（巖土工程專業(yè)論文）樁基負摩阻力沿樁身變化的理論研究.pdf

西安建筑科技大學碩士論文 樁基負摩阻力沿樁身變化的理論研究 專業(yè)：巖土工程 研究生：袁廣林 指導教師：劉增榮教授 確妥 隨著當今科技不斷發(fā)展，建筑物的高度也在不斷提高，于是出現(xiàn)了很多長樁， 超長樁。從前對樁影響很小的負摩阻力將變的不可忽視，現(xiàn)在逐漸成為土木工程界 研究的熱點問題之一。 本文首先回顧了以往各種對負摩阻力的計算方法，對它們進行了對比分析，并 提出了其優(yōu)缺點。然后在前人研究成果的基礎上，提出了用樁基負摩阻力變化特征 點條件求解的計算方法，并把其運用到均質地基土和多層地基土中的樁的研究中， 導出了樁基負摩阻力沿樁身變化的解析解。 本文特征點條件法的建立過程為：首先根據(jù)樁土相對位移，樁側諸力對樁土相 對位移做的功，即樁基負摩阻力能量法量度的分析，將負摩阻力沿深度的變化表示 為一個三次插值多項式的一般形式。然后，根據(jù)樁基負摩阻力沿深度的變化規(guī)律， 由樁基負摩阻力變化的主要特征點條件，確定該多項式的系數(shù)，導出了以樁身負摩 阻力變化特征點條件確定的樁基負摩阻力的解析解。該解析解具有能夠反映樁基負 摩阻力沿樁身變化規(guī)律的特征。另外，對一工程實例中的樁基礎進行了計算，結果 表明，該解析解與現(xiàn)有較為成熟的算法相比，偏離度較小，可為樁基負摩阻力的確 定提供一種新的具有一定參考價值的計算方法。 關鍵詞：樁基負摩阻力能量法 特征點負摩阻力解析解 基金項目：陜西省自然科學基金( 2 0 0 c 1 9 ) 陜西省重點實驗室基金( 0 5 j s l 9 ) 陜西省教育廳專向科研基金( 0 3 j k l 3 6 ) 西安建筑科技大學碩士論文 t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho f n i ep 。e sn e g a t i v e n u c t i o na l o n gp e sd e p t h s p e c i a l i t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： y u a n g u a n g l i n i n s t u c t o r ：l i u z e n g r o n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et 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 dt a l l e r s o t 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 el i t t l e ，b u t n o w , t h e ya r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i nt h i ss i t u a t i o n ，t h ep r o b l e mi sn o wah o t s p o tp r o b l e mi 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 a tf i r s ti nt h i sr e p o r t ，w er e t r o s p e c t i n go fa l lk i n d so fc a l c u l a t i v em e t h o d s w e a n a l y s e dt h e s em e t h o d s ，a n dm e n t i o n e dt h e i ra d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e i nt h i sp a p e r , i s u g g e s t e dt h a tm e a s u r et h en e g a t i v ef r i c t i o nu s i n gt h et y p i c a lp o i n t so fp i l e s sn e g a t i v e f r i c t i o nc h a n g e f o rm a n yl a y e r sf o u n d a t i o n ，t h en e g a t i v ef r i c t i o ni sc a l c u l a t e d ，r e g a r d i n g e a c hl a y e r sc l a ya se v e n h o w e v e r , t h ec l a ys t r e s sc b o v ei ta n dt h ec l a ys e t t l e m e n tu n d e ri t a r ei n f l u e n c eo nt h en e g a t i v ef r i c t i o no ft h i dl a y e r t h er e l e v a n tp r o g r a mi s c o m p i l e d b e c a u s eo f c o m p i c a t e dc a l c u l a t i o n t h em e t h o do ft y p i c a lp o i n ti s ：a tf i r s t ，b ya n a l y s i n gt h er e l a t i v ed i s t a n c e ，t h ee n e r g y t h a tv a r i o u sp o w e r sf u n c t i o n e do nt h er e l a t i v ed i s t a n c eo f t h e p i l e sa n ds o i l ，w h i c hi sc a l l e d t h ee n e r g ym e a s u r e m e n t sa n a l y s i so fp i l e sn e g a t i v ef r i c t i o n ，i td e n o t en e g a t i v ef r i c t i o n a l o n gp i l e s sd e p t hn o r m a lf o r m a t i o no ft h r e et i m e s si n s e r tr e s u i t sp o l y n o m i a l t h e n ，b y u s i n gp i l e s sn e g a t i v ef r i c t i o na l o n gd e p t h sc h a n g er e g u l a t i o na n dt h et y p i c a lp o i n t so f p i l e sn e g a t i v ef r i c t i o n ，d e t e r m i n i n gt h ep o l y n o m i a l sc o e f f i e n t ，f o l l o w i n gt h i s ，w eg e tt h e n e g a t i v ef r i c t i o n sa n a l y t i c a lr e s o l u t i o na c c o r d i n gt y p i c a lp o i n t s sm e t h o s t h i sa n a l y t i c a l r e s o l u t i o nc a nr e f l e c tt h ec h a n g er e g u l a t i o no fp i l e s sn e g a t i v ef r i c t i o na l o n gt h ep i l e s b y t h ew a y , b ya p p l y i n gae n g i n e e r i n ge x a m p l e ，t h er e s u l tp r o v e dt h a tt h ea n a l y t i c a lr e s o l u t i o n w eg o ti ss i m i l a rw i t ht h e r i p p e re t h o d t h u s ，t h i sm e t h o do f f e r e d an e wv a l u a b l e c a l c u l a t i o nm e t h o dt h a td e t e r m i n i n g p i l e s sn e g a t i v ef r i c t i o n k e yw o r d s ：p i l e sn e g a t i v ef r i c t i o ne n e r g ym e t h o d t y p i c a lp o i n tn e g a t i v e f r i c t i o n sa n a l y t i c a lr e s o l u t i o n s f i i n dp r o j e c t ：s h a n x ip r o v i n c en a t u r es c i e n c ef u n d ( 2 0 0 c 1 9 ) s h a n x ip r o v i n c ei m p o r t a n tl a b o r a t o r yf u n d ( 0 5 j s l 9 ) s h a n x ip r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n ts p e c i a l i z e df u n d ( 0 3 j k l 3 6 ) 聲明 本人鄭重聲明我所量交的論文怒我個人在導師指導下進行的研究工作及墩零 的磺究成攫。盡我所知，峻了文中特別加以標注黜教i l 的地方外，論文中舉包食 其豫尺已經(jīng)發(fā)表或鬟麓道夔硬究成菜，迄不毽含零太蓑其憩入在冀宅荸蘧巴串請 學位或為熬他用途使用過的成果。與我一l 司工作的同志對本研究所做的贗褒貢獻 均已在論文中散了踢確艟說咀并表示了致落。 率_ i 毒學健論文與炎糕蓉畜不實之箍，零a 承糖臻穰美蚤任。 逡文終密簽名： 袁于棒 窶蘩：渤f ，害 關于論文使閣授權的說明 本人蹇壘了解西安熊筑群藏大游有關保鼙、穗用學位論文的規(guī)定，即：攀校 商權保留邀交論文的艘印件，允許論文被查閱和僧閥；學校塒以公布論文姻壘部 是容幫都分海容，爵強慕爝霧尊、縷滓或砉其它笈鑊手段鑲霧淹文。 鐮密的論文在論文解密后庭遴寄簏規(guī)定) 激露毒姥襲廣弧導薅魏鍘霞芳蹶j 腫哆 注：請將燒曩隱在論文首要。 西安建筑科技大學碩士論文 1緒論 1 1 研究樁基負摩阻力的目的和意義 位于壓縮地基中的結構物上都有可能作用負摩阻力，但以樁基礎受負摩阻力的影 響最大。如果在設計樁基礎時不考慮或未充分考慮的話，可能造成：樁端地基的屈服或 破壞、樁身破壞、結構物不均勻沉降。而到目前為止，在我國仍然大量使用鋼筋混 凝土的預制樁和灌注樁( 1 l 。估計在近期內，這種狀況不可能有大的變化。因此，有關 負摩阻力的研究仍然具有重要的現(xiàn)實意義。 如果在樁基礎設計時未考慮或未充分合理地考慮到負摩阻力這種情況，對于端 承樁，就有可能造成樁身或樁端地基破壞【2 】；對于摩擦樁，上部結構就會加大沉降或 產(chǎn)生不均勻沉斛3 1 。雖然樁的負摩阻力這一原理是淺顯易懂的，但是實際中卻易于被 人忽視，甚至還不以為然。例如哈爾濱市某住宅區(qū)取暖鍋爐房因建在欠固結的雜填 土上，使用6 個月后墻體和地面就出現(xiàn)大量縫隙【4 j 。在浙江某橋臺因路基填土引起樁 基產(chǎn)生負摩阻力，并伴隨產(chǎn)生大量沉降與橋臺后仰的事故。日本東京灣某建筑在竣 工后僅四年，就因為極大的差異沉降而被拆除，使人們對負摩阻力的問題引起極大 關注1 5 】。但由于影響因素多，負摩阻力的計算方法尚不成熟。因此，對研究樁基負摩 阻力的形成機理、分布、數(shù)值大小及影響其變化的相關因素等問題的要求日益迫切。 近年來，隨著高等公路的迅速發(fā)展，越來越多的橋梁修建在軟土地基上，在公 路橋涵地基與基礎設計規(guī)范第4 3 1 條中的規(guī)定“在軟土層較厚，持力層較好的地 基中，樁基計算應考慮路基填土荷載或地下水下降所引起的負摩阻力的影響?！钡?規(guī)范中對負摩阻力如何確定，如何計算以及對樁基計算的影響等并沒作介紹。工程 地質手冊中的介紹也不甚完全1 6 。如果我們在設計中，對土體施加給樁的負摩阻力 未予考慮，就有可能是樁負荷過大，造成樁身沉降過大，為工程結構所不容。因此， 有必要對樁在負摩阻力作用下的單樁承載能力問題進行探討，從而使設計更合理， 更安全。 在我國沿海地區(qū)，由于普遍存在著厚層濱?；驕\海相的淤泥或淤泥質軟土，負 摩阻力的問題顯得較為突出。在陜西，乃至西北地區(qū)的土，很多是濕陷性黃土，在受到水 浸潤時，負摩阻力的現(xiàn)象也比較普遍，很多專家學者也做了很多工作，像我校劉明振教 授一直致力于這方面的研究，并發(fā)表了一些文章，對于研究負摩阻力做了很大的貢獻。 然而，到目前為止，負摩阻力的計算方法還很不成熟，設計時很少考慮。實驗證明， 負摩阻力的作用不可忽視。否則，將可能因為承載力不足而產(chǎn)生事故隱患。這也正 西安建筑科技大學碩士論文 引起巖土工程專家和設計人員的重視，在設計中如何考慮負摩阻力正成為樁基問題 研究的熱點之一。 當前，在自重濕陷性黃土地區(qū)荷載大的建筑物，大量采用大直徑鉆孔灌注樁， 穿透濕陷性黃土層，支撐在密實的非濕陷性土層上，也較多的采用了打入式灌注樁 和預制樁【7 】【8 】【9 】。對于濕陷性黃土地區(qū)樁的承載力和樁的負摩阻力的深入研究，無疑 會對我國中西部地區(qū)的經(jīng)濟資源開發(fā)和經(jīng)濟建設都具有深遠的意義。 利用樁基負摩阻力的特性，調整樁基下拉荷載，迫使建筑物回傾，以達到糾傾 扶正的目的，是近年來工程實踐的一種新方法【1 0 i 。如何很好的調整樁基負摩阻力， 定量的控制建筑物的回傾量，使風險降到最低限度，是工程中必須首先解決的問題 之一【l “。因此，有必要更深入的探索研究樁基負摩阻力的作用機理，以使利用樁基 負摩阻力的糾傾法建立在更加完善的理論基礎之上，使這一糾傾法更好的為工程實 踐服務。 1 2 樁基負摩阻力的研究現(xiàn)狀 樁基的負摩阻力問題在國外是2 0 世紀4 0 年代后期才開始被人們逐漸認識的， 并不斷在前人的基礎上提出樁的負摩阻力概念及其計算方法；2 0 世紀6 0 年代和2 0 世紀7 0 年代是國外研究負摩阻力的全盛時期；t e r z a g h i 和p e e k 于2 0 世紀6 0 年代提 出了計算端承樁單樁下拖力的方法，其假設樁身極限摩阻力已經(jīng)完全發(fā)揮，樁土位 移發(fā)生在整個樁長范圍內；1 9 6 5 年喬哈南森和貝倫提出了有效應力計算負摩阻力的 方法【l2 j 。這種方法基本上屬于極限分析法，適應于樁土相對位移較小的情況。該計 算方法的結果結果往往偏大。此外，計算涉及到一個重要參數(shù)一中性點的位置往往 是用經(jīng)驗方法確定的。1 9 6 9 年普勒斯i n 】基于明德林解，提出了彈性理論計算負摩阻 力的方法。在這一方法下，為了滿足樁尖邊界條件，由于采用了鏡象單元的處理手 段，故該方法只適用與端承樁。1 9 7 2 年普勒斯和戴維斯【1 4 】在上述方法的基礎上并根 據(jù)太沙基一維固結理論導出了單樁負摩阻力與時間的關系。1 9 7 5 年，他們又用此方 法計算了幾個原位測試實驗i l ”。隨著計算機技術的發(fā)展，人們開始用有限單元來計 算負摩阻力問題。1 9 7 3 年，瓦爾克和達威爾計算了一個實例【l6 】，計算值同實測值基 本吻合。1 9 8 8 年，斯摩爾【l7 】應用比奧固結理論計算了普勒斯和戴維斯計算過的算例， 從結果來看，兩者是接近的。2 0 世紀6 0 年代末，中性點的概念被提出，并出現(xiàn)各種 各樣計算中性點的計算方法，但歸納起來無非為理論近似公式及經(jīng)驗法等：進入2 0 世紀8 0 年代后，國外關于負摩阻力的研究相對來說大大減少，其原因之一就是2 0 世紀7 0 年代后，鋼管樁從試驗研究進入實用階段，大大減少了負摩阻力問題【瑚，至 西安建筑科技大學碩士論文 今國際上對負摩阻力的研究尚不深入，還存在很多需要解決的問題【1 9 j 。 國內對負摩阻力的研究稍晚些，隨著計算機的發(fā)展，人們開始用數(shù)值方法( 如 有限元) 來分析負摩阻力的問題【2 0 1 ，用各種有限元軟件來模擬真實情況下的樁基， 這類方法可較全面的模擬樁土相互作用的機理，并取得了一定成果。如施建勇等采 用鄧肯一張模型和修正劍橋模型，并設置里古德曼接觸單元對香港地區(qū)的樁基負摩阻 力進行了研究，計算結果與實測數(shù)據(jù)較吻合【2 ”，但是有限元法在計算時需進行大量 的數(shù)據(jù)準備工作，同時占用較大的計算機空間，加上計算參數(shù)不易確定，計算結果 及其影響因素之間的關系不直觀等缺點，故在工程應用設計中還難以得到精確解和 廣泛應用。有效應力法的計算結果有往往偏大圈。傳遞函數(shù)法把傳遞荷載用曲線或 折線表示，計算負摩阻力的時候也不準確【2 3 】。在原位測試方面，李光煜利用滑動測 微計，成功地量測了一根鋼管樁的負摩阻力，并用有效應力法進行了一些探討 2 4 】， 龔曉南等通過現(xiàn)場試驗，給出了中性點的深度【2 5 j 。 對于陜西，乃至西北很多地方的濕陷性黃土，由于土體的性狀，研究負摩阻力 是十分必要的，我校劉明振教授對此做了大量的工作。對于在經(jīng)濟和技術上存在很 大困難的濕陷性黃土中群樁的研究，因為沒有在原位進行過試驗，甚至在室內都沒 有進行過研究。對此，劉明振教授提出了通過用試算法求出負摩阻力的中性點，從 而計算濕陷性土中群樁負摩阻力的方法，對于以后的理論研究和試驗分析，提供了 很好的參考j 。 1 3 本文的研究思路 因為有限元法的計算過于復雜，并且各項參數(shù)都不易得到；經(jīng)驗參數(shù)法等在求 解樁基負摩阻力時，沒有可靠的理論依據(jù)。 察樁基負摩阻力沿樁身變化的一般規(guī)律， 本文在總結前人經(jīng)驗與成果的基礎上，考 試圖由樁基負摩阻力變化的特征條件，分 別求得均質土中和多層土中負摩阻力的解析解，并在分析以往各種方法的同時，避免 使計算結果出現(xiàn)很大誤差的各種因素力爭使表達式得出比較精確的結果。 西安建筑科技大學碩士論文 2 樁基負摩阻力的基本理論 2 1 負摩阻力的概念 樁基負摩阻力是樁周土產(chǎn)生相對于相應深度樁截面向下位移時作用于樁身的向 下的力。在樁周分布負摩阻力時，一般存在中性點，即該深度處樁土相對位移為零，樁身 摩阻力為零，另有沿樁身全為負摩阻力的情況，這種情況一般講的是樁穿透濕陷性黃 土層后，樁尖位于幾乎不壓縮的持力層，如卵石和基巖石等。 ( q ) ( b ) ( c )( d ) 圖2 1 樁基摩阻力分布圖 如圖2 1 ( a ) 所示，樁長為，樁尖至堅硬巖層的深度為h 。當樁的沉降大于樁周土體 的沉降時，如圖2 1 ( b ) 所示，在樁側土體對樁產(chǎn)生向上的作用力，即正摩阻力，這是整個 樁側均為正摩阻力的情況；當樁的沉降小于樁端土體的沉降，而樁尖的沉降大于樁尖 周圍土體的沉降時，如圖2 1 ( c ) 所示，在上部樁側，土體對樁體產(chǎn)生向下的作用力，即負 摩阻力，在下部樁側，土體對樁體產(chǎn)生向上的作用力，即正摩阻力，這是上部樁側為負摩 阻力的情況；當樁的沉降小于土體的沉降時，如圖2 1 ( d ) 所示，在樁側土體對樁體產(chǎn)生向 下的作用力，即負摩阻力，這是整個樁側負摩阻力的情況，一般多出現(xiàn)于端承樁。 4 西安建筑科技大學碩士論文 2 2 負摩阻力產(chǎn)生的原因 由于在樁身表面產(chǎn)生負摩阻力，使樁側土的一部分重量傳遞給樁，因此負摩阻 力不但不是樁承載力的一部分，反而變成施加在樁上的外荷載。樁基表面產(chǎn)生負摩 阻力主要有以下幾個原因： ( 1 ) 樁穿過欠壓密的軟粘土或新填土，而支承于較堅硬的土層( 硬粘性土、中密 砂土、礫卵石層或巖層) ，樁側土因固結而產(chǎn)生的沉降大于樁的沉降時： ( 2 ) 當樁側非固結壓縮軟弱土層上豎向荷載( 如橋頭填土及路堤) 作用時； ( 3 ) 由于地下水位全面下降( 從軟弱粘性土下面的透水層中抽水或其它原因) ，致 使土的有效應力增大，從而引起樁周土下沉時： ( 4 ) 在飽和粘性土地基中，群樁施工結束后，孔隙水消散，隆起的土體逐漸固結 下沉，若樁尖持力層較硬，則會產(chǎn)生負摩阻力： ( 5 ) 樁側存在自重濕陷性黃土或季節(jié)性凍土層或可液化土層的條件下，當黃土浸 水濕陷或凍土融沉時，或當可液化士受地震或其它動力荷載而液化，液化土重新固 結而出現(xiàn)大量下沉時： ( 6 ) 飽和軟土中打入密集的樁群，引起超孔隙水壓力，土體大量上涌，隨后重塑 土體因超孔隙水壓力消散而重新固結時。 由此可見，判別樁基是否產(chǎn)生負摩阻力的重要條件是地基土與樁是否發(fā)生相對 變形。 2 3 影響負摩阻力的因素 影響負摩阻力大小的主要因素有以下幾點： ( 1 ) 土的成分。例如純粘土或含少量砂的粘土，負摩阻力較??；但當含砂土成分 較多時，負摩阻力就會顯著增大： ( 2 ) 地基土的含水量。含水量降低，負摩阻力就會增大，含水量增大，負摩阻力 就降低： ( 3 ) 軟弱地基的下沉速度。下沉速度快時，負摩阻力也大： ( 4 ) 樁的傾斜度。斜樁受到的負摩阻力要比直樁大，當樁的斜度大于l ：1 0 時尤為 顯著； ( 5 ) 負摩阻力的大小與樁和土之間的相對位移大小有關。當樁不下沉，僅周圍地 基下沉，這時產(chǎn)生的負摩阻力最大；當樁與地基均有下沉，但樁的下沉小于地基的下 沉量，就會產(chǎn)生相應的負摩阻力；當樁與地基土的沉降量相等時，樁與土無相對變形， 不產(chǎn)生摩阻力； 西安建筑科技大學碩士論文 ( 6 ) 樁穿過的軟弱土層厚度，其值愈大，負摩阻力也愈大。 2 4 中性點的位置 樁側負摩阻力并不一定發(fā)生于整個軟弱壓縮土層中，如圖2 2 所示。產(chǎn)生負摩阻 力的深度是樁側土層對樁產(chǎn)生相對下沉的范圍，它與樁側土的壓縮、固結，樁身壓 縮及樁底下沉等直接有關。樁側土的壓縮與地表作用荷載及土的壓縮性質有關，并 且實測表明，土層的沉降量總是由表層向深層逐漸減小的，而樁在外荷載作用下， 樁底的下沉量為一定值，樁身壓縮變形隨深度相應減小。在特定的樁斷面上，該深 度以上的土的下沉量大于樁的下沉量，則該斷面以上的樁受負摩阻力：該深度以下的 樁的下沉量大于土的下沉量，則該斷面以下的樁受正摩阻力，該點就稱為中性點。 在同一根樁上中性點是由負摩阻力過渡到正摩阻力存在一摩阻力為零的斷面， 是摩阻力、樁、土相對位移和軸向壓力沿樁身變化的特征點，是樁土位移相等的斷 面，是樁軸向力最大的斷面。中性點以上樁的軸向壓力隨深度遞增，中性點以下樁 的軸向壓力隨深度遞減。若土體浸水固結，則中性點位置在沉降全過程中經(jīng)歷了由 淺到深，然后隨著地層沉降穩(wěn)定的過程。 ( b ) 圖2 2 中性點的位置 影響中性點深度的因素較多，主要有： ( 1 ) 樁底持力層的剛度：持力層愈硬，中性點愈深；端承樁的厶大于摩擦樁： ( 2 ) 樁周土層的變形性質和應力歷史：樁周土層壓縮性愈高，欠固結度愈大，欠 固結土層愈厚，中性點深度厶愈大： 6 西安建筑科技大學碩士論文 ( 3 ) 當負摩阻力系由沉樁后外部條件變化引起時，欠固結的情況下，厶較大；當堆 載強度和面積愈大，地下水降低幅度和面積愈大，則，愈大； ( 4 ) 樁的長徑比愈小，截面剛度愈大，則愈大按有效應力法求解樁基負摩阻力 時，地下水降低幅度和面積愈大，則愈大；中性點的位置是依據(jù)經(jīng)驗來確定的，一 般取0 7 0 8 倍的可壓縮土層厚度，這種經(jīng)驗值缺少理論依據(jù)。彈性理論法中假設土 相對滑動為零，即樁土沒有相對位移，因此不能求解中性點的位置。本文依據(jù)樁土 相對位移為零的理論來定性的確定中性點的深度。 2 5 負摩阻力的特性 土體在重力和附加應力的作用下發(fā)生沉降，土體的沉降是隨著時間的變化而增 加并逐漸趨于穩(wěn)定【2 7 j 。樁體的沉降量與樁身的彈性壓縮變形，以及樁尖處土體的沉 降有關。一般來說，樁體下沉要比土體固結沉降快，樁體下沉趨于穩(wěn)定的時間要比 土體沉降穩(wěn)定的時間短。因此，樁體在很短的時間內有一定的沉降量，這時土體的 固結沉降發(fā)生很慢，隨后樁體的下沉趨于穩(wěn)定，但土體的沉降還在繼續(xù)，當土體的 沉降量大于樁體的下沉量時，土體便對樁體有向下的作用力，即負摩阻力產(chǎn)生。最 后，土體沉降穩(wěn)定時，負摩阻力趨于穩(wěn)定，中性點也趨于穩(wěn)定。 負摩阻力的發(fā)生發(fā)展的過程是樁與土的沉降相互協(xié)調的過程，當樁土相對沉降 穩(wěn)定時，也即負摩阻力穩(wěn)定時，在樁頂處負摩阻力為零，隨著樁深的增大，負摩阻 力也逐漸增大，直到其最大值并開始減小，最后在中性點位置達到最小值零。圖2 3 ( a ) 為樁及樁周土體受力和沉降的示意圖；圖2 3 ( b ) 是樁與其周圍土體各個深度在某一時 刻的下沉曲線，兩條曲線在某一深度相交，該交點以上土的沉降大于樁的沉降，交 點以下土的沉降小于樁的沉降，在交點處土與樁的沉降相等，這一點就是中性點：圖 2 3 ( c ) 為樁側摩阻力沿深度分布曲線，在中性點以上摩阻力方向向下，為負摩阻力， 在中性點以下摩阻力向上為正摩阻力，在此點處摩阻力為零；圖2 3 ( d ) 為樁身軸力曲 線圖，在樁頂軸力等于外荷載，而后由于負摩阻力的疊加，軸力隨著深度逐漸增大， 在中性點處達到最大值，往下逐漸減少。 西安建筑科技大學碩士論文 圖2 _ 3 負摩阻力特性分布圖 對于摩擦型樁基，當出現(xiàn)負摩阻力對基樁施加下拉荷載時隨之引起沉降。樁基 沉降土出現(xiàn)，土對樁的相對位移便減小，由于樁端壓縮性較大，負摩阻力便降低， 直至轉化為零，因此一般情況下，對摩擦型樁基可近似視為中性點( 理論中性點) 以上 側阻力為零計算樁基承載力。對于端承型樁基，由于其樁端持力層較堅硬，受負摩 阻力引起下拉荷載后不致產(chǎn)生沉降或沉降較小，此時負摩阻力長期作用于樁身中性 點以上側表面。因此，應計算中性點以上負摩阻力形成的下拉荷載，并以下拉荷載 作為外荷載的一部分驗算其承載力。負摩阻力的大小受樁側和樁底土層的強度、變 形性質、應力歷史、地面堆載的強度、面積、歷時、地下水的降低幅度、面積、歷 時、樁的類型、尺寸、設置方法、外界條件( 堆載、降水、浸水等) 變化與樁設置時間 的先后關系等因素的影響，且具有時間效應。樁側土與樁的粘著力和樁表面負摩阻 力的大小取決于土的抗剪強度，地基土的沉降速率越大，負摩阻力值亦越大。這是 由于負摩阻力實質上是土的抗剪強度，而它是隨剪切速率提高而增大的。同時，負 摩阻力的發(fā)生和發(fā)展經(jīng)歷著一個緩慢的時間過程，這是由軟土的固結沉降特性決定 的。這一過程的長短取決于樁側土固結完成的時間和樁身沉降完成的時間，固結土 層越厚，滲透性越低，負摩阻力達到峰值所需時間越長。一般初期發(fā)展較快，而達 穩(wěn)定值卻很慢，固結土層越厚，時間過程越長。當樁底持力層的強度越大時，負摩 阻力越大；當樁周土體較松散或大面積堆載，降低水位等時，負摩阻力要比沒有這些 影響因素作用時大；當樁側的表面積較大時，負摩阻力也大；當群樁較密時，負摩阻力 也大。 2 6 負摩阻力的量度 雖然影響負摩阻力大小的因素很多，但主要是在重力及附加應力作用下樁體及 蘿宰罷攀 西安建筑科技大學碩士論文 土體均產(chǎn)生沉降，土的沉降量要大于樁的沉降量。由此可知，由于負摩阻力受到兩 個主要因素，即某一深度( 如負摩阻力最大值處) 以上土體有效應力和該深度樁周土體 有效沉降量的制約。為從理論上分析并確定負摩阻力，可將任一特定時段下樁的負 摩阻力寫為某一深度以上土體有效應力和該深度樁周土體有效沉降量的函數(shù)。樁周 土體相對于樁體有效沉降量s ( z ) 所產(chǎn)生的負摩阻力，其實質是土體的自重應力和附加 應力g ( z ) 作用的結果，即樁周土體在沉降過程中重力對樁身做功g ?？蓪⒋斯σ暈樨?摩阻力的來源【2 8 l ，則把土體重力及附加應力對樁做功的表達式用來衡量負摩阻力最 大值出現(xiàn)的深度。為此，對負摩阻力強度沿樁身變化的量度g 作如下定義 g = g ( z ) s ( z ) ( 2 1 ) 2 7 負摩阻力最大值的位置 樁側負摩阻力從樁頂處為零，經(jīng)過變化，到達中性點處為零，其中必有一最大 值處。從樁側摩阻力與樁土相對位移的關系來講( 不分正摩阻力和負摩阻力) ，樁側摩 阻力在相對位移量為一定值時( 如5 6 m m ) 達到充分發(fā)揮，而在達到極限值的深度范圍 內，以有效水平壓力大的深度的極限值為大，所以在負摩阻力最大值處以下樁土相 對位移逐漸變小，直至相對位移為零、負摩阻力也為零。實測證明：由負摩阻力的最 大值減d , n 零要經(jīng)歷相當長的一段樁長，如圖2 3 所示。而如有效應力法，按有效應 力法計算出的單位負摩阻力隨樁深增大而增大，在中性點處達到最大值，而中性點 處負摩阻力為零，這種把最大值對應于中性點深度是不合理的，有些情況下誤差甚 至是相當大的。經(jīng)許多實測樁身摩阻力分布曲線證明：有效應力法計算出的負摩阻力 在最大值對應深度以上是正確的。本文則以負摩阻力的量度來求解負摩阻力最大值 的位置，即對負摩阻力的量度g 對變量z 求一階導數(shù)，然后令 d 6 a z = 0( 2 2 ) 則可解得負摩阻力最大值的位置。值得注意的是，最大負摩阻力不是發(fā)生在施工當 時，而是發(fā)生在施工之后。樁所穿過的軟弱土層的厚度越大，則達到負摩阻力最大 值所需的時問也越大，反之，則短。 2 8 減少樁基負摩阻力的方法 在樁基礎設計中，由于樁側負摩阻力的產(chǎn)生，相當于給樁增加了下拉荷載，是 在外荷載與下拉荷載共同作用下產(chǎn)生變形。這對樁基礎的承載力是不利的，但只要 采取的方法得當，就可顯著地減小摩阻力的數(shù)值，這無疑可大大的改善樁基礎的承 9 西安建筑科技大學碩士論文 載能力。 圖2 4 負摩阻力最大值的位置 。 下面針對樁穿過幾種不同分布的土層分析給出相應采取的措施，以減小負摩阻 力的數(shù)值。一般情況下，當樁受到負摩阻力作用時，一定要慎重對待?？偟脑O計原 則是：最好優(yōu)先選用端承樁基礎，但負摩阻力很大時，可采用涂抹滑動層等方法處理， 以降低負摩阻力。確保建筑物的安全，只有當建筑物允許有較大的下沉和不均勻下 沉時，才宜選用摩擦樁基礎。當樁穿過較薄的欠固結軟粘土，新填粘性土或砂性土 層及松砂時，可使樁端支承在巖層或堅硬土層上，并且用增大樁斷面的方法來承受 負摩阻力，此法稱為端承樁法，承載力可靠，但消耗材料較多，造價高。當樁穿過 較厚的欠固結軟粘土，新填粘性土層時，可采用增加樁數(shù)的方法承受負摩阻力，由 于粘性土地基的群樁效應，使樁的負摩阻力降低，如能與涂抹層一起使用則更好。 用鉆機在樁位上預先鉆孔，然后將樁插入，在粗粒土中還要加管套，以減少負摩阻 力，此法稱為預鉆孑l 法。在軟土層上先打入若干砂井，然后在地面設置排水井砂層， 再在上面堆載預壓，待其沉淀穩(wěn)定后再打樁施工，減少樁周土層的工后沉降量，以 達到降低負摩阻力的目的，此法稱為砂井預壓加固法。當端承型樁穿過較厚的欠固 結軟粘土，新填土或砂性土層及松砂時，也可采用：( 1 ) 先將管套打入土中，再在管套 中下入鋼筋籠澆灌混凝土成型，類似沉管灌注樁，但不往外拔管套，使負摩阻力作 用在管套上，而不直接作用在樁上，或先將管套打入土中，再把預制樁插入管內， 但鋼管與樁問不能漏入砂粒，用套管承受負摩阻力，此法稱為套管法。它是降低負 1 0 西安建筑科技大學碩士論文 摩阻力的有效方法，但施工復雜，費工費料，可酌情選用。( 2 ) 在樁上面涂6 1 0 m m 厚 的純?yōu)r青、特殊瀝青和再生橡膠及1 6 5 3 m m 厚的樹脂乳膠等，直涂到中性點為止。 在樁通過粗粒土層時，為防止涂層被刮掉，可將樁頭擴大l o mm ，打樁后在樁周形成 比樁身大的裂縫，并往裂縫中灌膠質泥漿，以降低負摩阻力，此法稱為單涂層法， 此法是降低負摩阻力的有效方法，目前在國內外被廣泛采用，工藝簡單，造價低廉， 尤以樹脂乳膠最好。( 3 ) 在樁上涂抹滑動層和保護層，一直涂到中性點為止?；瑒訉?是粘彈性質的特殊瀝青或聚鏈烯為主要成分的低分子化合物，保護層是1 8 2 o m m 的合成樹脂，以保證滑動層在打樁時和運輸中不脫落，以降低負摩阻力，此法稱為 涂層法，比單涂層法更為優(yōu)越，采用此法可降低材料消耗和施工費用1 0 2 0 ，可優(yōu) 先考慮采用。( 4 ) 在樁位預先挖比樁身大的孔，然后再將樁插入，并在樁與孔的縫隙 中灌入膨潤土泥漿，以降低負摩阻力，此法稱為挖擴樁法，此法可用于無法采用涂 層法的工程。 當穿過較薄的自重濕陷性黃土層時，可采用：( 1 ) 先將建筑場地預先浸水，以增加 孔隙水壓力，使黃土的濕陷性( 沉降) 預先發(fā)生后，再將樁打入，以降低樁的負摩阻力， 此法稱為地基浸水法。( 2 ) 對建筑場地預先浸水的基礎上，采用砂井預壓法加固后， 再將樁打入可更有效地降低樁周負摩阻力，此法稱為浸水砂井預壓加固法。在軟弱 土地基上，可在樁基礎施工完畢0 5 1 年后，再續(xù)建上部結構，也可有效降低負摩阻 力，此法稱為分段施工法。 西安建筑科技大學碩士論文 3 均質地基土中樁基負摩阻力沿樁身的變化規(guī)律研究 3 1 概述 本章通過對能量法解析樁基負摩阻力的過程分析，首先確定樁基負摩阻力沿樁身 變化的一般函數(shù)關系，然后根據(jù)負摩阻力的特性，由負摩阻力變化的幾個重要特征 點確定其函數(shù)表達式中的系數(shù)，然后推導樁基負摩阻力沿樁身變化的解析解提出了 用特征點條件求解均質地基土中樁基負摩阻力的一種方法。 3 2 均質地基土中的計算模型 圖3 1 均質地基土計算模型圖 如圖3 1 所示，本章把地基土分為上、下兩部分，上部即為樁長部分，深度為， 下部為樁尖至堅硬土層的部分，深度為h 。并且認為，堅硬土層是不可壓縮的。樁頂 集中荷載為p ，樁周土體上作用有均布荷載g 。樁體和土體為均質的、連續(xù)的彈性體。 并假定對于打入樁，樁內不存在殘余應力。 本章研究的范圍僅為樁長深度內的樁土之間相互作用機理，對于z 方向的應力、 應變及變形只在樁長深度范圍內，即o 一，內有變化，而對于其他范圍只是對樁長深 度范圖內有定值的影響。如樁尖下部土體的沉降，對負摩阻力產(chǎn)生的影響僅為一定 值，而不會使負摩阻力沿著樁長深度方向具有大小變化。 西安建筑科技大學碩士論文 3 3 樁基負摩阻力的能量確定法研究 3 3 1 樁側土應力研究 地基中由自重引起的一點處豎向應力為f 2 9 】 式中 以為地基土的容重，k n m 3 。 利用虎克定理可得 o z 2y z q = 圭吒= 蠔吒：r o t z q 2 五吒2 k o 吒2 2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 式中 v 為泊松比；k 。為靜止側壓力系數(shù)。 剪應力為零，即 g x z = t z x = 0 ( 3 3 ) 對于集中附加應力在地基中的求解，c e r u t t i ( 1 8 8 2 年) 得到半無限表面承受水平集 中荷載時的彈性體的應力解口川b o u s s i n e s q ( 1 8 8 5 年) 得到半無限表面上作用著垂直集中 力時的彈性體的應力解，m i n d l i n ( 1 9 3 6 年) 得到半無限體表面以下承受豎向集中荷載 和水平集中荷載時的彈性體的應力解【3 ”。本文未使用以上解，因為，在上述幾種解 中，其彈性模量和泊松比均不變，為定值。如圖3 2 口 圖3 2 地基附加應力圖 1 3 西安建筑科技大學碩士論文 所示，本文采用的是彈性力學中的基本公式。 o z = g( 3 4 ) 吒= k o q( 3 5 ) k = 0 f 3 6 1 式中口為豎向均布力，k p a 。 如果已知任一點p 處的應力分量吒、0 - z 、k = f 。，就可以求得經(jīng)過該點的，平 行于y 軸而傾斜于x 軸和二軸的任何斜面上的應力，如圖3 2 所示。當經(jīng)過p 點的某一 斜面上的剪應力等于零，則該斜面稱為p 點的一個應力主面，該斜面上的正應力稱 為p 點的主應力，用o l ，0 3 表示為口2 】 q ，吧：型三業(yè)等型! 生( 3 7 ) 西與z 軸的夾角正切為 t a i l 口：三堅 ：魚= 堡 o l ozf n 式中口為q 與z 軸的夾角 在直角坐標系中，當剪應力為零時有 0 12 0 z 巳2 0 x 口= 0 3 3 2 樁土相對位移的計算 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 土在浸水加載和卸載條件下通常表現(xiàn)出非線性性質，土的變形不僅隨著荷載的 大小而異，而且還與加荷的應力路線，即與達到此應力的途徑有關3 3 1 。土的這種非 彈性的應力應變關系用彈塑性模型模擬較好，但是彈塑性模型用于實際工程較為復 雜，而非線性彈性模型是一種能夠模擬土體發(fā)生屈服以后非線性變形性狀的一種方 法，并且可以避免使用復雜的彈塑性模型。 土體常用的非線性彈性模型有兩類：第一類是以e ( 彈性模量) 和v ( 泊松比) 兩個 彈性常數(shù)表達的稱作e v 非線型彈性模型，這類模型以d u n c a n - c h a n g 模型為代表：第 二類是以k ( 體積變形模量) 和g ( 剪切模量) 兩個彈性常數(shù)表達的稱作k g 非線型彈性 模型，它以d o m a s c h u k 模型為代表。土體常用的彈塑性模型大致可分為兩類：一類是 從具體試驗資料中直接確定屈服函數(shù)，加工硬化定律等經(jīng)驗公式，例妻h l a d e d u n c a n 模型等；另一類從能量公式出發(fā)，推導出其屈服函數(shù)，并選出加工硬化定律，從而建 西安建筑科技大學碩士論文 立應力一應變關系，例如劍橋模型。本文采用非線性彈性的d u n c a n c h a n g 模型來建 0 圖3 3 鄧肯一張模型圖 立土體的本構關系。雖然屬于彈性模型，但其非線性性質也可以用來模擬土體的塑 性變形。介t 新t 3 4 1 等在三軸試驗條件下，分析了d l l n c a i l c h a n g 模型與多重勢面模型 的差異，發(fā)現(xiàn)這兩種模型在計算上基本相同，因此使用d u n c a n c h a n g 模型，也可以 很好的模擬土體的塑性變形。d u n c a n 等人應用常規(guī)三軸壓縮試驗所得的( o l - 0 3 ) 一i ， 軸向應變一組實驗曲線( 田= 常數(shù)) ，找出其共同的數(shù)學公式。同時，結合實驗所得的 體積應變8 ，與l 的關系曲線，導出泊松t g v ，并以此作為計算依據(jù)。這個模型稱為 d l l n c a n c h a n g 模型或e v 模型，這是國內外應用很廣的一種實用巖土模型口5 1 。 根據(jù)康德納( k o n d n e r ) 的建議，如圖3 3 所示，對應變硬化的土體其三軸試驗的應 力應變可用雙曲線關系來近似描述，即在o ，不變時 q 一吒2 熹 ( 3 1 2 ) 式中 a 為初始切線模量的倒數(shù) a = ( 3 1 3 ) b j b 為主應力差漸近值的倒數(shù) 則式( 3 1 2 ) 可改寫為 6 ：去：去 ( 3 “) ( q c r 3 ) ，( q 一吧) 。 、7 西安建筑科技大學碩士論文 曠巳5 t 勻廣 巨( q c r 3 ) r 式中根據(jù)簡布( j a n b u ) 等人的試驗研究，初始剪切模量 e = 弛e ) ” 破壞比 r ，：墜二壘蔓 。 ( q 一吧) 。 依據(jù)莫爾一庫侖準則，破壞時的主應力差 ( 0 1 - - 0 - 3 ) ，：堡掣旱型業(yè) 1 一s i n 因此土體的軸向應變可表示為 一0 1 - - 0 3 鏟孺 叫l(wèi) 一號二導】 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 其中參數(shù)k ，”，珥，c 、妒都可由常規(guī)三軸試驗確定，見為大氣壓力。 在直角坐標系中，當一點的剪應變?yōu)榱銜r有 占：= s 1 q2 毛 樁周土體的沉降可分為樁尖上部在自重應力作用下的變形， 力下的變形，以及樁尖下部在附加應力作用下的變形。 依據(jù)式( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 可得 o = | = ye z o x = k 0 7s z t a a = 0 式中以為土體容重。 依據(jù)式( 3 7 ) 可得 q：(r+tr盛+x(c霉r-o)2+4r2=講 吧：tr,+tr立，-4(tr蘆,-try)2+4r2=魄： 口= 0 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 樁尖下部在自重應 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) 西安建筑科技大學碩士論文 對于任意深度處，吧均為一定值，依據(jù)式( 3 1 6 ) ( 3 1 8 ) 有 巨= 弛( = k p o ( 等簪k p o 。省”z ” ( q 一吒) ，：2 c c o _ s ( a + _ 2 o - 3 一s i r e p ：2 c c o s c _ p + 2 - k o y , s i n c p z 1 一s i n pj s i n 妒 依據(jù)式( 3 1 9 ) 有 一1 ( 1 一蠔) ( q c r 3 ) i r s z 1 e ( q o i ) r 一( 1 一k o ) r ，兒z 一 1 2 ( 1 - k o ) y s c c o s r p z + 2 k 0 ( 1 一k o ) y , 2s i n z 2 j 巴1 ”k o 以”z ”2 c c o s c p + 2 k 0 y ，s i n p z r ( 1 一k ) 以( 1 一s i n f p ) z 令 a = 2 ( 1 一) c c o s p b = 2 k ( 1 一k ) s i n g c = 2 c r j 。1 koc o s l p o = k e 。1 ?！発 o 2 k os i n p 一髟( 1 一k o ) r , ( 1 一s i n 咖】 可得 一 a y , z + b y ? z l q 一百彳瓦嘎鬲 邊界條件有 qi ：。= 0 s ji：；，+。=jj