堆載作用下端承樁負摩阻力分析

朱 濤

(福建省地質工程勘察院，福建 福州 350002)

堆載作用下端承樁負摩阻力分析

朱 濤

(福建省地質工程勘察院，福建 福州 350002)

基于有限元模擬樁土相互作用，簡要分析了大面積堆載作用對端承樁樁身負摩阻力大小及中性點位置的影響，指出樁基負摩阻力隨樁周土體固結時間的增長而增大，中性點位置隨固結時間的增大而不斷加深，隨著堆載的增加，樁身承受的負摩阻力隨之增加、中性點位置逐漸加深，而且負摩阻力引起的樁身附加軸力也隨之增大。

堆載，負摩阻力，中性點，固結，時間效應

0 引言

樁基負摩阻力廣泛存在于樁基礎中，已成為近年來樁基礎研究中的熱點問題之一。樁周土體相對于樁身產生向下的位移，土對樁產生向下的摩擦力，即為負摩阻力。負摩阻力產生的具體原因主要是樁周土體的固結沉降，如地下水位降低引起有效應力增加使土體產生固結沉降、地面堆載作用導致樁周土固結沉降等。

Bjerrum，Bozozuk等[1]對挪威一組端承鋼管樁進行長時間的現場測試研究，觀測了負摩阻力的發展變化過程，實驗研究表明，負摩阻力的出現和發展是一個復雜而漫長的過程。地面堆載使樁周土體內樁周土產生超靜孔隙水壓力，隨超靜孔隙水壓力消散，土體再次發生固結沉降，改變樁土相對位移，當樁周土沉降大于樁體沉降時，土體對樁體產生向下的摩擦力，這種摩擦力會增加樁基承受的荷載，使樁基的沉降增加，降低樁身承載性能。因在樁基設計時未充分考慮負摩阻力的影響，致使結構出現變形的案例比比皆是，本文基于有限元數值模擬方法，簡要分析地面堆載對樁基負摩阻力的影響。

1 模型建立

建模依據有限元ADINA要求，采用2-D實體模型對稱建模，樁體及樁周土均采用4節點單元進行劃分，詳見圖1；對模型邊界施加荷載[2]，土體本構模型采用彈性屈服準則(摩爾—庫侖準則)進行模擬[3]，模擬樁體在樁頂荷載作用下完成沉降后，地面堆載對樁身負摩阻力的影響，土體物理力學參數如表1所示[4,5]。

表1 物理力學性質指標表

土層名稱厚度/m重度/g·cm-3壓縮模量/MPa粘聚力/kPa內摩擦角/(°)粉質粘土181.874.41820.5粉質細砂>101.9719.1430.8

2 結果及分析

2.1 堆載對樁身摩阻力的影響

地面堆載一方面瞬時壓縮樁周土，另一方面加速樁周土體的固結，使土體的沉降增加改變樁土相對位移。地面堆載大小及堆載方式均會影響樁身摩阻力的形成和發展。

圖2可以看出，樁周有無堆載，在固結時間(350 d)，摩阻力大小和方向區別明顯。無堆載的情況，樁基摩阻力為正，即土體對樁產生向上的摩阻力。從樁周堆載1 000 kPa摩阻力曲線反映出，地面堆載使上部土層沉降增加，樁周土體沉降大于樁身沉降，樁身產生負摩阻力。由于軟粘土自身固結沉降大，所以即使在無地面荷載作用時，樁身也會產生負摩阻力，只是出現的時間較晚，且其產生的負摩阻力也要比有樁周堆載作用產生的負摩阻力小。

樁身負摩阻力分布曲線中的拐點，是由于受樁周土體的物性影響而產生[6]。地面堆載加速了上層土體中孔隙水的排出、有效應力迅速增大，土體沉降增大，所以負摩阻力的數值會急劇增加。由于樁周土體為粉質粘土滲透系數較小，在地面堆載的作用下樁周土體產生相當的沉降量后，下層土體內的孔隙水壓力轉而增加(與曼代爾—克雷爾效應相似)，所以負摩阻力逐漸下降。

2.2 負摩阻力的時間效應

樁周土體的固結沉降與摩阻力的產生和發展密切相關，因此負摩阻力的形成和發展如圖3所示，具有時間效應。

由圖3可以看出，樁身負摩阻力的產生是一個從無到有、沿樁身從上到下的發展過程；摩阻力的大小沿樁身深度增加呈減小趨勢。隨著堆載作用時間的延長,土體固結沉降增大，樁土相對位移隨之增加(土體位移增大，樁身位移不變)，樁身負摩阻力逐漸增加，樁土相對位移為零的位置沿樁身向下發展，即中性點(摩阻力為零的位置)的位置也逐漸變深。

2.3 中性點位置

在樁土相對位移為零的位置樁土之間沒有相互摩擦力，我們稱此位置為中性點。有限元模擬結果表明，樁周土體的沉降隨樁周堆載的增加及堆載作用時間的延長而增加。

圖4可以看出，在相同地面荷載作用下，地面荷載作用時間越長，中性點位置越深；在固結時間相同時，地面堆載荷載越大，中性點位置越深。總之，端承樁在樁周堆載作用下，中性點的位置從淺向深發展，并隨著堆載的增加和作用時間的延長，中性點的位置逐漸變深。分析認為隨樁周堆載越大，土體的沉降越大；堆載作用時間越長土體的固結沉降越大；兩者均增加了樁土相對位移，而樁身位移不變，所以樁土相對位移為零的點位置逐漸變深，即中性點位置變深。

2.4 堆載對樁身軸力的影響

研究表明，負摩阻力引起附加軸力最大可以達到樁頂荷載的40%左右，占穩定狀態下樁身最大軸力的30%[7]。因此，樁基設計時必須充分考慮負摩阻力引起的樁身軸力，如果樁基設計時的樁身強度儲備不足，后期地面大面積堆載將會引起樁身的破壞。以樁頂荷載為5 000 kPa、地面堆載為1 000 kPa的端承樁為研究對象，分析堆載作用引起樁身軸力的變化情況。

端承樁在樁頂荷載作用下，樁相對于樁周土產生向下的位移，土對樁體產生向上的摩阻力，所以樁身軸力沿樁身逐漸減小，如圖5所示。

圖6為樁周堆載1 000 kPa時軸力隨時間的變化圖，在堆載作用320 d過程中，樁身軸力最大為14.80×103kN，其中附加軸力為4.80×103kN，占樁頂荷載的47.8%，達到穩定狀態時樁身附加軸力為3.20×103kN。樁身軸力及附加軸力所占樁頂荷載的比例具有明顯的時間效應，具體表現為隨樁周堆載時間增長樁身軸力逐漸增大、附加軸力占樁荷載的比例逐漸增大。樁身軸力隨著樁身深度增加呈現先增加后逐漸減小的趨勢，其原因為隨著樁周荷載作用時間的延長，孔隙水壓力逐漸消散、有效應力增加、固結沉降增大，土體沉降大于樁身沉降，并且其相對位移不斷增大，使樁身負摩阻力增加，樁身軸力不斷增加，而在中性點位置以下，由于土體對樁有向上的摩擦力作用，致使樁身軸力減小。

3 結語

1)在端承樁樁周為軟土或欠固結土層時，由于樁周土未達到充分的固結，受地面堆載作用，軟土或欠固結土層發生固結沉降，使樁基產生負摩阻力。因此，在軟土及欠固結土層地基打樁之前，可以通過地面堆載預壓，有效減小樁基負摩阻力帶來的影響。

2)地面堆載加速了樁周土的固結沉降，因此對樁身負摩阻力的發展以及中性點的位置有較明顯的影響。數據模擬表明，樁身負摩阻力大小及中性點位置隨著地面堆載的大小而改變。變現為堆載越大中性點位置越深、樁身負摩阻力也越大。

3)地面堆載使樁身產生負摩阻力，由此引起樁身軸力大于正常受荷載樁基，且堆載作用時間對樁身軸力的發展影響明顯。

[1] Bjerrum L,Johannessen I J,Eide O.Reduction of negative skin friction on steel piles to rock[A].Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C].Mexico City,1969:27-34.

[2] 岳 戈,陳 權.ADINA基礎與實例詳解[M].北京：人民交通出版社,2008.

[3] 錢家歡,殷宗澤.土工原理及計算[M].北京：中國水利電力出版社,1996.

[4] 夏力農,印長俊,苗云東.堆載作用下樁體彈性模量對負摩阻力形狀的影響[J].巖土力學,2009,30(S2):334-338.

[5] 程學軍,李繼良.樁基設計中考慮負摩阻力時中性點位置的確定[J].巖土工程技術，1999(1):34-36.

[6] 孫軍杰,王蘭民.樁基負摩阻力研究中幾個基本問題的探討[J].巖石力學與工程學報，2006,25(1):211-216.

[7] 夏力農,聶重軍,劉建平.基樁負摩阻力時間效應的有限元分析[J].湘潭大學自然科學學報，2009,31(1):109-112.

Analysisonnegativeskinfrictionofendbearingpileundersurfaceload

ZhuTao

(GeologicalEngineeringSurveyinFujianProvince，Fuzhou350002,China)

Based on finite element analysis on pile-soil interaction by means of ADINA simulation, the effect of large-area surface load on negative skin friction and neutral point was analyzed. It was shown that the position of neutral point of pile shaft varied with the consolidation time of surrounding soil and the magnitude of surface load. The results also show that negative skin friction of pile increases with the consolidation time under heaped load, and the neutral point decreased thereupon. Furthermore, with the increasing of the surface load, the position of neutral point obviously tends to deepen and axial force increases.

surface load, negative skin friction, neutral point, consolidation, time effect

TU473

：A

1009-6825(2017)24-0070-02

2017-06-17

朱 濤(1965- )，男，工程師