摘要：分析濕陷性黃土地區(qū)樁側(cè)表面負摩阻力的產(chǎn)生原因，總結(jié)濕陷性黃土地基樁側(cè)表面負摩阻力的研究進展?fàn)顩r，歸納目前國內(nèi)外工程中常用的荷載傳遞計算方法及負摩阻力估算方法。

　　關(guān)鍵字：煤炭科技范文,職稱論文發(fā)表,濕陷性,黃土,負摩阻力

　　前言：在我國大部分濕陷性黃土地區(qū)，樁側(cè)負摩阻力的產(chǎn)生主要是由于自重濕陷性黃土遇水濕陷而形成[1]。由于濕陷性黃土特殊的結(jié)構(gòu)特性，對于自重濕陷性黃土，樁基礎(chǔ)在浸水作用后，樁兩側(cè)土體相對于樁產(chǎn)生向下位移，土體對樁產(chǎn)生下拽力從而導(dǎo)致負摩阻力的產(chǎn)生。樁基主要通過作用于樁端的地層阻力和樁周土層的摩擦力來支撐軸向荷載。當(dāng)由于濕陷性黃土遇水濕陷造成土體沉降大于樁體沉降時，樁側(cè)土產(chǎn)生的摩阻力非但不能為承擔(dān)上部荷載做出貢獻，反而要產(chǎn)生作用于樁身且與荷載方向相同的下拉荷載。這個作用于樁側(cè)單位面積上的力稱為負摩阻力。負摩阻力的不利影響主要是使樁基礎(chǔ)沉降增加和減小樁基承載能力的安全儲備。

　　1單樁負摩阻力研究進展

　　20世紀(jì)40年代后期，樁基負摩阻力問題才逐漸被人們所認(rèn)識，并在前人的基礎(chǔ)上不斷提出負摩阻力、中性點等概念及其計算方法[2]。20世紀(jì)60年代，Terzaghi&Peek最先提出了端承型單樁下拉力計算方法，隨后提出中性點這一概念，并出現(xiàn)多種計算中性點的方法，但中性點的計算受土層性質(zhì)及樁型的影響較多，因此計算中性點也僅限于半經(jīng)驗半理論公式。20世紀(jì)80年代后，國外關(guān)于負摩阻力問題的研究相對減少，這是由于鋼管樁的推廣應(yīng)用大大減少了負摩阻力問題的敏感性。然而我國至今并且在以后的相當(dāng)長一段時間內(nèi)，仍以鋼筋混凝土為材料的灌注樁和預(yù)制樁為主，樁基負摩阻力問題仍然十分突出。

　　1988年，李光煌等在堆載情況下，對深厚飽和軟粘土層中鋼管樁進行了負摩阻力特性現(xiàn)場試驗;1994年，李大展等通過對陜西省渭北某厚度達60m的濕陷性黃土場地擴底樁進行現(xiàn)場浸水試驗，測得了浸水前后樁基的極限承載力、樁體沉降量與浸水時間的關(guān)系和浸水過程中樁基負摩阻力的變化規(guī)律;2005年，馮忠居等通過針對芝川河大橋下行線靠黃河一側(cè)旋挖鉆孔灌注樁進行了現(xiàn)場浸水試驗，分析了浸水前、后樁基承載力性狀，試樁場地為上部約15m厚的濕陷性黃土;2005年冷伍明、律文田等通過對軟土地基中的橋臺鉆孔灌注樁基進行現(xiàn)場試驗，測得了軟土地區(qū)臺背路基填土過程之中和之后，橋臺樁基內(nèi)力和負摩阻力的變化規(guī)律;2007年，黃雪峰等在自重濕陷性黃土厚度大于35m的場地上進行了挖孔灌注樁的大型現(xiàn)場載荷—浸水試驗，測得了無摩擦樁、純摩擦樁、摩擦端承樁和懸吊樁四種類型樁的樁側(cè)負摩阻力及中性點位置與濕陷變形量之間的關(guān)系;2010年魏進等在厚度為15.6~21.8m、濕陷性等級為Ⅱ級~Ⅲ級的自重濕陷性黃土地區(qū)進行了鉆孔灌注樁大型原位浸水載荷試驗。

　　2單樁負摩阻力研究方法

　　目前，國內(nèi)外研究學(xué)者對濕陷性黃土地區(qū)單樁的負摩阻力問題主要從三個方面進行研究：(1)現(xiàn)場試驗研究;(2)室內(nèi)模型與模擬實驗研究;(3)理論分析研究。

　　2.1 現(xiàn)場試驗

　　許多研究學(xué)者對負摩阻力問題進行現(xiàn)場試驗研究，他們通過實驗監(jiān)測出樁身軸力、樁土位移最終求得樁側(cè)摩阻力。1969年Bjerrum et al [3]對挪威地區(qū)一直徑為300mm的鋼樁進行長時間的現(xiàn)場測試研究。試驗中，在樁身和土層中不同深度處布設(shè)傳感器，用以測量樁身壓縮及土體孔隙水壓力的變化情況。測試結(jié)果證明了土的有效應(yīng)力變化對樁土間的荷載傳遞具有非常明顯的影響。1969年，Endo et al[4]在日本對鋼樁的下拉荷載發(fā)展情況進行了長期現(xiàn)場試驗研究。研究結(jié)果表明，由于抽水使地下水位降低，導(dǎo)致地基土發(fā)生固結(jié)沉降，因此在樁側(cè)產(chǎn)生負摩擦力。在我國，研究學(xué)者們對沿海城市的軟土地基因堆載條件下產(chǎn)生的負摩阻力問題進行了研究，代表人物有李光煌(1988)，冷伍明(2005);其次，我國對于自重濕陷性黃土地區(qū)不同樁型下因負摩阻力問題也進行了現(xiàn)場試驗研究，代表人物有李大展(1994)[5]，張厚先(1994)[6]，張獻輝(1996)[7]，劉明振(1999)[8]等。

　　2.2室內(nèi)模型與計算機數(shù)值模擬實驗

　　主要是基于相似比理論，設(shè)計出模擬施工現(xiàn)場工況條件下的室內(nèi)模型，從而得出理論結(jié)果。代表人物為Shibata(1982)，通過單樁、群樁和樁身有無瀝青護層的樁在不同固結(jié)壓力下的模型試驗來研究由于樁側(cè)土的沉降而引起的樁周負摩阻力問題，研究結(jié)果表明樁身使用瀝青涂層能夠有效地減少負摩阻力的不利影響。國內(nèi)研究學(xué)者通過室內(nèi)模型試驗，來模擬在樁周土堆載條件下，對端承型樁和摩擦端承型樁的樁側(cè)摩阻力、樁端阻力的變化規(guī)律，代表人物為楊慶(2008)等。

　　2.3理論分析研究

　　目前國內(nèi)外研究樁基荷載傳遞機理以及負摩阻力的理論分析方法主要有以下幾種方法：

　　⑴ 彈性理論法

　　該法假定土為半無限彈性體或彈塑性連續(xù)體，應(yīng)用Mindlin解來研究樁的荷載傳遞規(guī)律。N.S.Mattes 和H.G.Poulos對于剛性樁的彈性解定性地表明：增大樁端土的模量與樁周土的模量之比或減小樁的長徑比都會增大傳遞到樁端的荷載比例;對于設(shè)在彈性介質(zhì)中的樁來說，當(dāng)長徑比不變時，傳到樁端的荷載比例隨樁的剛度系數(shù)的增大而增加;對于在理想彈性介質(zhì)中的擴底樁，隨著樁的剛度系數(shù)的減小，傳遞到樁底的荷載也明顯地減小，這種減少程度隨著擴大頭直徑與樁身直徑之比增大而更為顯著;在所有情況下，樁身長度的影響最為重要，當(dāng)樁長很長時，用擴大端部直徑來提高單樁承載力是徒勞的[9]。彈性理論法在應(yīng)用上的關(guān)鍵問題是與實際應(yīng)力水平及其他條件相適應(yīng)的彈性模量以及泊松比的取值。

　　⑵ 有限單元法

　　隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們開始用數(shù)值計算方法來解決樁的承載性能以及負摩阻力問題，而數(shù)值分析方法中應(yīng)用最多的是有限單元法。該方法能考慮地基土的不均勻性、非線性和各向異性等特征，可以引入樁和土的應(yīng)力歷史情況，并能考慮樁與土之間的滑移，因此是分析樁的承載性能的有效手段。Wong & The 在用雙曲線彈簧來表征樁土之間的相互作用，并建立了地基土體單樁負摩阻力數(shù)值計算模型;Jeong et al (2004)利用有限元軟件ABAQUS對樁土界面的相對移動對負摩阻力的影響進行了數(shù)值分析等。有限單元法也存在一定的局限性，主要是由于計算所需的參數(shù)難取，目前，該方法還限于用在參數(shù)分析研究以及與實際量測結(jié)果相驗證。

　　⑶ 土的剪切變形傳遞法

　　R.W.Cooke提出了摩擦樁的樁身荷載傳遞的物理模型，假定樁發(fā)生豎向位移時，樁側(cè)摩阻力通過環(huán)形土體單元，由樁身側(cè)面向四周逐層傳遞，剪應(yīng)力也逐漸減小，在這些豎向剪應(yīng)力作用下，周圍土體發(fā)生相應(yīng)的剪切變形，直至距離樁軸nd處，剪應(yīng)變可忽略不計。根據(jù)任意兩個圓環(huán)面上剪應(yīng)力總和相等的條件，導(dǎo)出樁側(cè)土的剪切變形(即樁身位移) 與剪應(yīng)力(即單位樁側(cè)摩阻力 )的關(guān)系式為

　　⑷ 荷載傳遞函數(shù)法

　　此類方法是假定樁由一系列的彈性單元組成，各單元樁與土之間的荷載傳遞關(guān)系，用一系列非線性彈簧表示。樁端土也用非線性彈簧表示，這些非線性彈簧的應(yīng)力與位移的關(guān)系，即表示單位樁側(cè)摩阻力與樁側(cè)土的剪切變形(即樁身位移)間的關(guān)系。

　　2.4規(guī)范對負摩阻力計算的規(guī)定

　　國內(nèi)相關(guān)規(guī)范中考慮樁基負摩阻力問題的計算方法總體上屬于經(jīng)驗法的范疇，所給出的計算公式也簡單易用。例如《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)[10]對中性點深度Ln的確定如下：

　　JGJ 94-2008規(guī)范指出對中性點深度Ln的確定應(yīng)按照樁周土層沉降與樁沉降相等的條件計算。

　　該規(guī)范僅僅考慮樁端持力層性質(zhì)，未考慮樁周土上覆附加荷載以及樁周土層性質(zhì)等，得出的僅為最大中性點深度。據(jù)此設(shè)計的樁基是偏于安全，不經(jīng)濟。

　　此外，《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004)[11]中規(guī)定應(yīng)通過現(xiàn)場試驗來確定負摩阻力的數(shù)值，樁側(cè)負摩阻力的計算深度應(yīng)自樁的承臺底面算至其下非濕陷性的土層頂面為止，實際上所提出的中性點深度也偏保守。

　　3 結(jié)論

　　本文總結(jié)了單樁負摩阻力的發(fā)展概況，并歸納了國內(nèi)外學(xué)者對濕陷性黃土地區(qū)單樁的負摩阻力問題的研究方法，主要從現(xiàn)場試驗研究、室內(nèi)模型與模擬實驗研究以及理論分析研究三個方面進行研究，而理論分析研究又分為彈性理論法、有限單元法、土的剪切變形法以及荷載傳遞方法等。我國的相關(guān)規(guī)范也對單樁負摩阻力的計算方法做出規(guī)定，但也僅限于經(jīng)驗取值。