桩基础负摩阻力的计算

 
时间日期:2009-4-14        已被阅读次:[4893]
 
佛山南方建筑设计院企业 卢传香 陈伟明

  摘 要 分析摩阻力与轴力的关系、负摩阻力产生的原因以及负摩阻力对桩的影响,阐述负摩阻力的计算方法。
  关键词 桩 负摩阻力 计算方法

  引 言
  一般情况下,桩受轴向荷载作用后,桩相对于桩侧土体作向下位移,使土对桩产生向上作用的正摩阻力。但是,当桩周土体因某种原因产生下沉,其沉降速率大于桩的下沉时,则土层相对于桩侧向下位移,产生于桩侧的向下的摩阻力则称为负摩阻力。负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分,反而变成施加在桩上的外加荷载,对入土深度相同的桩来说,若有负摩阻力产生,则桩的外荷载增大,桩的设计承载力相对降低、沉降加大,这时就不能忽略它的存在。
1 负摩阻力的产生
  在桩顶竖直荷载作用下,桩身横截面产生了轴向内力和位移,由此桩土之间就有了相对位移,于是土对桩侧产生了摩阻力,相应于桩尖的位移,则产生了对桩端的阻力。通过桩侧摩阻力和桩端阻力,桩将荷载传给土体。即桩侧总摩阻力和桩端阻力之和等于桩顶轴向荷载。如果在进行单桩竖向静载荷试验时,沿桩身某些截面预先设置量测应力和位移的元件(传感器),那么便可以得到桩顶荷载Q作用下的桩顶位移δo(桩顶位移s=δo)和桩身任一深度z处的轴力Nz、位移δz以及桩端的轴力N1、位移δ1,从而可以了解桩的工作性状。图1表示桩顶在某级荷载Q作用下沿桩身的截面位移δz、桩侧摩阻力τz和轴力Nz的分布曲线。桩侧摩阻力表征桩土之间通过桩侧传递荷载的能力,称为荷载传递量,它与桩土性质和相对位移有关,体现了桩土之间的相互作用。取出桩身某一深度长度为dz的一单元体,该单元体上下截面和侧面的受力情况如图1(a)所示,设桩的横截面周长为U,根据该桩体单元体的受力平衡条件可得:
  Uτz dz+Nz+dNz- Nz=0 (1)
  则:τz= (2)
  上式表示摩阻力与轴力的基本关系。式中,摩阻力向上时τz 取正号,这时Nz随着深度的增加而减小;如果Nz随着深度的增加而增大,则τz 为负值,其方向向下,这就表明出现了负摩阻力的情况。
  从工程实际上来说,桩侧产生向下的摩阻力是由于桩周土体因某种原因发生了下沉,其沉降速率大于桩的下沉,土层相对于桩侧产生向下的位移,于是桩侧出现了负摩阻力。工程上常见的应考虑桩侧摩阻力的情况有:(1)桩周存在欠固结土层;(2)桩侧存在软土层,且地面大面积堆载(包括新近填土);(3)桩基完工后桩侧土层中地下水位下降等。
2 负摩阻力的计算
  桩侧负摩阻力问题,实质上和上述摩阻力一样,如果已知桩截面位移、土层位移及其与负摩阻力之间的关系,就可以确定桩侧负摩阻力的分布和桩身轴力的变化以及桩的沉降了。
   图2a表示一根承受竖向荷载的桩。桩身穿过正在固结中的土层而达到坚实的土层。在图2b中,曲线1表示土层不同深度的位移;曲线2为该桩的截面位移曲线。曲线1和曲线2间的位移差(图中阴影部分)为桩土之间的相对位移。交点(O1点)为桩土之间没有产生相对位移的截面位置,称为中性点。在O1点之上,土层产生相对于桩身的向下位移,桩侧出现负摩阻力τnz。在O1点之下的土层相对向下位移,因而在桩侧产生摩阻力(或称正摩阻力)τz。图2c、d分别为桩侧摩阻力和桩身轴力的分布曲线。其中Qn为中性点以上桩身负摩阻力累计值,又称为下拉荷载;FS为中性点以下正摩阻力累计值,在中性点处桩身轴力达到最大(Q+Qn),而桩端总阻力则等于[Q+(Qn+FS)]。
  由于桩周土层的固结是随着时间而变化的,所以土层竖向位移和桩身截面位移都是时间的函数。在一定的桩顶荷载Q作用下,这二种位移都随时间而变,因而中性点的位置、摩阻力以及轴力都相应发生变化。如果在桩顶荷载作用下的截面位移已经稳定,以后才发生桩周土层的固结,那么土层固结的程度和速率是影响负摩阻力的大小和分布的主要因素。固结程度高,地面沉降大,则中性点下移;固结速率大,则负摩阻力增长快。不过负摩阻力的增长要经过一定时间才能达到极限值。随着负摩阻力的产生和增大,桩端处的轴力增加,桩端沉降也增大。从而桩土相对位移减小和负摩阻力降低,并逐渐达到稳定状态。
  2.1 中性点位置的确定
  确定桩身负摩阻力的大小,就要先确定产生负摩阻力的深度和负摩阻力强度的大小。桩身负摩阻力不一定发生于整个软土层中,产生负摩阻力的范围就是桩侧土层对桩产生相对下沉的范围,也就是中性点以上的范围。
  中性点位置的确定比较麻烦和困难,目前多采用依据一定的试验结果得出的经验值,或采用近似的估算方法。当缺乏经验及实测资料,没有相似条件下的工程类比经验作参考时,可按表1及工程地质条件确定,其中Ln为中性点距桩顶深度,Lo为桩周土沉降为零处距桩顶的深度。
  2.2负摩阻力强度的计算
  中性点以上土层的负摩阻力强度可按下列公式估算:
  qsi n =σvi'koi tgβi' (3)
  σvi'=p+γizi-ui (4)
  式中 σvi'——桩周第i土层的竖向有效应力;
   P——地面堆载,包括大面积填土;
   γi——第i土层底以上土按厚度计算的加权平均重度,在地下水位以下时用有效重度;
   zi——由地面算起至i土层中点的深度;
   ui——第i土层中国足球协会超级联赛静孔隙水压力,不易测得可近似取零; βi'——第i土层土的有效内摩擦角;
   koi ——第i土层土的静止侧压力系数。
  式(3)中的负摩阻力系数ko tgβ'也可按表2取值。
  
由于桩负摩阻力的计算都只能是经验性的,有经验或相似条件的工程实例作参考时,可取qsi n近似等于qsia估计负摩阻力强度。
  2.3 总负摩阻力的计算
  求得负摩阻力强度qsi n后,乘以产生负摩阻力深度范围内的桩身表面积,则可得到作用桩身总的负摩阻力Qn,即
  Qn=up Σqsi n Lni (4)
  式中 up ——桩周长
   Lni——负摩阻区第i土层的厚度。
  当满足桩最小中心距的要求时,群桩的负摩阻力可视为各单桩负摩阻力之和,但按式(4)算得的负摩阻力不应大于中性点以上的桩间土重。
  具体到工程实际中,常见的计算方法有:(1)桩端持力层为软、可塑粘土,可以产生较大沉降,桩侧负摩阻力在达到最大值后,随着桩的沉降负摩阻力减小、卸载,对于这种情况,一般可采用不计中性点以上的桩侧摩阻力的办法考虑负摩阻力的影响;(2)桩端持力层为密实砂、砾砂、卵碎石或基岩等坚硬土,不易产生沉降,负摩阻力可以达到较大竖直,则应将负摩阻力作为附加下拉荷载验算中性点处的截面承载力。
  2.4 单桩承载的验算
  验算单桩承载时,负摩阻力作为外荷载计,计算单桩容许承载力[Q]时,只计正摩阻力,即
   Q+ Qn ≤[Q] kN (5)
   [Q]=1/2(FF+NF) kN (5)
  式中 Q——桩顶轴向荷载(kN);
  FF——桩侧极限正摩阻力(kN);
  NF——桩底极限阻力(kN)。
  3 结束语
  负摩阻力产生的后果主要反映在桩基下沉量的增加或发生基础不均匀沉降而影响建筑物的使用,甚至导致建筑物的损坏。另外对桩身进行处理也可以减少负摩阻力值,例如桩身涂上处理后的沥青、油漆等。
  参考文献
  [1]GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》
  [2]DBJ15-31-2003《建筑地基基础设计规范》(广东省标准)
  [3]吴湘兴《建筑地基基础》(华南理工大学出版社)
  [4]凌冶平《基础工程》(人民交通出版社)
     
 
 
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