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软土地基桩侧负摩阻力亟待解决的几个关键问题

1 中性点的确定

前面说过桩基负摩阻力产生的原因,但是如何正确计算负摩阻力导致的下拉荷载,需首先解决的一个关键问题就是中性点深度如何合理确定。中性点深度受到桩土相互作用的各种因素的影响而呈明显的动态变化,考虑中如何反映施工过程以及以后使用过程中可能遇到的因素变化等,对于负摩阻力桩的合理设计等意义重大。由于中性点是桩土相对位移为零的点,而桩的压缩变形较易确定,故从土体沉降量的准确计算方面来确定中性点深度。(中性点唯一吗?不见的)

2 现场原位测试及测试技术

由于桩土相互作用的复杂性、原位测试费用等原因,桩侧表面负摩阻力的现场原位测试仍然少见。仅仅依靠那些层层简化的理论公式或者实测数据不多的经验公式是解决不了问题的,将来将会出现越来越多的负摩阻力问题,如城市中的环境岩土工程问题、沿海沿江超高填土码头、围海造陆工程等都不可避免遇到负摩阻力问题。从规范角度强调应做一定比例的桩的负摩阻力原位试验,这对于验证并完善桩基负摩阻力的计算方法等具有重要意义。另外,在存在负摩阻力的桩基中,桩基的静载试验如何反映负摩阻力的存在及大小一直是一个难点。建议对重大工程应采用先进测试仪器做负摩阻力的长期测试观测,包括桩、土体各控制断面点的沉降以及桩身轴力测试等,同时应做好优化工作

3 桩侧负摩阻力的合理计算

实际上桩侧表面负摩阻力的发挥及大小与桩土的相对位移密切相关,因此桩侧负摩阻力并不是都同时达到极限,即具有不同步性。而目前的研究中,基本上都是采用理想弹塑性模型,即认为桩侧负摩阻力发挥到极限值后保持恒定,而实际情况远非如此,这主要是由桩土相互作用的复杂性所决定的。特别是近年来各种大直径超长桩以及各种新型桩的出现,对桩侧表面负摩阻力的确定提出了新的课题与挑战。对特定类型地基土体可通过室内模型试验,结合有关现场测试数据,建立起负摩阻力与桩土相对位移的关系以及负摩阻力与地表沉降量之间的关系,从而才能更科学地计算负摩阻力产生的下拉荷载。

4 桩土界面摩擦试验亟待加强

各种地下结构与岩土体的共同作用研究能否反映实际,除了结构与岩土体本构模型外,还可以说在于两者界面力学特性能否反映实际,国内外较多学者对此也做了大量研究,如Goodman、Desai、Bosscher、Clough、Zienkiewicz及国内的殷宗泽[殷宗泽,朱泓,许国华.土与结构材料接触面的变形及其数学模拟[J].岩土工程学报, 1994, 16(3): 14-22]等。桩土的共同作用机理也不例外,正确了解桩土接触面力学特性并选定合适的力学参数,对于正确计算桩侧表面负摩阻力等具有重要意义,因此对桩土界面的力学特性及参数进行专门研究很有必要。目前国内水利系统的坝基工程对界面摩擦试验研究较多,而实际上坝基与岩土体的摩擦界面与桩土体摩擦界面的受力条件不同,前者的法向压力多为常压力,而后者的法向压力多呈线性变化。另外,各种材料类型的桩与土体的界面的粗糙程度也不一样,如:钻孔桩的桩-土界面较粗糙,预制桩的桩-土界面较光滑。文献[胡黎明,濮家骝.土与结构物接触面物理力学特性试验研究[J].岩土工程学报, 2001, 23(4): 431-435]研究了砂土与结构的界面相对粗糙度对接触面力学性质和变形机理的影响。建议结合现有桩土界面摩擦试验成果,通过有关典型的负摩阻力实测数据来反演桩土界面力学参数具有重要意义。

5 结构性软土损伤对桩负摩阻力影响研究


从广义上讲,土都具有结构性。不同的学者对黏性土的结构性研究表明:结构性强的原状黏性土具有明显的结构屈服压力Ps,且Ps均大于上覆有效压力[张诚厚.两种结构性黏土的土工特性[J].水利水运科学研究, 1983, (4): 65-71. 沈珠江.软土工程特性和软土地基设计[J].岩土工程学报, 1998, 20(1): 100-111]。沈珠江(1998)、龚晓南(2000)等的研究表明[龚晓南,熊传祥,项可祥,等.黏土结构性对其力学性质的影响及形成原因分析[J].水利学报, 2000, (10): 43-47. 熊传祥,龚晓南,等.软土结构性对桩性状影响分析[J].工业建筑, 2000, 30(5): 40-43]当黏性土的结构性被破坏即损伤后,其强度性质及固结系数均发生急剧降低,最后与重塑土的性质相同。因此结构性强的软土损伤将对地基沉降产生影响[孙红,赵锡宏.结构性软土的损伤及其对地基沉降的影响[J].岩土力学, 1999, 20(1): 19-26],进而直接影响桩土的相对位移,故对桩侧表面负摩阻力将产生根本性影响。建议重点分析软土结构性破坏后对土体的力学及变形指标主要是土体压缩模量、内聚力、内摩擦角以及土体固结系数等的影响,从参数敏感性分析角度来研究软土结构性损伤对桩负摩阻力的影响。

6 软土流变效应对负摩阻力的影响研究

流变性实际上包含蠕变、黏滞、松弛、长期强度等方面,其主要的工程表现为变形的长期性,软土因具有大孔隙比、高含水量、高压缩性等特点,其流变性将更加明显[谢宁,孙钧.上海地区饱和软黏土流变特性[J].同济大学学报, 1996, 24(3): 233-237]。若在设计中对软土的流变性认识识不足,则对软土地基中的各类建(构)筑物可能产生的下拉荷载预估不充分,必将导致一些工程隐患。利用合适的流变模型来计算桩、土体沉降量,进而确定桩基中性点深度,并通过负摩阻力与桩土相对位移的关系等最终确定下拉荷载的大小。

7 负摩阻力的施工效应分析

施工因素将使得负摩阻力的产生与变化以及负摩阻力荷载和上部结构荷载的组合过程变得复杂。例如,打入桩基的负摩阻力及其对桩基沉降的影响,不仅涉及到桩与桩基几何尺寸、桩周土类型与渗透性,还涉及到群桩和上部结构施工等因素。文献[袁灯平.软土地基桩侧表面负摩阻力的确定方法研究[D].徐州:中国矿业大学, 2002]利用三维有限元分析模型,分析了填土堆载作用下桩侧表面负摩阻力随上部结构施工过程的动态变化规律结果表明负摩阻力产生的下拉荷载随施工过程呈非线性变化。但由于岩土工程的复杂性,施工因素复杂,对负摩阻力的施工效应仍需大力研究,建议目前仍以数值计算方法为主。

8 水平荷载对负摩阻力的影响研究

建在软土地基上的高速公路桥涵工程以及港口高填土高桩码头中,桩基在承受下拉荷载的同时往往还要承受桩侧填土或者波浪力等产生的水平推力作用,以前的研究多集中于竖向荷载作用对桩基水平承载力的影响或者仅仅在竖向荷载作用下来讨论负摩阻力问题,而关于水平荷载对负摩阻力及下拉荷载影响的研究目前还未见有相关文献。建议可从水平荷载对桩土竖向变形及对桩侧摩阻力两方面的影响来着手研究。

9 群桩负摩阻力计算


和承受正摩擦力的群桩一样,承受负摩擦力的群桩也具有特殊的群桩效应。群桩中平均每根桩负摩阻力比单根桩小,群桩中作用于边桩和角桩的负摩阻力大于中心桩上的负摩阻力,这就是负摩阻力的群桩效应。由于群桩—土体—承台的复杂的共同作用,使得中间桩桩土相对位移减少,从而使内部桩段上的负摩阻力大大减弱甚至消除,导致桩体的中性点上移,降低了群桩的总体负摩阻力。以往的研究主要是借鉴承受正摩阻力群桩的做法而引入一个负摩阻力群桩效应系数η,而截至目前,国内外对承受正摩阻力的群桩效应问题还没有完全解决,再加上近年来大直径超长桩及超大规模群桩基础的出现,对承受正、负摩阻力的群桩的研究均提出了新的更高的要求和挑战。借鉴群桩效应系数的优点,通过对比室内单、群桩模型负摩阻力试验结果,通过数值计算方法进行复杂群桩的负摩阻力分布的研究。

10 软土地区消减桩基负摩阻力的优化工程措施

目前,主要从桩身几何构造、软土地基本身、改善桩土界面特性以及施工等几个方面采取相应工程措施来消减桩侧表面负摩阻力。如:在桩的承载能力满足要求的前提下,可尽量减小桩径、降低桩体刚度;采用适当的地基处理措施以减少桩周土层沉降;采用沥青涂层以增加桩土界面的光滑程度;采用套管法或隔离桩法来承受下拉荷载;施工时采用合适的施桩顺序、施桩速度等,基坑开挖应确保支护结构的稳定性,以及高填土及上部结构的分段施工等措施均有利于减小桩侧表面负摩阻力及下拉荷载。采用更为经济、有效的消减负摩阻力的优化工程措施是发展所需。原文作者:袁灯平,黄宏伟,程泽坤. 软土地基桩侧负摩阻力研究进展初探[J].土木工程学报 , 2006,Vol·39 No·2.

2010-1-13 作者 readwiki 发布于分类: 岩土工程 | 关键字 : 负摩阻力 桩基 | 浏览 | 评论 0
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