桩顶荷载对桩基负摩阻力特性影响

桩顶荷载对桩基负摩阻力特性影响*摘要：比较了在桩顶荷载作用下的负摩阻力特性与无桩顶荷载时的差异，指出不考虑桩顶荷载的中性点位置是最低的，下拽力是最大的。分析的结果表明，当有桩顶荷载作用时，中性点的位置明显高于无桩顶荷载时，下拽力也明显小于无桩顶荷载时，而且随着桩顶荷载的增加，中性点上移的趋势明显，下拽力减小的趋势也很明显。桩顶荷载较小时，负摩阻力对于桩基沉降的影响基本上是线性的。在桩顶荷载作用下，长桩比短桩的中性点位置和下拽力的变化都小些。这对桩基负摩阻力特性的研究是有益的。关键词：桩顶荷载负摩阻力特性影响1.概述桩的摩阻力是由于桩土之间的相对位移而产生的，在桩周土的向下位移大于桩的向下位移的条件下，桩侧摩阻力的方向是向下的，称为负摩阻力。中性点是桩土位移相同的位置，在中性点以下部分，桩周分布着向上的正摩阻力；而在中性点以上部分，桩周都不同程度地分布着负摩阻力。对软土地区的桩基而言，负摩阻力是一个不容忽视的因素。对于摩擦桩，负摩阻力会使得桩基的沉降增加；而对于端承桩，使得桩身轴力增大和桩端荷载总量的增加，严重的会造成桩基的破坏。负摩阻力的出现、发展和发挥都是桩土相互作用的结果。在相关设计规范规程[1][2]中，对于负摩阻力的考虑忽略了桩顶荷载的影响，这对正确评价负摩阻力的影响是不利的。有关这方面研究的文献资料也很少。本文拟通过有限元分析研究桩顶荷载对于负摩阻力的影响，探求桩顶荷载的影响规律。2.桩顶荷载对桩土相互作用的影响当桩顶没有荷载作用时，桩周土体的沉降是桩土相互作用的主要原因。土体沉降在桩身产生负摩阻力，负摩阻力引起的下拽力使桩身产生压缩变形和桩端沉降。而桩身压缩变形和桩端沉降的出现又使得桩-土之间的相对位移关系发生变化并使桩的中性点上移。中性点上移使得桩身下部的出现正摩阻力的桩身长度增加和正摩阻力总量增加，出现负摩阻力的桩身长度减小并且负摩阻力总量减少。而正负摩阻力的长消使得桩-土间共同作用重新达到平衡。只有在桩和土的沉降都稳定时，桩的中性点以及摩阻力沿桩身的分布才能稳定下来[3]。当桩顶有荷载作用时，土体变形不再是引起桩土相互作用的唯一原因，桩顶荷载也是影响桩土相互作用的主要原因。桩顶荷载作用下产生桩身压缩和桩端沉降，这是在短时间完成的，桩周土体的沉降变形需要很长时间才能稳定。在这样的桩土相互作用中，只有桩周土体沉降大于桩的位移时，负摩阻力才会出现。显然，负摩阻力出现的部位与桩顶无荷载作用时有很大的区别，中性点的位置肯定会高于无桩顶荷载的情况。随后也会出现与无桩顶荷载相似的因下拽力产生的桩附加变形和中性点的位置变动。由于桩的沉降－压缩曲线是随着荷载水平的提高而表现出由线性到非线性的，因此，负摩阻力的特性也会呈现与桩顶无荷载时不同的形态，而且会随着桩顶荷载水平的不同而表现出一定的差异。3.有限元分析及结果讨论为了分析桩顶荷载对桩基负摩阻力特性的影响，对摩擦桩做了轴对称有限元分析。分析中采用三角形十五节点单元离散土体和桩身混凝土，采用接触单元模拟桩土界面。土体的本构关系采用弹塑性Mohr-Coulomb模型，桩身混凝土采用弹性模型。在有限元分析中，桩长分别为12m和15m，直径Φ600mm，桩身混凝土标号为C25。先按照现行规范[1]的要求通过计算的荷载－沉降曲线确定桩的极限承载力(桩顶沉降40mm对应的桩顶荷载)和正常状态下的承载力特征值R，然后再分析桩顶无荷载的负摩阻力特性，再按承载力特征值的50％，75％，100％和125％四种桩顶荷载作用于桩顶，在上述负摩阻力的计算中地面堆载总是保持相同的水平，25KN/m2。以此来分析桩顶荷载变化的情况下负摩阻力特性变化。桩身穿过的土层物理力学指标见表1，场地的地下水位位于地表下6.4米。表1：土层分布及物理力学指标Table1:SoilLayerDistributionandIndexesofSoil土层名称土层厚度m干容重γ/kNcm-33湿容重γ/kNcm-33内聚力c/MPa内摩擦角φ/°泊松比ν压缩模量Es/kPa亚粘土1016188.5240.34700粘土1017.518.514270.39400Fig.1:InfluenceofworkingloadonneutralpointFig.2:RelationshipofworkingloadanddowndragFig3:InfluenceofworkingloadondowndragFig.4:Influenceofworkingloadonsettlementofpile3.1从图1可以看出，随着桩顶荷载的增加，中性点的位置明显地上移。由此可见，对于摩擦桩而言，桩顶荷载对于负摩阻力特性有很大的影响。随着桩顶荷载的增加，中性点上移，桩身中性点以下提供正摩阻力的部分加长，正摩阻力总量增加。分析表明，不考虑桩顶荷载确定的中性点是位置最低的。桩顶荷载的存在可以使得中性点上移，而且随着桩顶荷载的增大中性点也会明显地上移。计算表明了目前采用的不考虑桩顶荷载影响的按照定值估计中性点位置的方法对于工作状况的桩基可能会因为没有考虑桩顶荷载的作用而得到明显偏低的中性点位置。通过对15m长桩的中性点位置变化曲线按照最小二乘法进行曲线拟合，得到了与计算曲线吻合极好的一元二次曲线：(1)式中符号P为桩顶荷载，记为KN，R为桩在正常状态下的承载力特征值，记为KN。从图1中可以看出，12m长桩也同样得到了吻合良好的拟合曲线。由于桩土相互作用会受到桩身穿过土层特性，桩端土特性以及桩长等诸多因素的影响，本文中的拟合曲线与计算值吻合良好也并不代表这具有广泛的应用价值，不过说明了桩顶荷载对于负摩阻力特性的影响也是有规律可循的，在这方面还需要做更多的研究。3.2桩顶荷载对负摩阻力引起的桩身轴力的影响可以从图2、图3中看出。桩顶荷载的存在使得减小负摩阻力引起的附加轴力值。随着桩顶荷载P与桩的承载力特征值R比值P/R的增大，不仅负摩阻力引起的下拽力PN的绝对值明显下降，而且负摩阻力引起的下拽力PN与桩顶荷载P的比值PN/P呈明显下降的趋势。这说明，不考虑桩顶荷载的下拽力是最大的，可以说是在相同的桩周土体沉降条件下下拽力的极大值。对于15m长桩的PN/P与P/R关系曲线，采用最小二乘法进行曲线拟合，得到了与计算曲线吻合极好的二次曲线：（2）式中符号Pn为负摩阻力引起的下拽力，KN。从图3中可以看出，12m长桩也同样得到了吻合良好的拟合曲线。拟合曲线与计算结果吻合良好说明负摩阻力引起的下拽力与桩顶荷载的比值Pn/P和桩顶荷载与桩的承载力特征值P/R的比值之间是有规律可循的，这对于研究桩顶荷载对负摩阻力的影响是很有意义的。今后应当加强这方面的研究，并指导工程实践。3.3在常规摩擦桩的荷载－沉降曲线中，在荷载较小时，荷载－沉降基本上呈线性关系，随着荷载的增加，沉降速率逐渐加快。而一般桩的实际工作荷载小于承载力特征值，因此在设计荷载为桩顶荷载时，荷载－沉降也基本上呈线性关系。在考虑负摩阻力的不利影响时，如果桩顶荷载加负摩阻力引起的下拽力远小于极限承载力时，荷载－沉降也基本上呈线性关系。只有当桩顶荷载加下拽力比较接近极限承载力时，曲线的斜率才会明显加大。在图4中可以看出，当桩顶荷载P与承载力特征值R比值在0－1.0之间，有地面堆载的沉降曲线与无地面堆载时的沉降曲线几乎是平行的，只有P/R为1.25时的沉降有斜率加大的趋势。这与常规摩擦桩的荷载－沉降关系是完全协调的。由此可以预见只要桩基的沉降足够大，负摩阻力引起的下拽力是可以明显减小甚至完全消除的。负摩阻力对于桩基沉降的影响应当考虑桩顶荷载加负摩阻力引起的下拽力的综合作用，在此基础之上，考虑负摩阻力的桩基的沉降特性符合常规桩基的沉降特性。3.4从图1—图4可以看出，桩长不同时，桩顶荷载对与桩基负摩阻力特性的影响程度也是不一样的。15m桩与12m桩相比，中性点位置的变化和下拽力的变化趋势都要平缓些，也就是说，桩顶荷载对短桩的负摩阻力特性影响更明显些。从桩土相互作用分析，长桩的荷载-沉降比短桩平缓些，在附加荷载的作用下其变化也平缓些。从这个角度分析，改善桩基的沉降特性，就可以减缓桩顶荷载对与桩基负摩阻力特性的影响程度。加大桩长，改善桩端土的条件等措施都可以起到这样的效果。4.结语桩顶荷载对于负摩阻力桩基性状的影响是复杂的，多方面的，还需要做更加深入的研究。通过上述的讨论与计算，可以得到一些关于桩顶荷载对摩擦桩负摩阻力特性影响的一些认识，可以作为负摩阻力桩基研究和设计的参考。4.1桩顶荷载的存在可以使得中性点比无桩顶荷载时上移，而且随着桩顶荷载的增大中性点也会明显地上移。在现行的负摩阻力桩基设计方法中，没有考虑桩顶荷载的影响采取定值法确定中性点的位置，从负摩阻力的发生发展和桩土相互作用的角度是不合理的。4.2桩顶荷载的存在使得减小负摩阻力引起的附加轴力值。随着桩顶荷载与承载力特征值比值P/R的增大，不仅负摩阻力引起的下拽力PN的绝对值明显下降，而且负摩阻力引起的下拽力PN与桩顶荷载P的比值PN/P呈明显下降的趋势。4.3当桩顶荷载P与承载力特征值R比值P/R较小时，有地面堆载的沉降曲线与无地面堆载时的沉降曲线几乎是平行的，只有P/R较大时的沉降有斜率加大的趋势。负摩阻力对于桩基沉降的影响应当以桩顶荷载加负摩阻力引起的下拽力为基础，桩基的沉降特性符合常规桩基的沉降特性。4.4桩顶荷载对中性点位置影响和对下拽力影响的计算结果都可以很好的用二次曲线拟合，这说明桩顶荷载对桩的负摩阻力的影响是有规律可循的。研究这些影响的规律是很有意义的，今后应当做更多更细致的工作。4.5桩长也是影响摩擦桩负摩阻力特性的重要因素。在桩顶荷载作用下，长桩比短桩的中性点位置和下拽力的变化都小些。参考文献：1.建筑桩基技术规范（JGJ94-94）.北京：中国建筑工业出版社，19952.建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）.北京：中国建筑工业出版社，3.夏力农王星华.负摩阻力桩基的设计与检测[J].岩土力学，2003，24（2）增，491－494InfluencesofWorkingLoadonNegativeSkinFrictionCharactersofPileXiaLi-nong1,2,WangXin-hua1,JiangChun-ping2ABSTRACT:Thedifferencesofnegativeskinfriction(NSF)characterbetweenpilewithworkingloadandwithoutworkingloadarecompared.Itispointedoutthatneutralpointofpileisthelowermost,anddowndragcausedbyNSFismaximaltakingnoaccountofworkingloadonpile.Analysisshowsthatneutralpointwithworkingloadismuchhigherthanthatwithoutworkingload,downdragwithworkingloadissmallerthanthatwithoutworkingloadevidently.Furthermore,neutralpointmoveupwardsobviouslyasworkingloadincreasing,thedowndragdecreaseobviouslyasworkingloadincreasing.TheinfluenceofNSFonpilesettlementisalmostlinearwhileworkingloadissmall.Movemen