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文档简介

一、单桩的荷载传递规律

当竖向荷载施加于单桩桩顶时,桩身受到压缩而产生相对于土的向下位移,与此同时桩侧表面受到土的向上摩阻力。桩身荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递至桩周土层中,致使桩身荷载和压缩变形随深度递减。随着作用荷载的增加,桩身压缩量和位移量增大,桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来,桩底土层也因受到压缩而产生桩端阻力。而桩端土层的压缩加大了桩土相对位移,从而使桩身摩阻力进一步发挥出来。第三节竖向荷载下的桩基础1.单桩的荷载传递过程

当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后,若继续增加荷载,荷载增量将全部由桩端阻力承担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性变形,位移增加速度显著增大,直至桩端阻力达到极限,位移迅速增大至破坏。此时,桩达到其极限承载力。2.荷载传递函数

由此可见,桩侧和桩端阻力的发挥,需要一定的桩土相对位移,即桩侧和桩端阻力是桩土相对位移的某种函数,这种特定的函数关系,通常称之为荷载传递函数。实际的荷载传递函数比较复杂,与土层性质、埋深、桩径等有关,一般需要对其进行简化。荷载传递函数主要的特征参数是极限摩阻力和对应的极限位移。

桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分的发挥,一般认为粘性土中su为4~6mm,砂性土中su为6~10mm。

(大直径钻孔灌注桩,如果孔壁呈凹凸形,发挥侧摩阻力需要的极限位移较大,可达20mm以上,甚至40mm,约为桩径的2.2%,如果孔壁平直光滑,发挥侧摩阻力需要的极限位移较小,只有3~4mm。)(1)桩侧极限摩阻力qsu与对应的桩侧极限位移su(2)桩端阻力qpu与对应的桩端极限位移spu桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值,桩端阻力qpu对应的桩端极限位移spu在粘性土中约为桩底直径的25%,在砂性土中约为8%~10%,对于钻孔桩,由于孔底虚土、沉渣压缩的影响,发挥端阻极限值所需位移更大。3.桩侧、桩端阻力的荷载分担比与桩的分类

桩侧、桩端阻力的荷载分担情况,除了与桩侧、桩端土的性质有关以外,还与桩土相对刚度、长径比l/d有关。桩土相对刚度越大,长径比l/d越小,桩端传递的荷载就越大。按桩侧阻力与桩端阻力的发挥程度和分担荷载比,将桩分为摩擦型桩和端承型桩两大类和四个亚类。

摩擦型桩是指在竖向极限荷载作用下,桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承受。根据桩侧阻力分担荷载的大小,摩擦型桩分为摩擦桩和端承摩擦桩两类。(1)摩擦型桩

在深厚的软弱土层作中,无较硬的土层作为桩端持力层,或桩端持力层虽然较坚硬但桩的长径比l/d很大,传递到桩端的轴力很小,以至在极限荷载作用下,桩顶荷载绝大部分由桩侧阻力承受,桩端阻力很小可忽略的桩,称其为摩擦桩。当桩的l/d不很大,桩端持力层为较坚硬的粘性土、粉土和砂类土时,除桩侧阻力外,还有一定的桩端阻力桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担,但大部分由桩侧阻力承受的桩,称其为端承摩擦桩。这类桩所占比例很大。

端承型桩是指在竖向极限荷载作用下,桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承受,桩侧阻力相对桩端阻力而言较小,或可忽略不计的桩。(2)端承型桩

根据桩端阻力发挥的程度和分担荷载的比例,又可分为摩擦端承桩和端承桩两类。

桩端进入中密以上的砂土、碎石类土或中、微化岩层,桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担,而主要由桩端阻力承受,称其为摩擦端承桩。当桩的l/d较小(一般小于10),桩身穿越软弱土层,桩端设置在密实砂层,碎石类土层中、微风化岩层中,桩顶荷载绝大部分由桩端阻力承受,桩侧阻力很小可忽略不计时,称其为端承桩。对于钻(冲)孔灌注桩,桩侧与桩荷载分担比还与孔底沉渣有关,一般为摩擦型桩。

单桩的破坏模式同桩的荷载-沉降曲线以及受力特点有关。如图所示,对于摩擦型桩,桩端持力层地基反力系数ks值很小,2-3直线段近似于竖直线,Q-s曲线陡降,在点2处出现明显拐点,一般属刺入破坏;对于端承型桩,桩端阻力占承载力的比例较大,ks值较大,在点2处不出现明显拐点,而端阻破坏又需要很大位移,整个Q-s曲线呈缓变型。

4.单桩的破坏模式

对于端承桩和桩身有缺陷的桩,在土阻力尚未充分发挥情况下,出现桩身材料强度破坏,Q-s曲线也呈陡降型。5.极限桩侧阻力、桩端阻力的影响因素

当桩端进入均匀持力层的深度h小于某一深度时,其端阻力一直随着深度线性增大;当进入深度大于某个深度后,极限端阻力基本保持恒定不变,该深度称为端阻力的临界深度hcp,该恒定极限端阻力称为端阻稳定值qpl。

在上海、安徽蚌埠对桩端进入粉砂不同深度的打入桩进行了系列试验,表明了临界深度在7d以上;硬粘性土中的临界深度hcp≌7d。

(1)深度效应

(2)成桩效应

(a)挤土桩、部分挤土桩的成桩效应非密实砂土中的挤土桩,成桩过程使桩周土因挤压而趋于密实,导致桩侧、桩端阻力提高。对于桩群,桩周土的挤密效应更为显著。饱和粘土中的挤土桩,成桩过程使桩周土受到挤压、扰动、重塑,产生超孔隙水压力,随后出现孔压消散、再固结和触变恢复,导致侧阻力、端阻力产生显著的时间效应,即软粘土中挤土摩擦型桩的承载力随时间而增长,距离沉桩时间越近,增长速度越快。(b)非挤土桩的成桩效应非挤土桩(钻、冲、挖孔灌注桩)在成孔过程由于孔壁侧向应力解除,出现侧向土松弛变形。孔壁土的松弛效应导致土体强度削弱,桩侧阻力随之降低。

采用泥浆护壁成孔的灌注桩,在桩土界面之间将形成“泥皮”的软弱界面,导致桩侧阻力显著降低,泥浆越稠、成孔时间越长,“泥皮”越厚,桩侧阻力降低越多。如果形成的孔壁比较粗糙(凹凸不平),由于混凝土与土之间的咬合作用,接触面的抗剪强度受泥皮的影响较小,使得桩侧摩阻力能得到比较充分的发挥。对于非挤土桩,成桩过程桩端土不仅不产生挤密,反而出现虚土或沉渣现象,因而使端阻力降低,沉渣越厚,端阻力降低越多。这说明钻孔灌注桩承载特性受很多施工因素的影响,施工质量较难控制。掌握成熟的施工工艺,加强质量管理对工程的可靠性显得尤为重要。二、荷载传递基本方程的建立

竖向荷载下桩土体系荷载传递过程可简单描述为:桩身位移和桩身荷载随深度递减,侧摩阻力自上而下逐步发挥。、和三者之间的关系可通过数学表达式加以描述。求解的基本思路就是把桩沿长度方向划分为若干个弹性单元,土体与桩单元的相互作用可用弹簧模型来描述,这些弹簧的应力-应变关系表示了桩侧摩阻力与剪切位移之间的关系,计算模型如图1(a)所示。取深度z处的微小桩段为对象,由力的平衡条件可得:(1)1.荷载传递基本方程图1单桩荷载传递分析

(2)

由桩身压缩量与轴力之间的关系(3)可得,断面荷载(4)以及断面沉降

(5)由式(1)可得

在以上各式中:为自桩顶以下的深度;为桩身截面周长;为桩身截面积;为桩身弹性模量;为桩侧摩阻力;为桩身位移。式(2)、(4)、(5)分别表示于图1(c)、(d)、(b)。将式(4)代入式(2),可得桩土体系荷载传递过程中的基本微分方程为(6)

按照求解微分方程(6)的途径不同,荷载传递法可分为解析法、位移协调法两种方法。解析法是把传递函数假定为某种简单的曲线方程,直接代入微分方程(6)求得解析解。简单且有代表性的传递函数模型是理想弹塑性模型(佐藤•悟,1965)等。位移协调法是用实测的传递函数来描述土体与桩单元的相互作用,由于实测的传递函数表达形式一般比较复杂,难以直接求得解析解,这时可采用位移协调法求解。求解时将桩划分成许多单元体,从桩端开始分析,考虑每个单元的内力与位移协调关系,用迭代法求解桩的荷载传递及沉降量。2.荷载传递方程求解方法3.理想弹塑性模型的求解结果

理想弹塑性荷载传递函数如图2所示,其假定为(1)当时,当时,(7)式中为剪切变形系数,沿深度方向相同。(2)桩端持力层垂直方向上的地基反力系数为则。其中为桩端截面面积;为桩长。图2理想弹塑性荷载传递函数

将式(7)代入式(6),得:

这是一个二阶线性微分方程,结合边界条件,可以得到桩顶的荷载-沉降(Q-s)曲线如图3所示,图中的Q-s曲线可分为三个阶段。(a)桩侧土弹性阶段相当于0~1段(直线),桩身各点侧摩阻力都小于极限侧摩阻力,即。

图3单桩的Q-s理想化曲线(b)更桩侧猪土弹塑仍性阶段相当于1差~2段(头曲线),欺当桩顶的役侧摩阻力龄达到极限椒时(相当寇于1点)声,Q-s曲线不再住是直线,佛桩侧进入铃塑性状态政,随着桩平顶荷载增绵大,桩侧护土塑性范健围逐渐由坐浅到深不仿断发展,离直至桩侧桃土均达到享塑性状态柜(2点)咱。(c)逮桩侧舱土完全顿塑性阶左段相当于击2~3骑段(直毁线),肾新增加卡荷载全何部由桩世端承担溪,直至米持力层志破坏(伞)诸。图3的Q-s曲线是在锋假定均质太地基、传刑递函数为叙理想弹塑肠性的基础斥上得到的象,因此是情理想化的偷曲线。实屠际工程桩拜的Q-s曲线要复五杂一些。单桩竖拢向极限扰承载力恩是指单献桩在竖纺向荷载愧作用下详到达破镇坏状态背前或出评现不适惨于继续单承载的静变形所简对应的恨最大荷薯载。确秧定单桩喇极限承均载力的采方法有骑:静载并荷试验链法、经阵验参数涛法、静相力计算签法、静滴力触探竿法、高械应变动篇测法等掠。(一)惑经验参联数法单桩极捐限承载趁力由总止桩侧摩辉阻力和蚁总桩端耳阻力组奴成。即单桩设题计承载蜘力为:R=Qsk/s+Qpk/p式中Qsk、Qpk—分猎别为单头桩的总谦极限侧测阻力标哪准值和纽奉总极限葱端阻力含标准值典;三、单桩手承载力确社定s、p—分别固为侧阻分控项抗力系泻数和端阻梳分项抗力黑系数,根佣据桩型和粒成桩工艺即按表4-亭1选用;qski、qpk—分别蚁为桩周第i层土的极翠限侧阻力录标准值和笑桩端持力须层极限端破阻力标准索值,可分逼别按表4至-2、4窑-3选尊用;u—桩周维长;li—按土脉层划分的雕第i层土中祥的桩长班。表4-2津、4-3琴是《建筑结桩基技术钩规范》给非出的混凝粥土预制桩烂,灌注桩却的在常见为土层中的狭摩阻力经钉验值,这嗓是在对全徒国各地收睛集到的几翠百根试桩稠资料进行苏统计分析饿得到的。笼由于全国骡各地的地劣基性质差投别很大,肤这些表格滨用于指导昨各地的设钟计也有局正限性,使窜用各地方弯或各区域哭自己的承凉载力参数变表更合理园。(二)竖狮向静载荷圆试验法1.笼试验拖装置试验装置躺主要由加捆载系统和走量测系统梅组成。图尼4-10圈a所示为乌锚桩横梁愉试验装置析布置图。骆加载系统害由千斤顶柄及其反力阻系统组成蹲,反力系崇统包括主害、次梁及旷锚桩,所盐提供的反摔力应大于造预估最大视试验荷载吊的1.2为~1.5天倍。采用巴工程桩作哥为锚桩时拴,锚桩数此量不能少辱于4根,饼并应对试券验过程锚泥桩上拔量患进行监测扣。反力系统弹也可以采欲用压重平宝台反力装额置或锚桩饮压重联合朗反力装置专。采用压柴重平台时布(图4-秩10b)跑,要求压财重量必须娱大于预估示最大试验掌荷载的1引.2倍,史且压重应述在试验开饺始前一次现加上,并遣均匀稳固夺放置于平凶台上。2.臭试验方法一般采渴用逐级剃加载,奔每级基谷本荷载付增量一涂般按预仓估极限泥荷载的飘1/1待0~1愧/15序施加,义第一级暗荷载可咽加倍施亲加。每六级加载界后,按喂5、1邪0、1棚5、3眯0、6也0分钟肺间隔测魄读沉降句。当每瓣小时沉迫降不超狠过0.雾1mm萄,并连闻续出现绵两次,昼则认为浸沉降已虏达到相舰对稳定沫,可加甚下一级摘荷载。哲符合下岔列条件耗之一时比,可终堤止加载牛。(1)酒桩沉降而量为前立一级荷啦载作用侦下沉降馆量的5秧倍;(2)快桩沉降苏量为前框一级荷捆载作用留下沉降宽量的2同倍,且24俱小时尚挺未达到来相对稳径定;(3)桩嗓顶加载达取到设计规绳定的最大次加载量;(4)已箭达锚桩最协大抗拔力享或压重平辛台最大重斑量。破坏荷载终止加载样后进行卸悟载,每级发基本卸载慕量按每级丧基本加载旬量的2倍忍控制,并姥按15、挎30、6呆0、90示分钟测读占回弹量,疾然后进行砌下一级的摆卸载。全侧部卸载后撕,隔3~线4小时再绳测回弹量视一次。上面介绍轰的是慢速卧维持荷载炒法,常规锄试验方法泥快速维持浮荷载法(蜻每隔1小疗时加一级察荷载)。如果有侍选择地偏在桩身部某些截将面(如望土层分熄界面)吹的主筋巧上埋设赴钢筋应霸力计,顷在静载挣试验时明,可同蔑时测得扫这些截介面的应阿变,进逢而可得觉到这些么截面的劝轴力、皱位移,答根据公倡式(4字-3)府算出两产个截面爬之间的镇平均摩控阻力。问这就是子研究基苏桩在竖罚向荷载险作用下勇荷载传即递特性冒的试验愤方法。3.试书验成果与的承载力确策定上面的测辉试结果一纤般可整理协成Q-s钩、s-宜lgt等曲线,Q-s曲线表示协桩顶荷载怀与沉降关开系,s-lg豆t曲线表课示对应泊荷载下滚沉降随敞时间变谦化关系芒。陡降型Q-s曲线发生洪明显陡降群的起始点吊对应的荷休载或s-lg尖t曲线尾部惯明显向下已弯曲的前挥一级荷载舍值即为单袍桩极限承汤载力。如图4粮-11弯、图4柿-12堪所示,矩试桩的何破坏荷舟载为7眠480掌kN,管尽管还样未稳定道,满足席终止加江载条件绞后开始宵卸载,煤单桩极汤限承载给力为6亚800咽kN。对缓变杏型Q-s曲线,向破坏荷派载较难侮确定,涨一般取就s=4营0~6驰0mm胸对应的伴荷载作委为单桩蛛极限承辈载力,懒对于大唐直径桩券可取s马=(0活.03息~0.色06)泼D。当各试桩为条件基本按相同时,搁单桩竖向孕极限承载叙力标准值Quk可按有关船统计方法洒确定。单匀桩承载力腊设计值为R=Quk/spsp—桩侧谷阻端阻综坟合抗力分茄项系数,完按表4-张1选用。在同一剖条件下悼的试桩摆数量不凭宜小于激总桩数事的1%埋,且不景应小于腹3根。萍静载荷卫试验也曲可在工句程桩中虹进行,瓶此时,究只要求米加载到套承载力口设计值脏的1.委5~2哥倍,而炸不需加左载至破锻坏,以筋保证工屯程桩得舰以继续撑使用。从成桩罗到开始罢试验的垮间歇时广间:由动于单桩骡承载力允时间效丧应,试鱼桩时间疤也应该危距沉桩姑时间有狼尽可能嗽长的休叠止期,滚否则试圾验得到垂的单桩高承载力押明显偏窄小。各侦地的地艇方规范何有具体谊规定。四、群做桩承载库力确定群桩在责竖向荷冰载作用考下,由岂于承台闭、桩、称土之间队相互影丙响和共朴同作用据,群桩愿的工作妨性状趋沙于复杂凉,桩群歼中任一找根桩的卷工作性滩状都不普同于孤泳立的单盈桩,群漫桩承载春力将不手等于各污单桩承认载力之婚和,群罗桩沉降雾也明显维地超过暗单桩,徐即是群桩效狼应。群桩效应冈可用群桩鼻效率系数η和沉降比ζ表示。群桩效率耽系数η是指群地桩竖向拍极限承戏载力Pu与群桩穗中所有月桩的单膏桩竖向饶极限承怒载力Qu总和之缩慧比,即η=Pu/(nQu),n为群桩中其的桩数。(一)糟群桩效轮应的基棵本概念沉降比ζ漠是指在每游根桩承担置相同荷载月条件下,伐群桩沉降语量sn与单桩周沉降量s之比,上即ζ=sn/s。群桩效率说系数η和沉降比ζ主要取决拥于桩距和饥桩数,其卷次与土质嫂和土层构峰造、桩径枯、桩的类驻型及排列皮方式等因跪素有关。由端承堪桩组成制的群桩唯,通过丙承台分船配到各摩桩桩顶体的荷载躲,其大揭部或全钻部由桩找身直接仍传递到真桩端。后通过承罗台土反泄力、桩厕侧摩阻巴力传递烤到土层犬中的应岔力较小只,桩群滴中各桩偿之间,座承台、怎桩、土侍之间的侮相互影展响较小储,其工员作性状办与独立盟单桩相掌近。因浪而端承宜型群桩箱的承载侧力可近滋似取为叮各单桩忽承载力货之和,申即群桩邻效率η、沉降比ζ可近似取枕为1。群桩效济率系数η越小、块沉降比ζ越大,信表示群渣桩效应店越强,受也就意兄味着群野桩承载屑力越低钉、沉降麦越大。由摩擦桩呈组成的群偷桩,桩顶绢荷载主要炮通过桩侧棒摩阻力传接布到桩周健和桩端土涝层中,在全桩端平面仗处将产生锈应力重叠环。承台土瞒的反力也择传递到承命台以下一革定范围内撇的土层中魄,从而使引桩侧阻力苍和桩端阻受力受到干钥扰。就一般蚂情况而搞言,在宿常规桩虹距(3籍~4d)下,螺粘性土奖中的群培桩,随隔着桩数丧的增加侧,群桩赠效率系梅数明显割下降,欢且η<1,同念时沉降比月迅速增大件,ζ可以从雹2增大启到10敞以上;谋砂土中颗的挤土亚桩群,莫有可能η>1;干而沉降酸比则除惜了端承纹桩ζ=1外告,均为ζ>1。由于各影陕响因素对角各群桩效洗应特性的污影响效果吉不同,用止单一的群绘桩效率系糠数难以如寻实反映群畜桩效应问傅题,为此歌《建筑桩闹基技术规溜范》引入哗分项群桩攀效应系数斗—桩侧阻拴群桩效应区系数s、桩端阻旧群桩效应主系数p、桩侧赏阻端阻畜综合群春桩效应喂系数sp和承台底隆土阻力群湿桩效应系艰数c,其定械义分别楼如式(聪4-1良1a)~(4易-11d)所示溪。s、p、sp按表4薄-4选崭用,c桩距、腾桩长、轨承台宽债、桩排桨列,承肠台内外鸣区面积果有关,茄按式(弱4-1展1e)计算胶确定。查表中凡用到的Be、l分别为承肠台宽度和流桩的入土能长度,sa为桩中心届距,不撞规则布桩款时,sa/d按式临(4-毫10)绣确定。(二)分鼓项群桩效堵应系数法古确定群桩渡承载力当sa/d>6时,送取s=p=sp=1。考虑承台气、侧阻和庭端阻作用秋的分项系糕数后,复寇合基桩竖别向极限承磁载力及其总设计值的陆表达式如谢下所示。当仅知道然单桩极限筹承载力值滔(如静载追荷试验)巨时,其群够桩竖向承携载力按下弄式计算:与常规方掉法比较,想桩基规范路法的显著离特点是考菌虑了承台村底土分担仔荷载的作衫用,以及仁采用了不告同的分项拴系数和效宰应系数。捧当承台底较面以下是患可液化土墨、欠固结钢土、新填沉土、或沉胶桩过程产跟生高孔隙仓水压力和徐土体隆起麦时,土体家的沉降会页大于桩的领沉降,承邮台底与地究基土将会剖脱离,此膊时,不能父考虑承台铁效应,即凝取c=0。偏心荷载窜作用下,延各桩顶荷撕载为:(三)阅桩顶作讲用效应湖验算在荷载和效应基屈本组合仗情况下放,单桩职(规范谣中称基鞋桩)竖户向承载冻能力的呀极限状雪态表达灭式为0N≤R在偏心竖风向荷载作丸用下,尚权应满足下棋式:0Nmax≤1.撕2R当Nmin≤0时,定尚需验算茄抗拔承载这力。——建衬筑桩基逢重要性夸系数,巡寿按表确任定安全炉等级,屡对于一刷、二、寸三级分对别取=反1.1映,1.竟0,0饶.9;筐对于柱刚下单桩巧按提高译一级考允虑。当桩端平歪面以下荷怕载影响范低围内存在拣软弱下卧挣层时,如笋果桩距较谦小,则桩猫与桩间土惕的性状类士似于实体嫩墩基础,继而可能会鼓引起冲破踏硬持力层毕的整体冲零剪破坏,漆如图4-亦14(a)所示鹊;如果间桩距较椅大(或垫单桩基扶础)且聋硬持力栋层厚度妻较小,侵单桩可迎能会产骨生单独恰冲剪破伶坏,如垫图4-去14(b)所示。为了防纹止上述窝情况的佳发生,美需进行葵相应的毒群桩承涉载力验肃算,验誉算原则较:扩散申到软卧阳层顶面递的附加演应力与膛软卧层讨顶面土嫂自重应无力之和昌要小于陈软卧层喘的设计畏承载力肃。(四)群滑桩软弱下录卧层承载借力验算按桩距sa的大小分为两角种情况充进行分傅析。1.对宇于桩距sa6d的群桩基懂础,按下酷列公式验鞭算:2.对岔于桩距sa>6d、且硬持力介层厚度t<(sa-De)cot/2的群桩钢基础(庸图4-橡14b范),以网及单桩母基础,按上式验晨算软弱下认卧层的承状载力时,边其z按下式么确定:A0、B0——桩锣群外缘傍矩形面抹积的长容、短边彻长。N——铸桩顶轴饭向压力位设计值龙;De——扯桩端等木代直径。1.负共摩阻力产凑生的原因在一般氏情况下蹦,桩受征轴向荷宿载作用蓝后,桩亿相对于惕桩侧土占体作向顾下位移高,使土盯对桩产笔生向上格作用的压摩阻力病,称正败摩阻力裹(图4碍-16a)。但是警,当桩周吵土体因某丝式种原因发帝生下沉,输其沉降速铺率大于桩钥的下沉时虫,则桩侧泰土就相对专于桩作向启下位移,棕而使土对遣桩产生向蜜下作用的愈摩阻力,横即称其为处负摩阻力阳(图4-震16b)。桩负摩逢阻力的街发生将挣使桩侧幸土的部推分重力哀传递给域桩,因巡寿此,负歌摩阻力榜不但不馅能成为沫桩承载卵力的一像部分,册反而变叉成施加乡丰在桩上肝的外荷资载,使剥桩的外且荷载增委大,桩东承载力北相对降鹿低,桩阁基沉降驼加大,垃这在桩言基设计鹿中应予津以注意应。五、桩盛的负摩猾阻力和注抗拔承桌载力(一)负攻摩阻力产记生的机理桩负摩阻茄力能否产蛛生,主要踪蝶看桩与桩何周土的相伴对位移发叫展情况。托桩的负摩幸阻力产生臭的原因有磁:(1)绝在桩基姜础附近

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