桩的负摩阻力作用分析

问题 。
4 减轻负摩阻力影响的对策
负摩阻力的不利影响造成的工程事故 , 引起了工程师 和专家学者的关注 , 并在工程中采取了一些措施来减轻负 摩阻力的影响 。本文从负摩阻力发生机理和已有的工程实 践 , 将减轻和消除负摩阻力的对策和方法归纳如下 :
(1) 软土地层松散填土在沉桩前对地基进行处理 。如 排水固结 、强夯法等手段迫使土层固结 。对湿陷性黄土地 区采用浸水强夯等方法清除湿陷 。从而清除与减轻负摩阻 力的不利影响 。
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位移关系也就基本上不会变化 , 在土体沉降完成过程中桩
土共同作用而造成的中性点位置的变动也就很小 。因此 ,
负摩阻力对于端承型桩承载力的影响比摩擦桩直接得多 。
由于端承型桩中桩土共同作用不明显 , 这部分附加荷载也
就很难减少或消除 , 附加荷载对桩身强度和承载力有明显
的不利影响 。
对于端承型桩当中负摩阻力不利影响的计算 , 《建筑地
(1) 摩擦桩 。在负摩阻力的作用下 , 摩擦桩会产生附 加沉降 , 而桩的附加沉降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 。在桩和土 的沉降都稳定的情况下 , 负摩阻力引起的基桩的下拉荷载 及桩的中性点和摩阻力沿桩身的分布才能稳定下来 。
负摩阻力对摩擦桩承载力的影响不是直接的 , 当上部 结构对于沉降或者不均匀沉降要求不太严格时 , 桩可以通 过沉降的增加来减轻甚至消除负摩阻力的不利影响 ; 而当 上部结构对于沉降或者不均匀沉降要求严格时 , 负摩阻力 带来的不利影响可能会造成建 (构 ) 筑物使用上的问题 。 另外 , 由于软土的沉降需要很长的时间才能稳定 , 桩土间 的相互作用也就需要很长时间才能稳定 。此外 , 自然条件 的变化 (如地下水位的变化 ) 也会对负摩阻力的发展速度 产生影响 。因此 , 对于带负摩阻力的摩擦桩而言 , 沉降是 一个持续的过程 , 需要很长的时间才能稳定 。
2 负摩阻力产生的条件
使用桩基的目的就是通过桩侧面和桩端把荷载传递给 地基土 。因而地基土对桩的作用可以分为两部分 : 即桩侧 面的摩擦力和桩端的反力 。其中摩擦力又可以分为两种 : 当桩相对于土体产生向下的位移时 , 土表现为对桩的支承 作用 , 产生正摩擦力 ( positive skin friction, 简称 PSF) 如 图 1。反之 , 产生负的摩擦力 ( negative skin friction, 简称 NSF) , 负摩阻力不但不会增加桩的荷载抗力 , 反而增加了 桩身的荷载 , 如图 2。桩侧面总的负摩阻力称为下拉荷载 。
在摩擦桩当中负摩阻力对桩身轴力的不利影响表现为 变动的 、可调节的 。带负摩阻力的摩擦桩中 , 桩身最大轴 力的增幅和位置的变化随着中性点位置的变化而变化 , 随 着中性点位置的稳定而趋于稳定 。不过 , 桩身最大轴力的 增幅的调节是被动的 , 它与桩土的相对位移有关 , 而与桩 身轴力本身无关 。桩基规范 (JGJ94 - 94) 中规定 , 对于摩 擦桩 , 不计中性点以上土层产生的下拉荷载 , 也不计这部 分土层的正摩阻力 。这一规定是建立在桩基产生附加沉降 的基础上的 。所以 , 对于沉降 (不均匀沉降 ) 要求严格的
● 地基基础和岩土工程 《四川建材 》2008年第 1期
【文章编号 】: 1672 - 4011 (2008) 01 - 0109 - 03
桩的负摩阻力作用分析
岳 耀 斌, 王 泽 云, 贾 二 红
(西华大学建筑与土木工程学院 610039)
【摘 要 】: 负摩阻力是桩基问题中常见而尚未完全解 决的问题 。本文从负摩阻力的产生机理出发 , 探讨了桩与 土之间的相互作用 , 分析了负摩阻力对基桩的不利影响 , 并提出了相应的解决对策 。 【关键词 】: 负摩阻力 ; 中性点 ; 下拉荷载 【中图分类号 】: TU473 【文献标识码 】: B
110
83 83125 71 71106 62 62116
115
74 74133 63 63108 55 55122
210
70 68129 58 57188 51 50130
215
70 68129 58 57188 51 50130
310
64 62117
计算值和实测值相当接近 , 误差在 4%以内 , 且计算值 比实测值略小 , 偏于安全 , 可用于指导设计 :
;
N ———上部结构传递的轴向压力设计值 ;
Q
n g
———负摩阻力形成的下拉荷载标准值
;
1127———荷载分项系数的加权平均值 。
∑ 而其中
:
Q
n g
=
qnsiA li
(3)
qnsi =ζnσ′i
(4)
式中 :
qnsi —第 i层土桩侧负摩阻力标准值 ;
ζn—桩周土负摩阻力系数 ;
σ′—桩周第 i
i层土平均竖向有效应力 ;
负摩阻力对于桩基性能的不利影响可以概括为三个方 面 : 一是负摩阻力的存在造成桩侧正摩阻力减小 , 负摩阻 力是对桩身施加的附加荷载 , 从而引起桩基实际荷载的增 加和有效承载力的降低 ; 二是负摩阻力的出现大大地减少 了桩侧土体提供的荷载抗力 , 使桩的承载力依靠中性点以 下的桩侧和桩端土体来提供 , 使得桩端土体沉降增加从而 造成桩基沉降增加 ; 三是负摩阻力形成了对桩基的附加荷 载 , 造成桩身轴力的增大并使得桩身最大轴力不出现在桩 顶 , 而是出现在中性点处 , 从而降低了桩身强度的安全度 。 从桩基的工作状况来看 , 负摩阻力的影响对摩擦型桩和端 承型桩会有所区别 。
挡土墙侧向土压力基本参数的确定对围护结构的设计 至关重要 , 由于朗肯土压力理论的局限性 , 并考虑到土与 挡土结构相互作用下土压力变化的复杂性 , 可以采用基于 现场实测资料的反分析方法 , 根据原位测试的结果 , 在一 定范围内确定 k (ψ) 、 b ( sa, ψ) 和 n的值 , 从而确定土 压力 。
图 1 图 2
3 负摩阻力对桩基影响的分析
311 桩土共同作用分析 桩的摩阻力是由于桩与土之间的相对位移而产生的 ,
图 3 图 4
109
《四川建材 》2008年第 1期 地基基础和岩土工程 ●
而对于中性点的取值 , 由于在可压缩土层 L0 的范围 内 ,负摩阻力的作用长度即中性点的稳定深度 Ln是随桩端持 力层的强度和刚度的增大而增加的 。其深度比 Ln /L0 的经验 值 , 桩基规范 (JGJ94 - 94) 已经给出 , 如下表所列 :
110
上部结构 , 这样的规定是偏于不安全的 。摩擦桩中负摩阻
力的影响应当根据上部结构对承载力和沉降的不同要求而
作出相应的规定才是合理的 。
(2) 端 承 型 桩 。对 于 端 承 型 桩 , 由 于 桩 端 持 力 土
(岩 ) 层压缩性很低 , 桩的沉降很小 , 并且负摩阻力产生的
附加荷载作用下出现的附加沉降也很小 , 桩土之间的相对
4 结语
在实际的基坑工程中 , 要准确反映土体受力特性十分 困难 。对基坑设计的要求促使对其进行更进一步的分析及 研究 。
(1) 基坑开挖过程中土体的受力特性比较复杂 , 不能 简单地认为某个土体单元卸荷或加荷 , 土体在竖向可能是 卸荷或保持不变 , 但横向就很难确定是加荷还是卸荷 , 具 体要看土与挡土墙相互作用的结果如何 。
基设计规范 》中没有明确的规定 。 《建筑桩基技术规范 》
中采用的有效应力法计算负摩阻力的标准值 , 按照下面的
公式验算桩基的承载力 , 公式 (1) 为 :
γ 0
(N
+
1127Q
n g
)
≤ 116R
(1)
也可以写成 : R
≥γ0 (N
+
1127Q
n g
)
/ 116
(2)
式中 :
γ 0
———建筑物重要性系数
负摩阻力的产生条件可分为三种情况 : 第一种情况是 指土体在自重或水的作用下产生竖向的固结压缩时 , 例如 桩穿越厚度较大的松散填土 (未固结或欠固结 ) 、自重湿陷 性黄土 (浸水饱和 ) 、欠固结土层进入相对硬土层时 , 将产 生负摩阻力 ; 第二种情况是指桩侧存在软弱土层 , 且同时 承受外部荷载 (如地面大面积堆载 ) 时将产生负摩阻力 ; 第三种情况是指由于地下水位降低导致土体中有效应力增 大 , 土体产生显著的附加沉降而产生负摩阻力 。
(2) 土隔离法 。在中性点以上部分桩侧涂沥青或其他 化合物降低桩土摩擦力或在中性点以上 (下转第 113页 )
● 地基基础和岩土工程 《四川建材 》2008年第 1期
压力和时间的关系 。当 t = 0 时 , p = ps; 当 t趋于无穷大 时 , p也趋于 p0 , 这和实际情况吻合 。
1 前言
桩基础作为古老的地基处理方法已经成为土木工程建 设中不可替代的一种基础形式 。其承载力是由桩侧土的摩 擦力和桩端力共同组成 。但在有些地质条件中 , 由于土体 在自重作用下尚未完全固结 , 当土体的沉降量大于桩基沉 降量时 , 桩侧将产生负摩阻力 。负摩阻力对桩产生下拉作 用 , 致使桩基的荷载增加 , 荷载抗力减少 , 沉降增大 , 严 重的还会影响到建 (构 ) 筑物的正常使用 , 甚至结构安全 。 国内外由于负摩阻力而导致的工程事故不在少数 , 给土木 工程建设带来了极大的隐患 。所以负摩阻力在工程中越来 越多的受到重视 , 如何解决此问题也备受关注 。
A —桩截面的周长 ;
li —产生负摩阻力的各层土的厚度 。 对于端承型桩 , 负摩阻力对桩身轴力的不利影响表现
为稳定的 、长期的 。这样的特点使得附加荷载如同固定荷
载一样作用在桩身上 。附加荷载必须与上部荷载迭加以作
为桩身强度的设计荷载 , 才能保证桩身强度的安全度不至
于降低 , 这是在带负摩阻力桩基的设计中应当重视的一个
持力层性质 中性点深度比 L n /L0
粘性土 、 中密 粉土 以上砂
015 - 016 017 - 018
砾石 、 卵石 019
基岩 110
但是对于自重湿陷性黄土地质条件下中性点的确定 , 目前研究尚不明确 。因此在此类地质条件中 , 计算因土体 湿陷而产生的下拉荷载时 , 可不考虑中性点的存在 , 而将 处于自重湿陷性黄土内的全部桩长作为受负摩阻力作用的 长度 。 312 负摩阻力对桩基的影响分析
负摩阻力是在桩的向下位移小于桩周土的向下位移的条件
下产生的 , 桩的向下位移包括桩身的弹性压缩和桩端土的 沉降 。实验证明 , 桩相对土的位移在几毫米之内便可产生 可观的摩阻力 。以图 3 为例 , 桩穿过可压缩土层到达坚硬 的持力层 , 地面下沉量为 Sg , 桩本身的弹性压缩量为 Se , 桩尖下沉量为 Sp , 因桩打入持力层 , 故 Sp很小 , 所以 Sg > Se + Sp , 桩便受到负摩阻力的作用 。由图 4可见 , 在桩身某 一深度 Ln 以上 ,土的沉降大于桩的沉降 ; 在 Ln 以下 , 土的沉 降小于桩的沉降 。因而在 Ln深度处 ,土与桩的相对位移为零 。 故在深度 Ln 以上产生负的摩阻力 , Ln 以下产生正的摩阻力 , 而在该深度处摩阻力为零 , 此点称为桩的中性点 。中性点 处桩截面轴力最大 。
利用岳祖润等人的离心试验结果与计算值作了一个对 比 , 对比结果如表 1。
不同点的不同位移量所对应的计算与实测土压力值 表 1 不同点的不同位移量所对应的计算与实测土压力值
点号
P16
P17
P15
0
109 109100 95 95106 83 81129
015
95 95113 82 82103 71 71109
(2) 基坑工程现场实测结果反映在基坑开挖过程中 , 土体的受力特性比较复杂 。总的来讲 , 基坑开挖过程土体 基本是一个卸荷过程 , 但在局部时刻加荷和卸荷的情况都 可能出现 。
(3) 对于横向受荷情况 , 考虑采用时间和位移的土压 力模型来从本质上分析 , 是比较可行的 , 建议采用基于现 场实测资料的反分析方法 , 根据原位测试的结果 , 在一定 范目内确定 k (ψ) 、 b ( , sa, ψ) 和 n的值 , 从而确定土 压力 。经过实例验证 , 上述方法是可行的 , 这也为支护结 构和土体的受力特性分析提供了一种简单有效的方法 。