承受超载作用的桩基性状研究

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1、承受超载作用的桩基性状研究屠毓敏(浙江大学)摘要地基土承受人而积堆载作用时，就会产生沉降，置F这种地基中的桩基础，在土体沉降的作用下，桩侧就会产生负摩擦力。木文从桩一土相互作用的机理出发，建立了置于非均质地基土屮的单桩弹性微分方程,利用太沙基一维岡结理论和土层分层总和法求得堆载作用下土层沉降随深度利时间变化的规律。山此求得置于均质地基土中单桩的弹性微分方程的解析解，用有限差分法研究了非均质地基土屮的情况，并用此法分析了某一工程实例。关键词大面积堆栽、地基沉降、桩基、有限差分法、现场试验。1概述置于软弱地基中的桩基础，当承受竖向荷载作用时，桩侧摩阻力的大小和方向取决于桩

2、土之间的相对■位移。当桩基沉降量大于其周围地基土的沉降量时，桩侧摩擦力方向向上，其值为正；反Z,当桩基沉降量小于桩周地基土的沉降量时，桩侧摩擦力方向向下，桩身出现负摩擦力。在我国沿海一带，地基土一般为近期沉积的淤泥质软粘土，土体往往在自重荷载作用下尚未产牛完全固结,且土层埋置较深，有时为了满足工程建设需要，地基土往往还要承受人面积堆载作用，如火力发电厂的堆煤场和工业仓库，冇时还会出现人为抽取地下水，在这些情况下，地垄土均会产生不同程度的沉降。对于置于这种地基土小的桩基础，在地基沉降大于桩基沉降的范围内，桩少将会产牛负摩擦力，而这种负摩擦力不但不能承担上部荷载的作用，反

3、而使桩基产生下曳作用，致使桩身的轴力和桩端力增人，从而导致桩身结构物的破坏，或使桩端地基土产生屈服，大大降低桩身的轴向承载力，给工程造成很大的损失。桩身负摩擦力的研究，国内外在60至70年代相当盛行，进入80年代，这方面的理论研究则很少。桩侧负摩擦力的确定，对于一般工程常采用中性点法来估算，而对于重要工程，则通常通过现场试验来确定。但就现场试验而言，其费用昂贵，且试验所需时间往往长达数年Z久。用有限单元法研究负摩擦桩问题，无疑是一-种好方法，但是用有限单元分析时，所需的参数较多，工程应用具有一定的局限性。为此，木文从桩一土相互作用的机理出发，推求位于均质地基中的承受超

4、载作用的单桩荷载传递规律的解析解，而当位于非均质地基中时,则采用有限差分法来研究，以供工程设计参考。2堆载作用下的单桩分析当地面承受大面积堆载作用时，地垄土内会产生超静孔隙水压力，随着时间的推移，土体内的超静孔隙水压力逐步消散，土体就产牛固结沉降。迸于这种地基土中的桩基础，由于地基土的沉降人于桩基的沉降量，桩身就产生负摩擦力，而且随着时间的不同而变化较人。2.1堆载作用下的土层沉降分布地基中承受大面积超载作用时，地基中任一点的附加总应力为p(z),当施加荷载的瞬时，〃(z)全部由土中的孔隙水来承担，经过时间/后，孔隙水压力消散，其值变为吆，小此时有效应力的增量为p⑵■

5、临，/),有效应力的变化是地基产生沉降的原因，贝IJ位于深度为Z、厚度为dz的土层，经过时间为f后的沉降量为：dS(z,t)=mv⑵[p(z)-u(z,t)]dz(1)式中：加氐)为土体压缩系数。在大面积堆载作用下，〃⑵沿深度变化不大，在土体压缩层范围内，皿，(z)的变化也可视为较小，则式(1)可简化为：对于大面积堆载作用下的地基内超静孔隙水压力值可用太沙基一维固结理论来估算:22/、4吕1・m7TZ一巴pTvU(z9t)=—pX—sin——e4Ct7Tm=IIT)H式屮T、一#,Q为土体固结系数，H为土体压缩层厚度。则在土层深度z处的沉降量为：(3)4-,S(z,t

6、)=^dS(z,t)dz=mvpj^(l工—??21mrATTmn001.m7iz%二4H“mz、-•sme4)dz=mvp[z-工一(1-cos——)enm=imHm=】7i~nrH(4)地基最终沉降量可按《建筑地基基础设计规范》屮的分层总和法求得，当地面承受人面积堆载作用时，具沉降为：s.=(psmvpH(5)上式中札为沉降计算经验系数，视地质条件而定。由式(4)、(5)可得在大面积堆载作用下，土层沉降随深度和时间的变化规律为：A2z力4mztvS(ZJ)=SJ--L—(1-cos—)c4]II1I(6)上式中，当土体的2平均固结度U>30%吋，可収〃尸1,忽略其

7、后其余各项，则当(7>30%口寸，土体的平均固结度为:U=1__le-TTS则式(6)可表示为：兀〜Z1兀ZS(z^)=SJ---(l-U)(l-cos—)]H2H(n图1为平均I古I结度为60%时，按式(7)求得的土层沉降沿深度的分布规律。2.2单桩弹性微分方程在地面人面积超载作用下，地基土产生沉降，土体沉降作用于桩基上,致使桩基下曳，另一方面，长桩基础一般都支承在地质条件较好的地层中，这就阻止桩基的下沉，同时由于桩基的存在，也会阻止地基土的下沉，这样桩基与其周围土体之间产牛相对位移，致使桩身产牛摩擦力，也就是说，地某土与桩基Z间的相对位移是桩侧