应力(kPa)，为土的有效容重(kNlm3)，Z为计算点深度(m)，为系数，=0.20.5。2.4负摩阻力的计算求得负摩阻力强度后，乘以产生负摩阻力深度范围内桩身表面积，则可得到作用于桩身的总负摩阻力，即 （7）式中为产生负摩阻力深度h，范围内桩身表面积，r为桩截面半径(m)。按公式(7)算得作用于单桩总的负摩阻力值不应大于单桩所分配承受桩周下沉土重(按相邻桩距之半，深度为中性点深度)。2.5单桩承载的验算验算单桩承载时，负摩阻力作为外荷载计，计算单桩容许承载力时，只计正摩阻力，即 (8) (9)式中为桩顶轴向荷载(kN)，为桩侧极限正摩阻力(kN)，为桩底极限阻力