（岩土工程专业论文）桥台桩负摩阻力现场试验及有限元分析.pdf

摘要 桩基负摩阻力是工程建设中常见的问题，国内外相关的研究也逐步展开，在 负摩阻力的理论训算、模型试验及现场试验方面都取得了很大的进展，但研究多 集中在主动桩及大面积堆载形成的桩基负摩阻力上，对被动桩及不剐称堆载形成 的桩基负摩阻力问题的研究则很少。对于高速公路桥台桩基来说，其填土施工期 承受的竖向荷载主要为路堤填土引起的负摩阻力作用，为典型的被动桩问题，而 且桥台后填土对桩基而言为不对称堆载。迄今为j 七，对这一问题研究仍不够深入。 本文在前人工作的基础上，结合宁淮高速公路桥台桩负摩阻力现场试验及有 限元数值计算工作，对桥台桩负摩阻力问题进行了研究，主要的工作和成果如下： 1 1 在宁淮高速公路某桥台桩进行了现场试验，在桩身埋设钢筋计，测试桩身 轴力，并计算得到桩侧摩阻力和桩身弯矩：分析了桩身轴力、弯矩及桩侧摩阻力 随填土高度的变化规律、沿桩身深度的分柑规律；分析了桥台后堆载预压对桩身 轴力、弯矩及桩侧摩阻力的影响； 2 ) 试验得到中性点深度比约为o 3 4 ，并指出对桥台桩采用规范法估算中性点 深度偏大；指出最终的中性点深度与桥台后填土高度关系不大，并对其原因作了 分析；靠桩端附近表现出桩侧摩阻力的增强效应，桩侧摩阻力得到提高。 3 ) 以现场试验的桥台桩为原型，利川p l a x i s 程序建立了有限元平面应变分析 模型，采用有限元数值方法对桥台桩负摩阻力问题进行了模拟计算研究：模拟了 现场施工的过程，考虑桥台后填土高度增加的影响、地基土固结沉降的影响以及 堆载预压过程的影响，对桥台桩负摩阻力的变化和分柿规律进行了研究；对路堤 施工完成后架设桥梁梁板的合适时机作了预测；对桩顶荷载大小的影响进行了研 究。 4 、对现场试验与有限元模拟的成果进行了对比分析，并对得出的中性点深度 相差较大的原因作了分析。 本文最后对桥台后填土产生负摩阻力时桥台桩的承载力问题进行了探讨，并 基于研究结果对桥台桩基负摩阻力消减措施提出了建议。 关键词：桥台桩现场试验堆载预压负摩阻力中性点有限元数值模拟 摘要 桩基负摩阻力是工程建设中常见的问题，国内外相关的研究也逐步展开，在 负摩阻力的理论训算、模型试验及现场试验方面都取得了很大的进展，但研究多 集中在主动桩及大面积堆载形成的桩基负摩阻力上，对被动桩及不剐称堆载形成 的桩基负摩阻力问题的研究则很少。对于高速公路桥台桩基来说，其填土施工期 承受的竖向荷载主要为路堤填土引起的负摩阻力作用，为典型的被动桩问题，而 且桥台后填土对桩基而言为不对称堆载。迄今为j 七，对这一问题研究仍不够深入。 本文在前人工作的基础上，结合宁淮高速公路桥台桩负摩阻力现场试验及有 限元数值计算工作，对桥台桩负摩阻力问题进行了研究，主要的工作和成果如下： 1 1 在宁淮高速公路某桥台桩进行了现场试验，在桩身埋设钢筋计，测试桩身 轴力，并计算得到桩侧摩阻力和桩身弯矩：分析了桩身轴力、弯矩及桩侧摩阻力 随填土高度的变化规律、沿桩身深度的分柑规律；分析了桥台后堆载预压对桩身 轴力、弯矩及桩侧摩阻力的影响； 2 ) 试验得到中性点深度比约为o 3 4 ，并指出对桥台桩采用规范法估算中性点 深度偏大；指出最终的中性点深度与桥台后填土高度关系不大，并对其原因作了 分析；靠桩端附近表现出桩侧摩阻力的增强效应，桩侧摩阻力得到提高。 3 ) 以现场试验的桥台桩为原型，利川p l 莹i s 程序建立了有限元平面应变分析 模型，采用有限元数值方法对桥台桩负摩阻力问题进行了模拟计算研究：模拟了 现场施工的过程，考虑桥台后填土高度增加的影响、地基土固结沉降的影响以及 堆载预压过程的影响，对桥台桩负摩阻力的变化和分柿规律进行了研究；对路堤 施工完成后架设桥梁梁板的合适时机作了预测；对桩顶荷载大小的影响进行了研 究。 4 、对现场试验与有限元模拟的成果进行了对比分析，并对得出的中性点深度 相差较大的原因作了分析。 本文最后对桥台后填土产生负摩阻力时桥台桩的承载力问题进行了探讨，并 基于研究结果对桥台桩基负摩阻力消减措施提出了建议。 关键词：桥台桩现场试验堆载预压负摩阻力中性点有限元数值模拟 a b s t r a c t n e g a t i v es k i nf r i c t i o no f p i l ei saf a m i l i a rp r o b l e mi ne n g i n e er i n g a1 0 to f r e s e a r c hr e s u l t h a v e b e e nc a r r i e do u t0 1 1t h i sp r o b l e 札i th a sm a d ec o n s i d e r a b i ep r o g r e s sf o rt h e o r e t i c a l r e s e a r c h ，m o d e le x p e “m e n ta n ds i t et e s to nn e g a t i v es k i nf r i c t i o no fp i l e b u tm o s to ft h e r e s e a r c h e sc o n c e n t r a t e do na c t i v ep i i e sw h i c ht h en e g a t i v es k i nf r i c t i o ni s p r o d u c e d eb y 1 a r g e a r e ae a r t h f i l ll o a da r o u n dp i l e ，i tr a r e l yh a sr e s e a r c hr e s u l t sf b c u s e do np a s s i v ep i l eo r a s y m m e t r i c a l l ye a r t hf i n f o re x p r e s s w a ya b u t m e n tp 训e ，t h ed o w n d r a gi o a dc a u s e db yr o a d e a n hf i l | i st h em a i nb e a r i n gv e n i c a ll o a d i t sat y p i c a lp r o b l e mo f p a s s i v ep 订e m o r e o v e lt h e e m b a n k m e n tf i l lb e h i l l dt 1 1 ea b u t m e n ti sa s y m m e t r i cf o rt h ep i i ef o u n d a t i o n ，s of a lr e s e a r c l l o nt 1 1 i si s s u ei ss t i l ln o te n o u g h i nt h eb a s i so ft h ep r e d e c e s s o r s ，u s e dn e l dt e s tm e t h o da n df e m ，t h i sd i s s e r t a t i c o n d l i c t e dr e s e a r c ho nn e g a t i v es k mf r i c t i o no fa b u t m e n tp i l e t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r e a sf o l l o w s ： 1 ) an e i dt e s t0 1 1n e g a t i v es k i nf r i c t i o no f a l la b u t m e n tp j l ei sp e r f o r m e da tt h en i n g h u a i e x p r e s sh i g h w a yr e j n f o r c em e t e r sa r es e tu pm t h et e s tp i l e ，a 1 1 di t sa x i a lf o r c ea r em e a s l l r e d t 1 1 u s ，t 1 1 es k i nni c t j o na 1 1 dt h eb e l l d i n gm o n l e n ta c q u i r e dt h r o l l g hc a l c u l a t i o nt h ed i s t “b u t i o l l n i l e so ft h ea x i a if o r c e ，t h em o m e n ta n dt 1 1 ei a t e r a lf r i c t i o n g a lr e s i s t a n c eo fp i l ea r ca l l a l y z e d ， a 1 1 dt h er e 】a t i o n sb e t w e e nr o a d1 1 e i g l l ta n da n y o n eo f t h e ma r ea n a l y z e d ，t o o ；t h ei 1 1 n u e n c e so f e a r t hn i ip r e c o l l l p r e s s j o l lo nt h e ma r ea n a i y z e d 2 ) t 1 1 em e a s l i r e dn e l i t r a lp o m td e p t ht a c t o ri sa b o u to 3 4 t h er e s u l to ft h et e s ts h o w n t h a tt h ee s t j m a t e dn c u t r a ip o j n td e p t | 1b yt h ec r i t e r i o nm e t h o di sb i g g e rt h a l lt h er e a lo n ef o i _ a 1 1 a b u t l l l e l l ti ) i l e a 1 1 dt 1 1 cu i t i l l l a t e1 1 c u t r a lp o i n td e p t hh a sl i t 七l et od ow i 廿1t 1 1 eh e i g l l to ft 1 1 er o a d s o i l b e l l i n dt 1 1 ea b u t m e l l tt 1 1 ec 札l s e sa r ea l s os 1 1 叭v ni nt 1 1 i sd i s s e n a t i o l l i t ss h o w l ls v n e 胆i s t i c e 仃e c t 。f l l l el a t e i a lf r i c t i o n g a lr e s i s t a n c en e a rp i i et i nm o r ec l o s et ot h ep i l et ip ，t h ev a i u eo f t 1 1 ep o s i t i v es k i nf r i c “o ni sm o r eg r e a t 3 ) b yl j s j l l gt h e p l a x i ss o f t w a r c ，d l j sd i s s e r t a t j o na l s oe s t a b i i s h e daf e mp l a n es t r a i n m o d e lw 1 1 j t ht 1 1 ea b u t n l e n t p i l ea tt h es i t et e s ca sa ne p r o t o t y p e u s i “gf i l l i t ee 1 e n l e l l t m e t h o d ( f e m ) t o5 t u d yt h ea b u t m e n tp i 】en e g a ：一es k mf r i c t j o np r o b l e mt h ef e mm l m e l i c a l c o m m l t a t i o l ls i m l 【i a t e dt 1 1 ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，a n dt 1 1 ei m p a c to fe a r t hf i l lh e i g h ti 1 1 c r e a s i n g i sc o l l s i d e i _ e d t 1 ej n l p a c to ff b u n d a t j o ns o i lc o n s o j j d a t i o ns e “j e m e n t ，t h ei m p a c to fe a n hn 】l p r e c o n l p r e s s i o np r o c e s sa r et a k e l li 1 1 t oa c c o u 吨t o o a c c o r d i n gt ot h er e s u l to f f e m n u m er i c a l c o m p l l t a “0 1 1 t h ed i s t r i b u t i o l la 1 1 dv a “a t i o nr u l e so f t h ep i l en e g a “v es k mf r i c t i o na r ea n a l y z e d a n dt h es u i t a b l et i m eo fb r i d g eb e a mc o n s t r u c ti sf o r e c a s t e dt 1 1 e n ，t h ee f f b c to fp i l e1 1 e a d v e n i c a | l o a dv a i u eo nn e g a t i v es k m 丹i c t i o ni sa n a l y z e d 4 ) a nc o n l p a r a t i v ea n a l y s i si sm a d eb e t w e e nt h er e s u l t so ft h es i t et e s ta n dt h a to ft h e f e m c o m p u t a “o nt 1 1 ed i f 诧r e n c eo fn e u t r a ip o i n td e p t hb e t w e e nt h e ma r ea i s oe x p i a i n e db y a n a l y s e f i n a l ly 1 1 eb e a r m gc 8 p a c j t yo f a b u t m e n tp i l ei sd i s c u s s e dw h e ni tb e a r i n gn e g a t i v es k i n f r i c t i o n ，a n ds o m ef e a s i b l el n e a s u r e sa r ea d v i s e df 曲t h ee l i m i n a t i o l lo fa b u t m e n tp i l en e g a t i v e s k mf r i c t i o na c c o r d i n gt ot h ea v o v er e s u l t s k e yw o r d s ： a b u t m e n tp i l e ；f i e l dt e s t ；b a l l a s t p r e l o a d i n gm e t h o d ；n e g a t i v es k i n f r i c t i o n ；n e u t r a lp o i n t ；f e m ；n u r n e r i c “s i m u l a t i o n 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工作的同 事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 丑丛公 1 ，形年 月勿日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：壶! 鱼册月乃日 第一章绪论 第一章绪论 1 1概述 桩基础是深基础的一种，是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创造，是最 古老、最基本的一种基础类型，一般是指利用设置在地基中的桩来加固地基时桩 和桩间土联合构成的一种复合地基，而且主要是纵向增强体复合地基。在桩基中， 桩体是纵向增强体，而桩间土体则为基体，上部结构荷载通过桩基础传递到土层 上。桩基础能较好地适应各种工程地质条件、工程要求和荷载情况，通常具有承 载力大、稳定性好、绝对变形和相对变形值小、变形速率低、收敛快等工程特性。 随着科学技术和经济建设发展的需要，在各种复杂地基上建造建筑物的情况越来 越多，采用桩基作为建筑物的基础也日趋普遍，桩的设计直径、设计长度及设计 荷载也越来越大，桩基已成为各种高层建筑物软弱地基处理的一种重要手段，也 是桥梁、港口、码头工程中的主要基础形式。在土木工程的发展中，桩基础正起 着越来越重要的作用。 在很多种条件下，当桩周土体由于自重作用固结沉降、浸水湿陷、地面堆载 产生沉降、黄土湿陷、冻土融沉等原因，下沉量大于桩身下沉量时，在桩长一定 范围内，土体对桩产生向下的负摩阻力【1 】，形成的下拉荷载作用到桩上，可能造 成下述情况：( a ) 桩端地基的屈服或破坏；( b ) 桩身破坏；( c ) 上部结构物的不均匀 沉降。不少建筑物桩基由于存在上述原因出现沉降、倾斜、开裂，以致有的无法 使用而拆除，或花费大量资金进行加固。 如何合理地考虑表面负摩阻力对桩基的作用是桩基设计中长期存在的问题 之一。由于桩周土性质、桩端土性质、桩身自身条件、作用荷载及施工条件等多 种因素的影响，导致桩侧表面负摩阻力的计算特别是中性点位置的确定及下拉荷 载的准确计算尤为复杂。目前，关于负摩阻力的计算公式，有关规范或设计手册 中多为经验公式或简化公式，尽管公式简单、易用，但由于考虑的因素单一，得 出的仅为可能的最大中性点深度，通常会带来保守设计，给实际工程造成不必要 的浪费。而且，由于规范给出的试桩方法中并没有考虑负摩阻力对试桩结果的影 响，容易造成设计时估算承载力虽然考虑了负摩阻力，但确定承载力的依据却是 试桩的成果数据，而试桩数据一般不反映潜在的负摩阻力，因为试桩时桩的沉降 速度大于土的固结速度，试桩期表现出来的是土体正摩阻力。因这种对负摩阻力 认识不清而盲目相信试桩成果的原因，曾导致哈尔滨市某住宅区取暖锅炉房发生 墙体开裂等工程事故【”。 河海大学硕七论文 1 2桩基负摩阻力形成原因与作用机理 桩周土层由于某种原因而产生超过桩身沉降量的下沉时，作用于桩身的向下 的摩擦力即称为桩的负摩阻力，桩土间的相对位移是引起桩侧摩阻力的直接原 因 3 】【4 1 。当桩身某截面沉降量大于该截面桩侧土体沉降量时，桩侧摩阻力方向向 上，其值为正；反之，桩侧摩阻力方向向下，桩身承受负摩阻力作用。因此桩基 负摩阻力的本质原因是出现桩周土体沉降大于桩身沉降的相对位移。 设桩穿过可压缩土层而达到坚硬的持力层，假设地表下沉量为s 。，桩本身 的弹性压缩量为s 。，桩尖下沉量为s 。因桩打入硬土层，故s p 很小，s 。通常也 不大，往往是s 矿s 。+ s 。，示意图如图1 1 所示。 缸m ) ( a )( b )( c ) ( d )( e )( d ( a ) 承受负摩阻力的桩：( b ) 桩位移与桩侧土下沉量沿深度分布曲线及中性点的确定：( c ) 摩阻力q 沿深度变化曲线 ( d ) 桩十相对位移沿深度变化【 | _ 线：( e ) 桩轴力q ：沿深度变化曲线；( o 下拉荷载q 。沿深度变化曲线 图1 1 承受负摩阻力的桩荷载及位移示意图 1 2 1 负摩阻力特性 1 、中性点 所谓中性点是指某特定深度的桩断面，该深度以上土的下沉量大于桩，桩承 受负摩阻力；该深度以下桩的下沉量大于土，桩受正摩阻力；因此该点就是桩土 位移相等、桩侧摩阻力等于零的分界点，该断面轴向力也是最大的。中性点的深 度与桩周土的压缩性和变形条件桩和持力层土的刚度等因素有关，在桩土沉降 稳定之前，它也是变动的。 中性点位置的确定： 第一章绪论 a 根据桩的变形和桩侧土的变形计算确定 计算步骤：计算桩周土体的沉降，绘出沉降随深度的变化曲线；假定某 一中性点深度1 。，算出桩身摩擦力和桩端阻力；采用分层总和法算出桩尖以下 土层的沉降量s 1 ，采用杆件公式计算桩身变形量s 2 ，分别绘出沿深度的分布曲线； 求出第一次中性点的近似位置n ；利用求得的中性点近似位置重复3 、4 步骤， 多次计算直至前后两次中性点位置基本重合为止。 b 根据有关规范或地区经验确定 建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 给出的方法是：中性点深度l 。应按桩周土层 沉降与桩沉降相等的条件确定。根据土层性质可在该规范中查表得出中性点深度 比l 。1 0 的参考值，据此即可确定l 。的大小，如表1 1 所示。 其中l n 、1 0 分别为中性点深度和桩周沉降变形土层下限深度。 并且桩穿越自重湿陷性黄土层，l 。按表列增大1 0 ( 持力层为基岩除外) 。 日本远腾等人对穿过深厚冲积层( 粉质粘土及粉土) 的4 根钢管桩( 端承桩和 摩擦桩) 所做的实验表明，在这种土质条件下，中性点深度在0 7 3 o 7 8 l o 范围内。 表1 1 中性点深度比l i l ，l 。 粘性土砾石 持力层性质 中密以上砂基岩 粉士卵石 中性点深度比1 凡 o 5 0 6o 7 o 8o 91 o 中性点深度l 。与桩周土的压缩性和变形条件、桩和持力层土的刚度等因素有 关。在桩、土沉降稳定之前，它也是变动着的。当有地面堆载时，中性点的深度 取决于堆载的大小，堆载越大则中性点越深。对打到基岩的桩，一般认为应假设 中性点位于桩端处。 2 、时间效应卧【5 】 负摩阻力的发生和发展经历着一个缓慢的时间过程，这是由软粘土的固结沉 降特性决定的。般是初期发展较快，而达稳定值却很慢；固结土层越厚，时间 过程越长；摩擦桩又比端承桩慢。图1 - 2 为前人所做钢管桩负摩阻力现场试验【6 j 成果，由图可见，负摩阻力( 轴向力) 在第一年就发挥了8 0 ，可是趋于稳定却经 历了三年多时间。 地基土的沉降速率越大，负摩阻力值亦越大。 3 、群桩效应 对于桩距较小的群桩，其基桩的负摩阻力因群桩效应而降低。 负摩阻力的群桩效应表现为以下两方面：a 、受桩间土体积、重量的限制影 响而可能使群桩的负摩阻力降低。由于负摩阻力是由桩侧土体的引起，若桩群中 河海大学硕士论文 上解决了负摩阻力问题。而我国到目前为止，仍然大量使用钢筋混凝土的预制桩 和灌注桩，再加上各地地质状况及施工工艺等条件的复杂性，负摩阻力的研究仍 然有重要的现实意义。 桩侧负摩阻力的研究实际上是对桩与地基土的相互作用机理问题的深入探 讨，对于桩土相互作用的理论研究，大体上可归纳为以下方法【1 3 】，即：荷载传递 法；弹性理论法；剪切位移法；有限单元法；其它理论方法( 如神经网络法、有 限差分法等数学数值方法) ；现场及模型试验法。因此，桩侧负摩阻力的研究思 路基本上也是这几种方法。 1 3 1 负摩阻力研究的荷载传递法 。 荷载传递法是荷载一变形分析中最常用的方法之，其基本思想是先把桩划 分为许多弹性单元，每一单元与土体之间用非线性弹簧联系，以模拟桩。土间的 荷载传递关系，表示桩侧摩阻力与剪切位移问的关系，分析如下： j d 由桩单元轴向力的平衡条件：= 一u f ( 1 1 ) 0 2 a o 以及弹性压缩条件：= 一4 耳半 ( 1 - 2 ) “ a 2 得到桩轴向的变位方程：4 耳若一己，。f = o ( 卜3 ) 式中： p _ 、f 分别为桩轴向力、侧摩阻力； 己，、爿。分别为桩截面周长、面积； 文z 分别为桩的轴向位移、桩身深度； e 桩体弹性模量。 通过建立s r 之间的关系即可求解上述方程。其中描述桩、土单元之间的摩 阻力和位移关系的函数关系式s r ，即称之为荷载传递函数。求解上述基本微分 方程，就可得到在竖向荷载作用下桩侧摩阻力、桩身轴力分布以及桩身各截面处 的位移。确定荷载传递函数的方法通常有两类：一是把传递函数简化假设为某种 类型曲线，二是通过现场或室内试验的方法来实测确定。关于s f 之间的关系， 采用不同求解方法，又有解析法、位移协调法以及其它一些方法。 荷载传递法首先由s e e d & 。r c e s e 在1 9 5 5 年提出【1 4 】，文献【1 4 对桩的荷载传 递机理和桩土相互作用作了较为深入的研究，提出了用十字剪切板法确定荷载传 递曲线的方法，该文成为研究桩土相互作用的经典之作。此后，k e z d i ( 1 9 5 7 ) 提 第一章绪论 出荷载传递关系的指数曲线模型，日本佐滕悟( 1 9 6 5 ) 采用j r 双折线模型导出了 比较完整的单桩垂直荷载试桩曲线分析法【”j ，c o y l e & r e e s e ( 1 9 6 6 ) ， p o o r o o s h a s b ( 19 6 7 ) ，h o l l o w a y ( 19 7 5 ) ，p o u l o s ，h g & d a v i e s ( 1 9 7 5 ) 以及 v d a y v e r g i y a ( 1 9 7 7 ) 等相继有所发展，先后提出的模型可归纳为下述五种嘲、： 理想弹一塑性模型；硬化模型；双曲线模型：指数( 或对数) 模型：软化 模型。 我国学者曹汉志( 1 9 8 8 ) 对桩的轴向荷载传递及荷载沉降曲线的数值计算方 法进行了研究【1 7 】，认为荷载传递曲线可近似用双曲线方程描述，从实用的目的出 发，将s f 曲线简化为弹全塑模型，将荷载一沉降曲线简化为弹性一硬化模型，用 5 个参数来表示桩侧、桩尖土的荷载传递规律，并与现场实测结果进行了对比， 结果是吻合的。周国林( 1 9 9 l ，1 9 9 2 ) 1 1 6 】基于荷载传递法的思路，采用线弹性 全塑性的传递函数关系，提出计算单桩负摩阻力的力学模型，该模型不仅适用端 承桩，也适用于端承一摩擦桩或摩擦桩，并能考虑多层土中桩的负摩阻力。在文 献【1 8 中周国林进一步引入太沙基一维固结理论，建立了单桩负摩阻力随时问发 展的计算模型，在数值计算方法上采用收敛较快“桩头位移假设法”，其算例证 明可考虑任一时刻桩侧摩阻力的分布。屠毓敏、俞洪良( 2 0 0 1 ) 【i9 】首先利用 t e r z a g h i 一维固结理论和土层分层总和法求得堆载作用下土层沉降随深度和时 间变化的规律，然后从桩一土相互作用的机理出发，建立了置于非均质地基中负 摩擦桩荷载传递的弹性微分方程，由此求得黄于均质地基土中桩基弹性微分方程 的解析解，并在考虑地基土的非线性特性的前提下，用有限差分法研究了非均质 地基土中的情况，对某一工程实例进行分析论证，理论计算结果与实测较为接近。 赵明华( 2 0 0 4 ) 等人【2 0 】对佐藤梧双折线模型进行了改进，以荷载传递法建立出 基桩负摩阻力的基本微分方程。在此基础上，考虑桩土相互作用及土体的分层 特性，导出了适合于任意土体沉降曲线的基桩负摩阻力分段解析解。进而引入土 体沉降的b o u s s i n e s q 解，结合解答对某工程实例进行了分析。结果表明，该方法 能较准确地描述桩身负摩阻力的传递过程，且计算方法简便，参数易于获取，具 有通用性，是一种可行的基桩负摩阻力分析方法。 1 3 2 弹性理论法 以p o u l s 为代表，假设桩被插入一个理想均质、各向同性的弹性半空间体内， 其弹性模量和泊松比不因桩的存在而变化，桩侧完全粗糙、桩底平滑，并认为桩 土界面能保持弹性接触和位移协调，即桩土之间无相对位移，然后运用m i n d l i n 第一章绪论 位移和摩阻力等。剪切位移法的优点是，由于在竖向引进一个变换矩阵，能考虑 层状地基土的情况，对于均质士，它不需对桩进行离散，大大减少计算工作量。 但传统的剪切位移法忽略了桩侧土的压缩变形，夸大了桩侧土的剪切变形，并且 忽略了桩土接触面的滑移以及桩端土体的作用，也没有考虑桩土间的塑性变形， 因此其适用性受到一定的限制，尤其对短桩误差较大。r 矗n d o l p hm f 和w r o t h p c ( 1 9 7 8 ) 【3 0 l 对剪切位移法作了补充和修正，提出了桩的影响半径与桩长及土层 性质有关，并按弹性力学方法补充了桩端沉降量的计算式。 由于剪切位移法计算程序过于简单，忽略了很多因素，如地基的三向应力状 态、地基成层性、土参数随深度的变化等，因此在桩基设计的实践中已很少应用。 有限单元法：这是一种发展很快而十分有力的计算工具，能同时考虑影响桩 基工作性能的几乎所有影响因素，如土的非线性性质、固结时间效应、动力效应 以及桩的特殊边界约束条件等，它远比传统的数值分析方法、荷载传递分析法、 弹性理论法和剪切位移法等优越的多。同时随着计算机计算技术的飞速发展，各 种适合数值计算的计算方法先后问世，新一代并行计算机研制成功，并行计算技 术迅速崛起，包括有限单元法在内的数值分析方法应用日趋广泛，在桩基工程中 应用有限单元法已是大势所趋。但是用有限单元法分析时，所需的参数通常较多， 工程应用具有一定的局限性。 w a l k e r & d a r v a l l ( 1 9 7 3 ) 【3 l 】采用有限元法计算了一个实例，计算值同实测值 基本吻合。s m a l l ( 1 9 8 8 ) 吲应用比奥固结理论计算了p o u l o s & d a v i s 在1 9 7 2 年算 过的算例，两者结果相近。施建勇等人( 1 9 9 5 ) 【3 3 】用有限元法对香港地区桩的负摩 擦力进行了研究，采用邓肯一张模型和修正剑桥模型，并设置了古德曼接触面单 元，计算结果与实测数据较吻合。同时，论述了在桩的负摩擦分析中考虑土的弹 塑性特性及接触面单元的必要性。陈福全、龚晓南、马时冬【3 4j 根据某高速公路的 一座中桥桥台桩基工程的负摩阻力现场试验，给出中性点的深度、桩身轴力随桩 深分布规律；针对该试验工程实例，采用三维空间有限元进行了数值模拟，将模 拟结果与实测结果进行比较，两者有较好的一致性。袁灯平，黄宏伟，马金梨”l 考虑软土地基中桩土体接触面效应，建立了桩土体相互作用分析三维非线性有限 元模型，并重点模拟分析了某典型软土地区桩土荷载传递性状以及桩体特性、土 体特性、桩土接触面参数、土体结构性及堆载等因素对负摩队力的影响规律。 特殊情况下的负摩阻力研究：张晓健 3 6 】等人基于太沙基固结理论，探讨了 p c c 桩( 现浇混凝土薄壁管桩) 负摩阻力作用机理。研究表明，在p c c 桩内部不 产生负摩阻力，可以用原有方法计算外部负摩阻力。汪鹏程，杨俊杰，朱向荣【”】 河海大学硕士论文 以冻结法施工的某矿副井为例，编制有限元程序，对冻结壁融沉作用在井壁上负 摩擦力进行弹塑性分析，得出结论是：融沉负摩擦力在深度方向上由地表到中上 部呈递增，然后呈递减；融沉负摩擦力与土层的性质、水平侧压力大小及融沉量 等因素密切相关。付厚利【3 8 】通过物理模拟试验，研究了饱和土冻融过程中土层的 融沉规律、土层对单桩产生的竖向融沉附加力变化规律，分析了土层性质及主要 冻结参数对融沉负摩擦力的影响，并得到了最大融沉负摩擦力。孙军杰，王兰民， 黄雪峰【_ 7 j 利用黄土地基浸水湿陷试验的资料，从理论上对黄土湿陷时桩的负摩阻 力出现深度进行了分析研究，结果表明负摩阻力随深度的变化受到负摩阻力最大 值处以上土体有效重量和该深度桩周土体的有效沉降量的制约，并推导出该深度 的大小。 对于桩基负摩阻力的研究，尚有一些如神经网络法之类的数学方法，如王建 华与林琼( 1 9 9 4 ) 将b p 型神经网络法结合信息扩散方法引用于单桩沉降的预估， 建立了以l i d 预估工作荷载下单桩沉降的神经网络模型。由于这种方法并非基 于力学机理，而是基于一定量的统计信息，并且所分析沉降的单桩的情况要与建 立模型的试桩情况近似，因此其精确性与可靠性有待进一步的验证。 目前，关于桩基负摩阻力问题的研究文章很多p 9 - 【44 1 ，对工程上出现的问题 及解决办法分别提出了各自的观点和意见，这些研究对桩的负摩阻力研究及其计 算起到重要的参考作用。 1 3 4 负摩阻力的现场与模型试验研究 从六十初起，北欧、日本、加拿大、美国、中国香港及我国内地就陆续开展 了一些大规模的现场试验。本文收集了部分国外现场试验的实测数据，各自采用 不同的方法测出了中性点深度或桩身最大轴力，如表1 2 所示。 例如，李光煜、汪彬( 1 9 8 8 ) 【45 j 利用瑞士生产的滑动测微计成功地测出一根钢 管桩的负摩阻力，得出明显的中性点深度约为o 6 6 l ，并且基本不随堆载高度及 时间而变：马时冬( 1 9 9 7 ) 【4 6 】对某桥台2 根直径1 5 m 、长2 8 m 的钢筋混凝土灌注 桩( 端承桩) 进行了桩身轴力、应变及桩周土分层沉降的现场测试与研究，测出了 中性点深度和桩侧摩阻力的分布情况，对实测值与设计预测值进行了比较分析， 并提出一种中性点深度计算公式，该公式较规范更接近于实际，但因考虑因素较 多，在参数选取上有一定误差；律文田、冷伍明、王永和m 通过软土地区桥台桩 基的现场试验研究，揭示了软土地区桥台路基填土时，桥台基桩内力和负摩阻力 的变化规律。试验结果表明：台后填土对桥台桩轴力的影响不仅发生在填筑施工 1 0 第一章绪论 期间，而且在施工完毕后相当长一段时间内仍有一定的影响；由于负摩阻力的作 用，桩身轴力随着深度的增加先增大后减小，桩侧摩阻力沿深度呈非线性变化。 表1 2 桩基负摩阻力现场试验简表 尺寸 入土深最大轴中性点深 桩型土质 加载方式 地区 方法观测期 m mn l 向力k n ( 1 l o ) 打入式 中6 0 92 9 6 填土、砂土 2 m 土堤 1 9 6 0 香港 h s 一1 0 0 型 3 9 7 天 钢管桩 1 22 8 2 粉质粘土 2 8 0 大刚度应变片 打入式 5 31 0 高填砂1 4 7 0 瑞典 钢管桩 预制桩 出3 5 4 0粘土 4 0 0 荷重传感器 1 9 7 67 1 4 预制桩 七1 0 0 09 08 0 0 0 加拿大 1 9 7 7 9 1 0 5 5 自然下沉 1 4 7 00 6 4 电感位移计 预制桩 由8 0 05 4 4 m 填土 3 7 2 00 7 l日本 应变片 5 d1 2 7 0o 9 1 钢筋砼 5 0软粘土1 9 0 0o8 4 预应力桩 击4 2 0 5 填土夏威夷 5 5粉质粘土 6 4 00 8 1 中6 0 950 7 3 应变片、电感式1 9 6 4 6 钢管桩4 3粉砂2 m 填土3 0 0 0日本 9507 8 位移汁和压力计1 9 6 7 3 3 05 荷载传感器 1 9 7 6 6 预制桩粘十2 0 0 3 0 0墨西哥 3 2o 应变片 1 9 8 07 士6 0 9d 5 淤泥质粘 4 6 高3 5 中国滑动测微计 1 9 8 7 7 6 钢管桩 8 0 00 6 6 1 13 5 土、亚粘土3 5 m 2 堆石宁波 s m i s e t h1 9 8 8 7 钢弦式钢筋测力 钢筋砼 中1 5 0 02 8 淤泥质粘士4 5 m 高填土 1 2 0 005 7中国 计、钢弦式应变约1 3 0 天 灌注桩 传感器 粘土、淤泥桥台后50 5 n制弦式钢筋计、 钢筋砼 m 1 0 0 04 3 质粘土、粉高路基+ 27 m 约7 3 002 6 6 中国 i u 阻应变式钢筋 1 3 5 天 灌注桩 约6 4 00 2 0 0 质粘土高预压土 谢耀峰、王云球【4 8 】以湛江港高桩码头所用工程桩为原型制作了模型，采用模 型试验的方法来研究港口工程中桩基的负摩阻力问题，得出模型桩下拉荷载及负 表面摩擦力的分布情况，并给出计算下拉荷载的经验公式，如式( 1 4 ) 所示： 摩擦桩 q = o 旭u ! 伽伊l( 1 4 ) 端承桩 q = o 8 8 5 l 。u 勺t a n pj 。 上式中q 为下拉荷载，u 为桩横截面周长，c 。为土体的不排水剪强度均值， q 为土体的内摩擦角，l 。为中性点深度。 其研究表明，同一根桩下拉荷载值远小于上拔荷载值，桩的负表面摩擦力在 泥面以下约l 5 左右达到最大，摩擦桩的中性点位置多在o 6 7 l 了喹。 陆明生( 1 9 9 7 ) 【4 9 】通过对单桩的表面负摩擦力的模型试验研究和非线性平面 有限元分析结果，参考国外现场实测资料，也给出了估算单桩负摩阻力及下拉荷 ：翌塑查茎堡圭堡苎 载的类似经验公式，如式( 1 5 ) 式( 1 - 8 ) ，但由于应变软化等原因，模型试验结果 与有限元及经验公式结果误差较大： 端承桩： q 。( x ) 2 摩擦桩： 下拉荷载 c 。钯n 妒詈 剑s 1 5 c 。t a n 妒 工5 x 7 工1 0 ( 1 5 ) 1 5 c 。t a n p ! 旦祭：立7 三1 0 x 兰三 j l f 1 5 c 。t a n 妒( 5 x 三) o xs 工5 q 。( x ) = 1 5 c 。t a n 妒 5 x 茎7 工l o 【o 7 上1 0 x 三 q = u r q 。( x ) d x ( 1 6 ) ( 1 - 7 ) 对均质塌嚣搿嘉麓伊 m s ， 式( 1 5 ) ( 1 8 ) 中：q 。( x ) 为桩表面随深度而变化的表面负摩阻力，l 为桩长， u 为桩横截面周长，乞为土体的不排水抗剪强度，( p 为土体的内摩擦角。 综上所述，国内外关于桩基负摩阻力的研究主要集中在荷载传递法、弹性理 论法及有限单元法、现场及模型试验等方法上，各自基于不同的假设条件、试验 条件及不同的理论都取得了一系列有价值的成果。 1 4工程背景 宁淮高速公路是江苏省规划的“四纵四横国联”主骨架中的“纵三”，南联 省会南京，北至淮安，并与馀宿淮高速公路相连。其中的马坝至武墩段高速公路 起点位于盱眙县马坝镇东阳乡2 0 5 国道南侧，终点位于淮安市武墩乡。 公路所在的区域位于江苏西部低山丘陵隆起区与东部滨海沉降区的过渡地 带，由于新构造运动的继承活动及诸多入海水系的侵蚀切割，形成了较为复杂的 地形地貌单元。从总体上看，区内地势南高北低，南侧为低山丘陵区，地势较高， 向北逐渐降低，以至形成了残丘岗地区和冲、湖积平原区。第四纪地质资料反映， 路线所处淮安市盱眙县东部和洪泽县清浦区西部地区，有大面积覆盖于地表或埋 藏在地表下浅层处的膨胀土，其矿物成分中均含有不同比例数量的伊利石、蒙脱 石和高岭石。线路区地处亚热带向暖温带过渡性气候带中，有明显的季风气候性， 本气候区域内四季寒暑变化显著，年降雨量自北向南递增，约为9 4 3 4 m m 1 0 3 1 3 m m 。 第一章绪论 由于建设工期的限制，包括宁淮高速公路在内，江苏省高速公路桥现行设计 中大量采用先施工桩基、桥台结构和各种穿堤建筑物，然后再进行桥头填土施工 的工艺。采用这种施工工艺，在填土施工过程中，桥台桩在一定深度范围内很可 能会受到负摩阻力作用，引起桥台桩较大位移、变形或破坏，最终影响公路桥的 施工安装和正常使用，甚至危及桥台安全。 图1 3 宁淮高速公路路线地理位置图 1 5问题的提出 如前所述，国内外关于桩基负摩阻力的研究各自基于不同的假设条件、试验 条件及不同的理论都取得了一系列有价值的成果，但由于桩基负摩阻力成因的复 杂性，在不同的条件( 如桩受力条件、地质与荷载状况) 下，负摩阻力与相应下拉 荷载的分布及变化差别很大。 ( 1 ) 各种研究方法都有其缺陷，不同研究人员得出的研究成果也相差较大，采 用不同经验公式计算时彼此也相差悬殊； ( 2 ) 用弹塑性力学方法来研究桩的负阻力问题只能求解负摩阻力的终值，对于 负摩阻力的产生和发展的过程则无法了解，采用太沙基固结理论，由于太沙基固 结理论只在一维情况下是精确的，对于二、三维问题来讲并不严格，因此研究范 河海大学硕士论文 围受到限制，而目前工程实践中的计算方法基本上采用的都是这两种理论； ( 3 ) 对负摩阻力问题的研究多集中于单桩，群桩的负摩阻力研究仍然很少； ( 4 ) 大多数关于负摩阻力的研究多针对端承桩，对于摩擦桩或端承摩擦桩的 研究则远远不够；负摩阻力作用下桩端位移及沉降的研究很少涉及到； ( 5 1 对于负摩阻力的时间效应研究的较少，多数结论得出的是其最大值或终 值，这与实际需要有一定差距； ( 6 ) 前人的模型及现场试验对于大面积均匀堆载的情况研究的多，对桥台桩 高填土荷载形成不对称堆载情况下的桩基负摩阻力研究较少。 根据桩基与周围土体的相互作用，可将桩基分为两大类，第一类直接承受外 荷载并主动向土中传递应力，称为“主动桩”：第二类桩基并不直接承受外荷载， 只是由于桩周土体在自重或外荷载作用下发生变形或运动而被动地受到土体传 递的影响，称为“被动桩”。由于工程上的垂直承载桩的外荷载多数直接作用在 桩顶，因此对这一类主动桩问题研究较为深入，被动桩的问题显然要比主动桩的 更为复杂一些，因为