樁頂荷載對樁基負摩阻力特性影響

樁頂荷載對樁基負摩阻力特性影響*摘要：比較了在樁頂荷載作用下的負摩阻力特性與無樁頂荷載時的差異，指出不考慮樁頂荷載的中性點位置是最低的，下拽力是最大的。分析的結果表明，當有樁頂荷載作用時，中性點的位置明顯高于無樁頂荷載時，下拽力也明顯小于無樁頂荷載時，而且隨著樁頂荷載的增加，中性點上移的趨勢明顯，下拽力減小的趨勢也很明顯。樁頂荷載較小時，負摩阻力對于樁基沉降的影響基本上是線性的。在樁頂荷載作用下，長樁比短樁的中性點位置和下拽力的變化都小些。這對樁基負摩阻力特性的研究是有益的。關鍵詞：樁頂荷載負摩阻力特性影響1.概述樁的摩阻力是由于樁土之間的相對位移而產生的，在樁周土的向下位移大于樁的向下位移的條件下，樁側摩阻力的方向是向下的，稱為負摩阻力。中性點是樁土位移相同的位置，在中性點以下部分，樁周分布著向上的正摩阻力；而在中性點以上部分，樁周都不同程度地分布著負摩阻力。對軟土地區(qū)的樁基而言，負摩阻力是一個不容忽視的因素。對于摩擦樁，負摩阻力會使得樁基的沉降增加；而對于端承樁，使得樁身軸力增大和樁端荷載總量的增加，嚴重的會造成樁基的破壞。負摩阻力的出現(xiàn)、發(fā)展和發(fā)揮都是樁土相互作用的結果。在相關設計規(guī)范規(guī)程[1][2]中，對于負摩阻力的考慮忽略了樁頂荷載的影響，這對正確評價負摩阻力的影響是不利的。有關這方面研究的文獻資料也很少。本文擬通過有限元分析研究樁頂荷載對于負摩阻力的影響，探求樁頂荷載的影響規(guī)律。2.樁頂荷載對樁土相互作用的影響當樁頂沒有荷載作用時，樁周土體的沉降是樁土相互作用的主要原因。土體沉降在樁身產生負摩阻力，負摩阻力引起的下拽力使樁身產生壓縮變形和樁端沉降。而樁身壓縮變形和樁端沉降的出現(xiàn)又使得樁-土之間的相對位移關系發(fā)生變化并使樁的中性點上移。中性點上移使得樁身下部的出現(xiàn)正摩阻力的樁身長度增加和正摩阻力總量增加，出現(xiàn)負摩阻力的樁身長度減小并且負摩阻力總量減少。而正負摩阻力的長消使得樁-土間共同作用重新達到平衡。只有在樁和土的沉降都穩(wěn)定時，樁的中性點以及摩阻力沿樁身的分布才能穩(wěn)定下來[3]。當樁頂有荷載作用時，土體變形不再是引起樁土相互作用的唯一原因，樁頂荷載也是影響樁土相互作用的主要原因。樁頂荷載作用下產生樁身壓縮和樁端沉降，這是在短時間完成的，樁周土體的沉降變形需要很長時間才能穩(wěn)定。在這樣的樁土相互作用中，只有樁周土體沉降大于樁的位移時，負摩阻力才會出現(xiàn)。顯然，負摩阻力出現(xiàn)的部位與樁頂無荷載作用時有很大的區(qū)別，中性點的位置肯定會高于無樁頂荷載的情況。隨后也會出現(xiàn)與無樁頂荷載相似的因下拽力產生的樁附加變形和中性點的位置變動。由于樁的沉降－壓縮曲線是隨著荷載水平的提高而表現(xiàn)出由線性到非線性的，因此，負摩阻力的特性也會呈現(xiàn)與樁頂無荷載時不同的形態(tài)，而且會隨著樁頂荷載水平的不同而表現(xiàn)出一定的差異。3.有限元分析及結果討論為了分析樁頂荷載對樁基負摩阻力特性的影響，對摩擦樁做了軸對稱有限元分析。分析中采用三角形十五節(jié)點單元離散土體和樁身混凝土，采用接觸單元模擬樁土界面。土體的本構關系采用彈塑性Mohr-Coulomb模型，樁身混凝土采用彈性模型。在有限元分析中，樁長分別為12m和15m，直徑Φ600mm，樁身混凝土標號為C25。先按照現(xiàn)行規(guī)范[1]的要求通過計算的荷載－沉降曲線確定樁的極限承載力(樁頂沉降40mm對應的樁頂荷載)和正常狀態(tài)下的承載力特征值R，然后再分析樁頂無荷載的負摩阻力特性，再按承載力特征值的50％，75％，100％和125％四種樁頂荷載作用于樁頂，在上述負摩阻力的計算中地面堆載總是保持相同的水平，25KN/m2。以此來分析樁頂荷載變化的情況下負摩阻力特性變化。樁身穿過的土層物理力學指標見表1，場地的地下水位位于地表下6.4米。表1：土層分布及物理力學指標Table1:SoilLayerDistributionandIndexesofSoil土層名稱土層厚度m干容重γ/kNcm-33濕容重γ/kNcm-33內聚力c/MPa內摩擦角φ/°泊松比ν壓縮模量Es/kPa亞粘土1016188.5240.34700粘土1017.518.514270.39400Fig.1:InfluenceofworkingloadonneutralpointFig.2:RelationshipofworkingloadanddowndragFig3:InfluenceofworkingloadondowndragFig.4:Influenceofworkingloadonsettlementofpile3.1從圖1可以看出，隨著樁頂荷載的增加，中性點的位置明顯地上移。由此可見，對于摩擦樁而言，樁頂荷載對于負摩阻力特性有很大的影響。隨著樁頂荷載的增加，中性點上移，樁身中性點以下提供正摩阻力的部分加長，正摩阻力總量增加。分析表明，不考慮樁頂荷載確定的中性點是位置最低的。樁頂荷載的存在可以使得中性點上移，而且隨著樁頂荷載的增大中性點也會明顯地上移。計算表明了目前采用的不考慮樁頂荷載影響的按照定值估計中性點位置的方法對于工作狀況的樁基可能會因為沒有考慮樁頂荷載的作用而得到明顯偏低的中性點位置。通過對15m長樁的中性點位置變化曲線按照最小二乘法進行曲線擬合，得到了與計算曲線吻合極好的一元二次曲線：(1)式中符號P為樁頂荷載，記為KN，R為樁在正常狀態(tài)下的承載力特征值，記為KN。從圖1中可以看出，12m長樁也同樣得到了吻合良好的擬合曲線。由于樁土相互作用會受到樁身穿過土層特性，樁端土特性以及樁長等諸多因素的影響，本文中的擬合曲線與計算值吻合良好也并不代表這具有廣泛的應用價值，不過說明了樁頂荷載對于負摩阻力特性的影響也是有規(guī)律可循的，在這方面還需要做更多的研究。3.2樁頂荷載對負摩阻力引起的樁身軸力的影響可以從圖2、圖3中看出。樁頂荷載的存在使得減小負摩阻力引起的附加軸力值。隨著樁頂荷載P與樁的承載力特征值R比值P/R的增大，不僅負摩阻力引起的下拽力PN的絕對值明顯下降，而且負摩阻力引起的下拽力PN與樁頂荷載P的比值PN/P呈明顯下降的趨勢。這說明，不考慮樁頂荷載的下拽力是最大的，可以說是在相同的樁周土體沉降條件下下拽力的極大值。對于15m長樁的PN/P與P/R關系曲線，采用最小二乘法進行曲線擬合，得到了與計算曲線吻合極好的二次曲線：（2）式中符號Pn為負摩阻力引起的下拽力，KN。從圖3中可以看出，12m長樁也同樣得到了吻合良好的擬合曲線。擬合曲線與計算結果吻合良好說明負摩阻力引起的下拽力與樁頂荷載的比值Pn/P和樁頂荷載與樁的承載力特征值P/R的比值之間是有規(guī)律可循的，這對于研究樁頂荷載對負摩阻力的影響是很有意義的。今后應當加強這方面的研究，并指導工程實踐。3.3在常規(guī)摩擦樁的荷載－沉降曲線中，在荷載較小時，荷載－沉降基本上呈線性關系，隨著荷載的增加，沉降速率逐漸加快。而一般樁的實際工作荷載小于承載力特征值，因此在設計荷載為樁頂荷載時，荷載－沉降也基本上呈線性關系。在考慮負摩阻力的不利影響時，如果樁頂荷載加負摩阻力引起的下拽力遠小于極限承載力時，荷載－沉降也基本上呈線性關系。只有當樁頂荷載加下拽力比較接近極限承載力時，曲線的斜率才會明顯加大。在圖4中可以看出，當樁頂荷載P與承載力特征值R比值在0－1.0之間，有地面堆載的沉降曲線與無地面堆載時的沉降曲線幾乎是平行的，只有P/R為1.25時的沉降有斜率加大的趨勢。這與常規(guī)摩擦樁的荷載－沉降關系是完全協(xié)調的。由此可以預見只要樁基的沉降足夠大，負摩阻力引起的下拽力是可以明顯減小甚至完全消除的。負摩阻力對于樁基沉降的影響應當考慮樁頂荷載加負摩阻力引起的下拽力的綜合作用，在此基礎之上，考慮負摩阻力的樁基的沉降特性符合常規(guī)樁基的沉降特性。3.4從圖1—圖4可以看出，樁長不同時，樁頂荷載對與樁基負摩阻力特性的影響程度也是不一樣的。15m樁與12m樁相比，中性點位置的變化和下拽力的變化趨勢都要平緩些，也就是說，樁頂荷載對短樁的負摩阻力特性影響更明顯些。從樁土相互作用分析，長樁的荷載-沉降比短樁平緩些，在附加荷載的作用下其變化也平緩些。從這個角度分析，改善樁基的沉降特性，就可以減緩樁頂荷載對與樁基負摩阻力特性的影響程度。加大樁長，改善樁端土的條件等措施都可以起到這樣的效果。4.結語樁頂荷載對于負摩阻力樁基性狀的影響是復雜的，多方面的，還需要做更加深入的研究。通過上述的討論與計算，可以得到一些關于樁頂荷載對摩擦樁負摩阻力特性影響的一些認識，可以作為負摩阻力樁基研究和設計的參考。4.1樁頂荷載的存在可以使得中性點比無樁頂荷載時上移，而且隨著樁頂荷載的增大中性點也會明顯地上移。在現(xiàn)行的負摩阻力樁基設計方法中，沒有考慮樁頂荷載的影響采取定值法確定中性點的位置，從負摩阻力的發(fā)生發(fā)展和樁土相互作用的角度是不合理的。4.2樁頂荷載的存在使得減小負摩阻力引起的附加軸力值。隨著樁頂荷載與承載力特征值比值P/R的增大，不僅負摩阻力引起的下拽力PN的絕對值明顯下降，而且負摩阻力引起的下拽力PN與樁頂荷載P的比值PN/P呈明顯下降的趨勢。4.3當樁頂荷載P與承載力特征值R比值P/R較小時，有地面堆載的沉降曲線與無地面堆載時的沉降曲線幾乎是平行的，只有P/R較大時的沉降有斜率加大的趨勢。負摩阻力對于樁基沉降的影響應當以樁頂荷載加負摩阻力引起的下拽力為基礎，樁基的沉降特性符合常規(guī)樁基的沉降特性。4.4樁頂荷載對中性點位置影響和對下拽力影響的計算結果都可以很好的用二次曲線擬合，這說明樁頂荷載對樁的負摩阻力的影響是有規(guī)律可循的。研究這些影響的規(guī)律是很有意義的，今后應當做更多更細致的工作。4.5樁長也是影響摩擦樁負摩阻力特性的重要因素。在樁頂荷載作用下，長樁比短樁的中性點位置和下拽力的變化都小些。參考文獻：1.建筑樁基技術規(guī)范（JGJ94-94）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，19952.建筑基樁檢測技術規(guī)范（JGJ106-2003）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，3.夏力農王星華.負摩阻力樁基的設計與檢測[J].巖土力學，2003，24（2）增，491－494InfluencesofWorkingLoadonNegativeSkinFrictionCharactersofPileXiaLi-nong1,2,WangXin-hua1,JiangChun-ping2ABSTRACT:Thedifferencesofnegativeskinfriction(NSF)characterbetweenpilewithworkingloadandwithoutworkingloadarecompared.Itispointedoutthatneutralpointofpileisthelowermost,anddowndragcausedbyNSFismaximaltakingnoaccountofworkingloadonpile.Analysisshowsthatneutralpointwithworkingloadismuchhigherthanthatwithoutworkingload,downdragwithworkingloadissmallerthanthatwithoutworkingloadevidently.Furthermore,neutralpointmoveupwardsobviouslyasworkingloadincreasing,thedowndragdecreaseobviouslyasworkingloadincreasing.TheinfluenceofNSFonpilesettlementisalmostlinearwhileworkingloadissmall.Movemen