边载作用下隔离桩负摩阻隔离效应分析

笔者对群桩在边载作用下的负摩阻力特性进行研究，分析在不同影响因素下负摩阻力群桩效应，随后对单排隔离桩不同的参数影响效果进行了探究，最终对双排隔离桩对群桩的隔离效果进行研究。

1 绪论

1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
住所是人类在悠久历史上遇到最早的问题之一，为解决住的问题，桩基础有着不可忽视的作用，它是最广泛使用的基础形式之一。早在原始社会就有木桩的存在[1]，在中国古代桩基础设计有着高超的水平，现存的很多古迹中都能够观察到有桩基的存在。桩基础简称为桩基，历史悠久而广泛存在，桩基的作用机理是利用自身比土体大几个数量级的刚度来将基础以上的结构荷载传递到桩周土以及桩端较上层坚硬的、压缩模量较小或者基层岩石上。一般情况下桩基础由基桩和承台共同组成，根据承台是否与土接触分为高承台以及低承台两种桩基。
随着时代变迁与人类社会发展，以及材料、施工设备、施工技术的不断更新，桩基由最初的木桩逐渐演变为钢筋混凝土桩，钢筋混凝土桩有更高承载力和抗变形能力。随着我国建筑业的飞速发展，每个城市的用地也日趋紧张，因此往往需要在土质欠佳地区建造高层、超高层建筑物以及各种具有特殊使用功能的构筑物等，在桩基设计的过程当中，当浅基础不能满足建筑结构对地基的强度、抗变形能力及稳定性方面的要求时，往往需要采用桩基础。由于桩基具有整体性好、刚度大、良好的受力特性以及抗变形能力，能够满足现代建筑对于高楼层、体积大以及建筑结构自重大的需求，因此桩基础在现代建筑中应用的越来越广泛。
由于桩基的设计理论和施工工艺迅速发展，为了满足不同工程的需要，桩的截面形式由最初的圆桩发展到现在不同截面类型的桩，例如工字型桩、支盘桩、X 型桩、Y 型桩等，而桩的布桩形式也变得多种多样。由于建筑高度的不断增加，桩的长度与荷载也在增加。如目前国内最高的建筑——上海陆家嘴 118 层高 632 米的上海中心大厦，桩基础入土深度深达 86m，其他高层建筑使用桩基础的案例也不在少数。
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1.2 负摩阻力研究现状
1.2.1 理论研究
早在 1948 年 K.Tezaghi 和 R.B.Peck 首次提出负摩阻力的概念，1965 年 Johannessen和 Bjerrum[3]提出了最早的计算桩基负摩擦力的方法，有效应力法，但是中性点位置未能通过此种方法计算得出。
赵明华[4]总结了已有的桩基负摩阻力计算方法，改进已有的佐藤梧双折线模型，通过使用荷载传递法建立负摩阻力的基本微分方程，导出了适用于各种土体沉降曲线的负摩阻力解析值，并代入实际工程中进行验证。
熊小平[5]总结了桩侧负摩阻力的计算方法，利用传递函数法分析了负摩阻力沿桩身的传递规律。选择双折线硬化模型作为荷载传递函数模型以及桩端荷载传递函数模型。推导出了桩土相对位移方程、中性点位置、轴力和负摩阻力的解析解，得出负摩阻力对桩基影响的一般规律。
1.2.2 模型试验
Endo 等[6]对日本某工地根钢管桩的桩身下拉力发展情况进行了长达 3 年的现场测试研究，利用总应力法对实测值进行分析。FelleniusBroms[7]研究了桩基负摩阻力在软粘土重塑与固结情况下的变化规律，以及桩侧负摩阻力大小和分布情况在桩顶有竖向荷载作用下与时间的关系。Jeong[8]对地面存在堆载时布桩形式的群桩基础进行了现场试验研究，发现现场试验中当桩与土的相对位移达到 5mm 时，桩侧负摩阻力就达到了最大值。Ergun[9]进行了室内试验发现当桩间距大于等于 5 倍桩径时，负摩阻力的群桩效应可以忽略。
Briaud[10]现场试验发现利用沥青涂层可以有效地降低桩身下拉力和下拉位移。孔纲强[11]进行室内模型缩尺试验，得出桩间距增大，桩身的轴力减小，负摩阻力群桩效应也减弱的结论。
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2 桩侧负摩阻力计算及隔离桩工作机理

2.1 桩侧负摩阻力及中性点的概念
在重力以及附加应力的作用下，土体发生沉降，这种沉降是随着时间的变化而增加并逐渐趋于稳定。桩的沉降量与桩自身的弹性模量以及桩尖处土体的沉降有关，一般情况下，桩沉降比土体固结沉降的速度要快，桩体下沉趋于稳定的时间比土体的短。因此，桩体在很短的时间内有一定的沉降量，与此同时土体的固结沉降比较慢，而在桩的沉降基本稳定之后，此时土体的固结沉降尚未结束，此时土体的沉降大于桩，就产生了对桩体向下的作用力，即负摩阻力。在土体不再产生沉降后，负摩阻力趋于稳定，桩的中性点也稳定下来。
在桩侧表面，一般都有摩擦阻力的存在，但是桩侧表面摩阻力的方向却取决于桩与土之间的相对位移。无论是端承桩还是摩擦桩，侧摩阻力是指桩身与桩侧土之间相对运动时所产生的相互作用力。
在实际工程中，桩基会受到顶部结构荷载作用，在此作用下桩基发生变形与沉降，随之桩的沉降量大于桩周土的沉降量，此时桩周土对桩侧产生向上的摩擦阻力，称之为正摩擦力（图 2-1(a)虚线下部即为正摩阻力），此时桩周土对桩的摩擦阻力起支承作用。由于某些原因，桩侧土体的沉降量大于桩的沉降量，土体对桩产生的力与桩位移方向一致，此时产生的摩擦力为负摩擦力（图 2-1(a)虚线上部为负摩阻力）它不仅不会对桩的荷载起抵抗作用，还会因为此产生的下拉力，成为一个附加在桩身的荷载。

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2.2 影响负摩阻力因素
负摩阻力的分布以及变化都是比较复杂的问题，影响负摩阻力大小的因素有很多，其主要影响因素有：
（1）土体成分。如纯黏土或者含少量砂的粘土，负摩阻力较小，当含砂量增加时，负摩阻力会增大。
（2）土的含水量。含水量减小，负摩阻力增大，反之负摩阻力减小。
（3）软弱地基的下沉速度。下沉速度快，负摩阻力大。
（4）桩的倾斜度。斜桩比直桩所受的负摩阻力要大，桩的倾斜度大于 1:10 时这种现象最为明显。
（5）桩土相对位移。只有桩周土下沉而桩不下沉时产生的负摩阻力最大；桩的沉降量低于桩周土的沉降量时，会产生一定的负摩阻力；当桩与桩周土有相等的沉降量，无负摩阻力产生。
（6）桩所穿过的软弱土层厚度，其值越大，负摩阻力越大。
（7）软弱土层的压缩性，其值越大，负摩阻力越大。
（8）桩体的弹性模量。
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3 边载作用下单桩负摩阻力试验与有限元模拟..........................17
3.1 引言............................17
3.2 室内模型试验..................................17
4 边载作用下单排隔离桩隔离效应分析................................29
4.1 引言.......................................29
4.2 边载作用下群桩负摩阻力特性..........................29
5 边载作用下双排隔离桩隔离效应分析.........................49
5.1 引言........................................49
5.2 单双排隔离桩隔离效应对比.........................49

5 边载作用下双排隔离桩隔离效应分析

5.1 引言
在上章中对单排隔离桩对负摩阻力的隔离效应进行了研究，发现隔离桩对负摩阻力的控制可行且效果较为明显，本章将在单排桩的基础上继续进行研究，对双排的隔离桩不同参数及排列方式对群桩的负摩阻力隔离的效果进行比对。
模型参数、桩的各种参数及模型本构同上章，边载等级均为 100kPa，此处不再赘述。双排桩分布示意图如图 5-1 所示。

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6 结论与展望

6.1 结论
本文进行了室内单桩缩尺边载试验，并对其进行数值模拟，分别对比试验与数值模拟的结果，对单桩的轴力与负摩阻力进行比对，验证了有限元模拟的可行性，在此基础上进一步进行拓展，对群桩在边载作用下的负摩阻力特性进行研究，分析在不同影响因素下负摩阻力群桩效应，随后对单排隔离桩不同的参数影响效果进行了探究，最终对双排隔离桩对群桩的隔离效果进行研究，总结得出如下结论：
1.边载等级增大，群桩的间距增大、桩土界面的摩擦系数增大时，群桩内部的桩身侧摩阻力遮挡效应系数大于群桩外侧；与一般的堆载情况不同，负摩阻力群桩效应系数随着边载等级的增大而减小，即群桩效应随着增强；摩擦系数与群桩桩距增加，负摩阻力群桩效应系数随着增大，即摩擦系数的增大会导致各桩受摩擦阻力增大。
2.分别改变隔离桩的排列长度、与群桩最外侧距离、桩间间距、桩长与桩径，设有隔离桩时群桩的轴力都比没有设置的时候要小，从受力上讲，隔离桩排列长度为群桩的3 倍时隔离效果较好，实际工程中考虑到造价及占用地情况，隔离桩采用 2.33 倍群桩排列长度较为合适；隔离桩距群桩最外侧桩越近时对群桩的隔离效果较好，因为其距离越近，隔离桩的遮拦效果越强；对比不同边载等级下隔离桩桩间距的隔离效果，发现隔离桩桩间间距设置为 2d 较为适宜；群桩的负摩阻力遮挡效应系数随着隔离桩桩长增加而增大，隔离桩桩长增至群桩 1.5 倍桩长时最大，考虑施工成本与方便施工，采用 1.25 倍桩长较为适宜；当隔离桩直径增大可以有效增加隔离桩的隔离效果，但是在实际工程中，考虑到造价问题，采用与群桩同等大小的桩径较为适宜。
3.改变隔离桩桩型，控制各桩型周长基本一致，分别对比不同排列长度下不同桩型的负摩阻力群桩效应系数及遮挡效应系数，各隔离桩作用下的负摩阻力群桩效应系数大小为：工字形桩 X 形桩 方桩 圆桩，即工字形桩作为隔离桩时负摩阻力群桩效应最强，群桩所受的负摩阻力最小，说明工字形桩作为隔离桩时比其他桩的隔离效果好。
参考文献（略）