高回填软土地基中基桩负摩擦问题.doc

高回填软土地基中基桩负摩擦问题2008年2月第1期总第153期【l】国灌湾建设ChinaHarbourEngineeringFeb.,2008Total153,No.1高回填软土地基中基桩负摩擦问题程泽坤,刘家才(中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海200032)摘要:高回填软土地基中由于沉降而使基桩承受一定的负摩擦作用.结合工程现场试桩,采用有限元数值模拟及经验公式估算方法对桩基负摩擦问题进行研究,初步掌握厂洋山地区基桩负摩擦的分布规律,可供类似工程设计参考.关键词:负摩擦;高回填土;基桩;数值模拟;经验公式中图分类号:U655.544.1;TU473.11文献标识码:A文章编号:10033688(2008)O1000104StudyonNegativeFrictionofFoundationPileinHighBackFillSoftSoilFoundationCHENGZekun.LIUJiacai(CCCCThirdHarborConsultantsCo.Itd.,Shanghai200032,China)Abstract:Inhighbackfillsoftsoilfoundation,thesettlementcausesfoundationpiletObearsomenegativefrictionload.TheSludyonfrictionofpilefoundationwascarriedoutonthebasisofcombininginsitutestpileoftheworkandadoptingfiniteelementnumericalsinmlationandempiricformulaestimatedmethod,thedistributionregulationofnegativefrictionoffoundationpileinYangshanareahasbeenknownwell,itcangiveareferencetOsimilarworks.Keywords:negativefrction;highbackfillingsoil;foundationpile;numericalsimulation;empiAcformula1背景斜顶桩板桩承台结构(图1)是洋山深水港区码头工程的接岸结构,由位于海侧的斜顶桩,挡土密排板桩,后方回设鼓奁壅焦:褪塑塑r二=Q:Z填区中的支承桩和承台组成,其主要结构功能是阻隔后方高填土作用产生的地基变形对码头结构的作用.该结构设计中的关键技术问题之一就是位于回填土中的基桩受地基鞋螬高水位.,5.718.1/措-土增瑟计低水位二0.58.一一6拳黄淤泥一一/一=:二二二二=粉质粘土粉细沙一,粘土-.图1斜顶桩板桩承台结构图收稿El期:20070508作者简介:程泽坤(1966一),男,成绩优异高级工程师,总工程师,从事港口工程设计,咨询工作.沉降影响所产生的负摩擦作用如何量化问题.本文结合现场试桩结果对该问题采取了不同的方法分析研究,可用于指导类似工程的设计.?2?中国港湾建设2008年第1期2负摩擦试桩负摩擦原型试桩为1根直径1200mm的钢管桩,壁厚20mm,桩长约65m,位于洋山二期工程4号接岸承台后方回填的块石棱体之中,天然地基表层淤泥土采用大直径砂桩加固,置换率25.试桩位置钻孔柱状图见图2.试桩位置天然泥面下土的物理力学指标见表1.表1土层物理力学参数表天然重度压缩模量内粘聚力内摩擦角工程地质单元体土层名称泊松比/uy/(kN?m0)E/MPac/kPa(.)1.1灰黄灰色淤泥16.501.60.4O12.014.0(加固体)砂桩加固层18.OO2.80.3018.013.0l2褐黄一灰色粉质粘士19.3O6.70.3519.O24.0】.J灰绿一灰黄色粉质粘土19.707.70.3539.022.O4灰灰黄色粉细砂19.2O12.60.302.535.02灰一灰绿色粘土18.708.O0.3532.515.0V1杂色粘土19.7011.70.3558.O2O.OV3褐黄粘性土混砾砂2O.107.50.3042.023.02基岩26.506.71OO.22三持考/砂垫层,试桩淤泥层(塑料排水板区)</一淤泥层(砂桩加固区)-26.7一30.1淤泥质粘土一34.7褐黄一灰色粉质粘土一383灰绿一灰黄色粉质粘土灰一灰黄色粉细砂一45.547.5藏一藏绿色粘土杂色粘土一57.760.4灰绿一褐黄性土混砾砂图2试桩位置钻孔柱状图本文以施工抛填从天然泥面一19.9m抛至一3.0m标高以及再抛至+5.0m标高为两种工况,重点研究单桩负摩擦的特性.该单桩桩身轴力在抛填过程中实测结果见图3.从施工抛填过程可以看出,各抛石阶段桩身轴力曲线呈现两端小,中间大的分布规律,单桩的轴力(即负摩擦产生的下拉荷载)随着棱体填土的不断填筑而逐渐增加.抛填至3.0m标高(测试日期为2005年3月13日)以及+5.0m标高(测试日期为2005年5月13日)时,试桩对应的最大轴力分别为4500kN及6040kN(轴力明显突变处,该处测点异常).在桩周棱体填筑过程中,中性点深度的变化不十分显着,实测中性点埋深比从0.54增加到0.67.桩身轴力N/kN一1000010002000300040005000600070008000图3单桩在不同抛填标高时实测桩身轴力分布3高填土下单桩负摩擦的计算分析以下将以现场实测资料为基础进行分析研究,分别采用数值模拟以及经验公式方法来探究桩基负摩擦问题.3.1桩基负摩擦数值模拟该方法的优点是不需要计算中性点的位置以及确定土与桩之间的负摩擦力系数,可以直接通过土体物理力学指标参数来模拟桩基负摩擦的产生和发展.3.1.1模型(1)基本假设地基土为分层均质,横向为各向同性的连续介质;0:2加们的印11I毡媾骅球辎2008年第1期程泽坤.等:高回填软土地基中基桩负摩擦问题?3?各土层面之间变形协调;桩为理想弹性材料,土体为符合MohrCoulomb屈服准则的弹塑性材料.(2)数值模型由于研究对象为一单桩,因此选用2D平面轴对称有限元进行桩土的共同作用计算分析.桩,土体模型均选用平面六节点三角形单元.为了模拟桩土荷载传递特性,在桩土界面间设置接触面单元,接触面单元参数根据邻近土层参数取值,土与桩基的接触面参数为土层参数的0.75倍.桩侧摩阻力/kPal25_100755()一250255075100125.乓.;篓t-30,一5O一60(a)c86完成时3.1.2计算条件(1)模型地表边界取自由边界,模型底部水平向和竖直位移固定;左,右边界均取水平向位移固定.(2)计算模型各土层参数按表1选用.工况一CS6:施工抛石从天然泥面抛至一3.Om标高;工况二CS8:施工抛石从一3.0m标高抛至+5.0m标高.(3)计算结果软土地基高填土下单桩桩侧负摩擦力数值模拟摩阻力分布见图4.桩侧摩阻力/kPal5(l2o_9060300306090120150:._20主J鞲l一5n60图4桩侧摩阻力分布图从图4可以看出,数值模拟的桩身负摩擦力随着抛填标高的增加,桩身负摩擦阻力增长.负摩擦阻力为零的点,也就是中性点位置,两种工况变化不大.从各抛石阶段模拟结果来看,中性点埋深与桩基入土深度之比L/L.(称为中性点埋深比,下同,其中,J为中性点埋深,L.为桩入土长度)基本上维持在0.550.70范围内.其中,工况一为0.67,工况二为0.70.相对于试桩结果来看,实测中性点埋深比L/k.=0.540.67.桩身由于负摩擦引起的轴力(又称下拉荷载)分布模拟结果见图5.图5展示了单桩轴力,中性点位置以及荷载增幅的计算值随回填工况的发展规律.从图中可以看出,单桩所受轴力随着抛石回填高度的增加逐步增大,而中性点位置则相对较乎稳.从这些算结果可以看出;(1)随着施工填土高度不断增加,桩身轴力不断增大.(2)随着抛填棱体的逐级施工,数值模拟的负摩擦产生的下拉荷载增加的幅度较大.工况一对应的减压棱体抛填至一3m时,下拉荷载为440okN;工况二对应的减压棱体抛填至+5m时,下拉荷载达到5650kN,较前一阶段增加了28.相对于原型试桩结果来看,工况一对应的实测最大下窖掘蜷赤(b)C88完成时桩身轴力N/kN图5抛填时桩身轴力分布图0拉荷载为4500kN;工况二对应的实测最大下拉荷载为6040kN;数值模拟与实测比较见图6,两种工况总体模拟较好.3.2高填土下单桩负摩擦的经验估算经验公式估算负摩擦力的关键是确定中性点和作用于桩土界面上的负摩擦力.优点为计算简单,操作方便,尤其?4?中国港湾建设2008年第1期旨融卿嘛桩身轴力N/kNl0000l0002000300040005000600070008000图6实测与模拟计算桩身轴力比较适合于工程设计人员.3.2.1高填土下单桩负摩擦力的计算方法(1)基本假定土体沉降仅考虑固结沉降部分;考虑洋山港区工程桩基均进入持力层,试桩桩端以下土体沉降不计.(2)计算模型由于填土的平面尺寸远大于要研究土层的厚度,土体中任一点的竖向有效应力为其上各土层(包括回填层)的自重应力之和.即:一>xh式中:为土体中任一点的竖向有效应力,kPa;为计算点以上各土层的容重,当土层位于地下水位以下时,取浮容重,kN算桩身的弹性压缩量,与桩基的沉降量,并作出桩的竖直位移曲线.步骤四:天然地基内的竖直位移曲线和桩的竖直位移曲线的相交点即为第二次中性点的近似值.如果第一,第二次中性点的近似值相差较大时,则再选择第三次中性点的近似值,重复二,三步骤,直至相邻2次误差满足要求,则可认为该点即为实际的中性点位置.桩土界面的负摩擦力按下式计算:/一tg一口x式中:为负摩擦力,kPa;p为系数,pKxtg;为桩周土的有效内摩擦角.3.2.2高填土下单桩负摩擦力经验公式计算结果采用逐次趋近法,根据以上计算的2种抛石工况对应的中性点深度比厶/五.为O.65O.71.从实测数据得出的中性点深度比/L.为0.540.67,二者基本接近.因此逐次趋近法用于计算中性点位置具有一定的可信度.结合洋山地质条件,经验公式估算负摩擦力时采用的桩侧各土层的系数p自上而下取值为:抛石层为0.38;砂层为0.32,I,淤泥(砂桩加固层)为0.25,lr1,一粉质粘土为O.3O.采用经验公式估算,工况一桩身所受负摩擦产生的最大下拉荷载为4620kN,工况二桩身所受负摩擦产生的最大下拉荷载为6430kN,与实测值基本相符.4结论与建议(1)有限元数值模拟方法计算桩的负摩擦力,不需先计算中性点位置和确定负摩擦阻力系数,可以模拟土指标随时间变化所计算的中性点的位置,负摩擦力的分布规律,负摩擦力最大值与实测在趋势上吻合较好.采用经验公式估算方法,简单直观,设计人员较易掌握,利用有效应力公式_厂一Ktan也能够获得较好的结果.但是,中性点位置的计算以及土体与桩之间的负摩擦系数取值是关键.因此,有条件2种方法可以同时采用,相互校核.(2)在类似工程设计中,除了对于软土地基高回填土中桩基进行负摩擦计算以外,考虑到负摩擦问题的复杂性,