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云计算-桩基负摩擦力的研究与计算.pdf
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桩基负摩擦力的研究与计算
1绪论
1.1桩基负摩阻力研究的目的和意义
随着科学技术和经济建设的飞速发展,在不同地基上建造高层建筑物的情
况越来越多。桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物的一种构造,是最古老、
最基本的基础类型,它具有比较大的整体性和刚度,能承受很大的竖向荷载和
水平荷载,稳定性好,沉降值小;能适应高、重、大的建筑的要求。近年来,
随着高层建筑物的大量兴建,桩基础己成为软弱地基处理的一种重要手段,也
是桥梁、港121、码头工程中的主要基础形式。在近代土木工程的发展中。桩基
础起着越来越重要的作用,尤其在现代施工技术、条件不断提高的情况下。桩
的设计长度与荷载也越来越大。如目前,国内己建的最高建筑——上海浦东88
层高420.5m的金茂大厦,桩基础入土深度超过80m;在建的世界第一高楼——
上海浦东94层高460m的环球金融中心,也采用桩基础。因此在很多情况下,
桩基础端部将达到岩层或不可压缩土层:若附近还有大面积填土、堆载等.很
可能会产生负摩阻力。因而负摩阻力的研究探讨也成为桩基础设计中非常重要
的问题。
当地基浅层土质不良。采用浅基础无法满足结构对地基强度、变形和稳定
性方面的要求时,往往需要采用桩基础。结构物荷载通过桩基础传递给地基,
竖向荷载由桩底土层抵抗力和桩侧土产生的摩阻力来支承。当桩穿过并支承在
各种压缩性土层中时,桩主要依靠摩阻力支持上部荷载。但如果桩周出现负摩
阻力,则负摩阻力非但不能为承担上部荷载做出贡献,反而要产生下拉载荷作
用。如果在设计桩基础时不考虑负摩阻力的话,可能造成以下不利影响:
a.桩端地基的屈服或破坏
b.桩身破坏
c.结构物不均匀沉降
近年来,在许多地区尤其是湿陷性黄土地区、沿海城市软土地区和季节性
桩基负摩擦力的研究与计算
冻土地区,由于设计时未考虑负摩阻力的影响而出现较大的差异沉降导致建筑
物倾斜、歼裂而无法使用。因此桩的负摩阻力引起建筑物的损坏正日益引起岩
土工程专家和设计人员的重视。在设计中如何考虑负摩阻力己成为桩基问题研
究的热点之一。
实际工程的桩基础,除少量大直径桩是用单桩基础外,一般都是由多根桩,
上部用承台连接而成的群桩基础。根据群桩在地基上的工作特点,群桩的工作
特性与单桩特性密切相关。只有先对单桩负摩阻力机理透彻了解,才能通过群
桩效应来求群桩的负摩阻力。因此本文从单桩入手,着重阐述了单桩负摩阻力
的传递机理,运用桩土简化模型分析、计算了单桩负摩阻力。
本文研究成果对桩基础设计及单桩承载力的确定有十分重要的理论意义和
实际建议。
1.2国内外研究现状
桩基技术的发展有着悠久的历史,受到工业化发展的巨大影响,桩型和施
工工艺不断的推陈出新,在桩基设计和施工领域出现了许多崭新的概念,例如
疏桩理论、桩基逆作法、热加固成桩…等,桩与其他基础形式或工艺联合使用,
使桩基础在工程建设中应用更加广泛。桩基技术的研究也越来越受到重视。在
现实中许多工程结构由于设计阶段没有很好的考虑负摩擦力,造成结构在使用
过程中由于负摩擦力给桩增加附加荷载引起基础沉降而产生裂缝等工程问题时
有发生。鉴于负摩擦力对工程实践的重要性,负摩擦力己经成为基础工程界的
一个技术热点。
尽管国内外对桩的负摩擦力经做了大量的研究,也取得的了很多研究成果。
但由于桩土体系是一种非常复杂的力学体系,其工程设计方法仍是半理论半经
验的。目前设汁上对负摩擦力问题的考虑主要采取如下措施:把中性点以上或
整个桩的正摩擦力略去不计、适当降低单桩承载力或者提高安全系数。但这些
方法多是从实践经验出发,最可靠的方法还是现场测定桩基负摩擦力,由于时
间资金等原因并不是每个工程在设计豁都能够现场测定。国内外学者结合施工
桩基负摩擦力的研究与计算
进行经验研究,进一步完善理论计算,探求出一些切合实际的计算方法。
国内外关于负摩擦力的研究主要集中在现场实验、室内模型实验和经验公
式三个方面f2】。对于重点工程一般采用现场实验和室内模型实验,得到的结果
比较精确。但桩负摩擦力的原位实验耗资巨大,实验周期长。实验复杂且在土
层的分层沉降的量测方面还有一些问题尚待解决.不能得到大范围的推广。而
经验公式法在结合施工经验的基础上采用一些假设,从桩土相互作用的机理出
发,通过理论计算得到一些结论。这种方法所的结果比较接近实际,而且简单
使用,在实践中广泛应用。
现有的经验公式可分为两大类:总应力法和有效应力法。
总应力法主要有Terzashi&Peck方法、Kerisel方法、现场测试结果应用的
方法等。主要考虑不排水剪切强度、贯入击数。侧向士压力、无侧限抗压强度、
静力触探阻力等因素对负摩擦力的影响,这些参数通过实验较易得到,同时总
应力法简单明了,易于估算。在没有现场实验条件地区的工程建设中广泛应用。
有效应力法计算负摩擦力的方法是1965年由Johanessen和BjelTnm提出的,
经过发展有Zeevaert法、Birrrum法、Garlanger法、Janbu法、Flaate法等.主
要考虑孔隙水压力消散、有效垂直应力、有效内摩擦角。土体的侧压力系数、
塑性指数等对负摩擦力的影响。有效应力着重考虑了孔隙水压力消散引起土体
沉降而产生的表面负摩擦力,根据Biot固结理论可得出负摩阻力随时问的发展
规律,这是较总应力法为优的一个方面。目前有效应力法和基于有效应力法派
生的方法是计算桩基负摩擦力最常用的方法之一。
近年人们在以有效应力法来原理的基础上对桩负摩擦力做了大量的研究,
在许多方面取得一定的成果。其中传递函数法、弹性理论分析法、等彭圆法等
方法在研究桩负摩擦力传递机理、单桩负摩擦力随时间发展和负摩擦力作用下
的群桩效应等方面取得比较大的成果。在工程中应用广泛。
目前国内在对负摩阻力实质研究不够深入、机理还不太成熟的情况下。一
直以来人们都普遍认为根据现场试验来确定负摩阻力毫无疑问是一种可靠的方
法。
桩基负摩擦力的研究与计算
1.3存在的问题
大量事实证明,由于对负摩阻力作用的特点、过程、实质了解不透彻,导
致计算有误,使建筑物破坏,工程失效,不能正常运营。造成不必要的损失和
浪费的例子很多。
德州市某住宅区取暖锅炉房建在杂填土地基上,填土厚度为4~16m不等.
为了减少地基的不均匀沉降,建设单位决定用桩基础穿过杂填土层,桩尖进入
承载力高的土层2m。山于技术人员对基础方案意见不一致,一种意见认为杂填
土太厚,存在负摩阻力,对锅炉房会产生严重的影响。另一种意见认为单层锅
炉房用18m长桩穿透杂填土,且桩尖土为硬塑状粘性土,可谓万无一失,最后
行政领导决定用数据说话,先试桩,确认试桩合格后再进行桩基础施工。试桩
结果单桩承载力远远大于设计荷载,故决定采用桩基方案。
建筑投入使用后仅6个月发现房屋墙体和地面出现犬量斜裂缝。裂缝宽度
最大达20ram,墙体裂缝出现在相对应的杂填土层厚度较大处。事故发生后对
试桩结果进行了分析,认为试桩数据无误,详细调查发现,地基杂填土填筑时
间不超过10年,属欠固结土,锅炉房排灰道漏水,加速了填土层的固结,填土
层固结沉降对桩基产生下拉作用,由于填土层厚度不均匀,使桩基产生不均匀
沉降。
究其原因还是负摩阻力起了关键的不利作用。地基土的自重固结沉降是一
个相当缓慢的过程,而试桩时荷载是在几十个小时之内全部施加于桩顶的,桩
的沉降速度远远大于欠固结土的固结沉降速度。此时土对桩的相对位移方向是
向上的.摩阻力的作用方向办表现为向上的『F摩阻力。固此,造成试桩时负摩
阻力土层表现出难摩阻力。
桩基础工作时,在上部荷载作用下.桩的沉降逐渐趋于稳定,当桩的沉降
速度小于土的自重固结沉降速度时,桩与土相对位移方向发生变化,此时土对
桩的相对位移方向是向下的,桩受到向下的负摩阻力。
先前一直以为现场试验是最可靠的计算负摩阻力方法,但现在看来它并不
是对所有问题都适用。现场试验确定负摩阻力的方法,本来就需花费大量的时
4
桩基负摩擦力的研究与计算
问与金钱,费时费工,耗资巨大:况且现在试验结果又未必百分之百可靠。因
为对于某些特殊地层条件情况下,试桩所需时间太长,根本无法达到实际所需
要的时间。实际试桩通常在相对较少的时问内完成,出此往往产生的偏差,给
设计和施工带来错误的指导,严重的则会造成如上述德州市某住宅取暖锅炉房
一样的后果。而且现场试验法对不同规格的桩在不同的地质条件下都需作不同
的试验,在某个特定地方某根桩的实验结果很难推广到其它地方。
在这种情况下,简化模型法就显示了它的优越性。它可以克服上述试桩所
面临的费时费工问题,同时又能和实际参数相联系,克服了传统的纯理论法的
弊端,即用理论分析和试验相结合的方法来确定桩的负摩阻力的大小。该方法
通过对桩基础负摩阻力的机理进行研究,建立可行的力学简化模型,并利用实
际的参数来推导负摩阻力的计算公式。在这方面国内某些学者也做过了一些研
究,但是考虑桩周土模型方面还不够全面。因此,在实践中如何应用简化模型
来确定负摩阻力,达到少做或不做试桩的目的,是一个有意义有价值的问题,
而且越来越受到人们的重视。
I.4本文主要研究工作
本文论述了单桩负摩阻力传选的机理.并以桩的荷载传递函数概念为基础,
建立了单桩负摩阻力传递机理的力学模型,继而推导负摩阻力公式。
这种方法的基本概念是把桩划介为由许多弹性单元组成,每一单元与土体
之间用非线性弹簧代替,以模拟桩一土间的荷载传递关系。桩端处土也用非线
形弹簧与桩端联系。其实质是将土简化为一系列弹簧,组成桩一弹簧系统的一
维简化模型。
这种方法计算步骤为:
1.根据各土层性质,将性质相近的土层划归为同一层土。
2,根据太沙基固结理论或实测资料确定各层土顶部和底部的沉降量。
3.根据桩周土和桩端土体的性质,选择确定双折线硬化或软化模型及其计算
参数。
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