软基桩侧负摩阻力弹塑性分析及几个关键问题

袁灯平

(上海市岩土工程检测中心 上海 200072)

1 概述

在软土地基中，当桩周土层下沉量大于桩身下沉量时将产生桩周负摩阻力，可能会造成桩身破坏、桩端地基屈服或破坏以及上部结构不均匀沉降。如何合理地考虑桩基表面负摩阻力对桩基础的作用，是桩基设计中长期存在的问题之一[1]，[2]。特别是在软土地基的桩基实践中，工程设计人员对于要不要考虑负摩阻力以及如何考虑负摩阻力等问题一直模糊不清，常常感到较为棘手甚至束手无策。目前，大多数关于负摩阻力的研究都是针对端承桩，而软土地区常采用的摩擦型桩桩侧表面负摩阻力的研究则相对薄弱。基于此，为了真实反映桩土共同作用机理，本文考虑桩土接触面效应，以三维弹塑性有限元为手段，模拟了某软土地区桩基在填土堆载作用下不同影响因素下的工作性状；同时，对以后关于负摩阻力的研究中仍亟需解决的几个关键问题等进行了探讨，期望能为类似条件下桩基础的设计及施工提供一定的参考。

2 数值试验模型

2.1 几何模型及单元选取

桩土共同作用属于空间问题，考虑到模型的对称性，可取1/4原型进行数值试验研究。本文选取某典型软土地区一工程桩（桩径D=700mm）作为原型桩来进行数值模拟分析。经试算，本文实体模型土体宽度方向取约20R（R为桩的半径），由于2倍桩长范围内存在中、微风化基岩，因此土体深度方向取到基岩面。

模拟时，土体单元选用具有塑性功能的三维八节点实体单元，桩体单元选用三维八节点混凝土单元。为了模拟桩土共同作用的实际情况，在桩土界面间设置了零厚度接触面单元，选用的接触模式如图1所示。利用该接触面单元能够较好地反映桩土在荷载作用下的相互作用性状。

图1 桩土接触模型

2.2 数值试验模型参数

模型中所用土层的物理力学参数根据工程地质报告提供参数选取。

桩体模型物理力学参数为：E=30GPa，ν=0.17，γ=25.0kN/m3。

由于无实际的桩土接触面试验参数，因此只能根据工程地质报告提供的土体力学性质参数，参考有关资料和作者的经验进行综合确定。为保证桩土之间不发生过大的法向嵌入变形，桩土界面的法向刚度kn取一个较大的值，切向刚度ks取一个较小的值。

2.3 边界条件及模型求解

模型边界条件设置如下：上表面取地表自由边界；下表面取X、Y、Z三方向位移固定位移边界；桩体及其两侧土体边界面为对称位移约束边界；背后两界面分别取相应水平向位移固定约束。根据以上条件建立桩土相互作用弹塑性有限元分析模型如图2。

图2 桩土相互作用三维有限元分析网

3 影响因素分析

模拟发现，在无填土堆载时，在桩顶荷载作用下，桩身荷载和桩身位移随深度递减，桩侧摩阻力自上而下逐步发挥。由于桩的长径比过大（本算例原型桩长径比L/D≈93.6），荷载传递以桩侧摩阻力为主，在竖向工作荷载下，端承力不足桩顶荷载的5%，体现出摩擦桩的特点。在填土堆载作用下的分析结果表明，考虑到桩土的相互作用，桩侧负摩阻力受许多因素影响，图3～图6分别为土体特性、桩土界面参数、堆载及土体结构性等对负摩阻力的影响分布规律图。

3.1 土体特性影响

模拟表明，在无填土堆载作用时，仅受桩顶荷载作用下，桩身承受正摩阻力，此时当桩侧土体的压缩模量增加一倍时，桩身轴向应力略有降低，端承力约占桩顶荷载的3%，由原来的310kPa降低到284kPa，较原来降低了8.4%，桩顶沉降量显著降低，由原来约7.54cm降低到4.37cm，降幅达40%以上，表明桩土荷载分担比有所降低，即土体的承载力得到了较充分发挥。在填土堆载作用下，桩身承受负摩阻力，随着桩侧土体压缩模量的增加，桩身所受到的负摩阻力略有降低，当土体压缩模量增大一倍时，桩侧土体沉降量降低约50%，桩顶沉降量降低达40%，轴向力最大值约降低10%。图3为桩端土体压缩模量增大一倍时桩土体应力、变形图，表明桩身下拉荷载有所增加，由原来5466.5kPa增加到5610.1kPa，增加幅度仅2.6%，传递到桩端的轴向应力变化不明显，这可能与桩的长径比过大有关；另一方面，由于下拉荷载的增量相对于桩体弹性模量仍较小，因此桩的弹性压缩变形量基本不变，但由于桩端土体压缩沉降量明显减小，故桩顶沉降量也相应显著递减。

图3 Esb增大一倍时应力变形图（填土1.0m）

3.2 桩土界面参数影响

分析发现，在无填土堆载作用时，仅受桩顶荷载作用下，桩身承受正摩阻力，当桩土界面强度增大一倍时，传递到桩端的轴向应力由原来的310.4kPa降低为300.3kPa，桩端沉降量略有降低，而桩体弹性压缩变形量基本不变，故总体表现为桩顶沉降量略有降低，桩体轴向应力有所减小，因此增大桩土界面强度，可以降低桩土荷载分担比。图4为在填土堆载作用下，桩身承受负摩阻力时，桩土界面参数增加一倍时的桩土体应力、变形图，可发现桩土界面强度增大时，桩身下拉荷载增加，桩端轴向应力有所增加，桩端土体沉降量略有增加，桩体弹性压缩变形量由原来0.76cm增加到0.87cm，故桩顶总沉降量也由原来7.48cm增加到7.59cm，增加幅度约1.5%。

图4 界面参数增加一倍时应力变形图（填土1.0m）

3.3 堆载影响

图5为桩身轴向应力与填土堆载高度关系曲线图。模拟表明土体承担堆载后，在桩顶处扩散的应力值较小，然后在桩体中沿深度的分布先递增后递减，其拐点即中性点深度约为（0.61～0.64）L（L为桩长），下拉荷载与堆载强度呈非线性正相关系。同时模拟还表明，堆载一定时，桩附近地面沉降较远离桩处小，随着距桩越远，土体沉降量增加，但逐渐趋于均匀；随着堆载增加，地面各点处沉降均增大，桩基下拉荷载也急剧增加。

图5 桩身轴向应力与填土高度关系曲线图

3.4 土体结构性影响

软土具有明显的结构性[4]，大多数土体经过扰动或重塑以后要丧失部分强度，根据文献[5]的研究成果：当软土的原位结构遭破坏后，其凝聚力基本丧失，土体内摩擦角变化不大。因此在数值模拟时，考虑到计算的收敛性，将桩周各土层材料参数C值均降低到0.1kPa，而φ值基本不变，以此来考虑土体结构性的影响。

图6为土体结构性破坏后在填土1.0m时桩土体的应力图、变形图。结果表明：在受填土堆载作用时，因土的结构性被破坏，桩身受到的下拉荷载急剧减小，降低幅度超过50%，桩顶沉降量变化不大。从表面上看来，土体的扰动“似乎有利于”降低桩侧表面负摩阻力，但实际上桩基在桩顶荷载作用下，因土体扰动导致的地基强度不足使桩基沉降量过大而丧失继续承受外部荷载的能力，因此在工程施工中应尽量避免对桩周土体扰动。

图6 土体结构破坏后应力、变形图（填土1.0m）

4 仍待解决的几个关键问题初探

文中通过弹塑性有限元法对软土地基桩负摩阻力的影响因素进行了分析，但由于桩土相互作用的复杂性，仍有一些关键问题急需加强研究。在此，作者根据自己的研究体会，初步探讨几个有待解决的问题，以期为以后该问题的研究能够提供一点借鉴。

4.1 现场原位测试及测试技术急需加强

鉴于原位测试费用昂贵等原因，我国关于桩侧表面负摩阻力的现场原位测试较为少见。有些生产单位甚至宁愿把桩基设计得很保守也不愿去做负摩阻力的现场试验，这种现状一方面浪费了资金，另一方面也可能没有解决因负摩阻力可能造成的隐患。长此以往，我国的桩侧负摩阻力的研究就不会有大的根本性的进步，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。特别是随着城市经济建设的发展，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。因此，建议从规范角度强调应做一定比例的桩负摩阻力原位试验，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。有条件的情况下可选取有代表性的某些桩基采用消减负摩阻力的措施进行处理并进行实测，这可为以后类似工程设计奠定基础。

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也是一个难点。目前的常规桩基承载力检测方法，要准确评估负摩阻力的影响是很困难的。

4.2 桩土界面摩擦试验亟待加强

考虑到桩土相互作用的复杂性，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。目前，我国关于桩土接触面的试验研究资料相对还较少，对桩土界面的力学特性及参数进行专门研究很有必要。目前国内水利水电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，其对接触面力学性质和变形机理的影响也不同。

4.3 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、粘滞、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[6]。在桩基沉降课题中，关于软土流变性的影响研究的较少，目前国内关于软土流变性对负摩阻力影响的研究基本空白。若在设计中对软土的流变性认识不足，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。

4.4 加强负摩阻力的施工效应分析

在岩土工程中，施工效应的影响现在越来越显著和受到重视。同样，在桩侧表面负摩阻力的研究中施工因素的影响也应合理考虑，施工因素将使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更加复杂。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。事实上，负摩阻力产生的下拉荷载随施工过程将呈非线性动态变化，由于岩土性质的复杂性以及施工因素的复杂性，对负摩阻力的施工效应需大力研究。

4.5 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工程中，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，如何考虑水平荷载作用对桩侧负摩阻力及下拉荷载的影响也是一个重要课题。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文献报导。

4.6 群桩负摩阻力计算

当桩以群桩形式出现时，由于群桩效应，群桩中的基桩所承受的负摩阻力在很多方面与单桩不同。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。因此，研究群桩的负摩阻力及下拉荷载，对于承受负摩阻力的群桩的优化设计、减少工程隐患及节约费用等具有重大的工程应用价值。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，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。

5 结论

本文通过三维弹塑性数值试验，考虑了桩土体接触面效应，重点分析了一典型软土地区桩侧负摩阻力的影响因素及分布规律。结果表明：

（1）桩侧土体压缩模量增加时，桩身负摩阻力有所降低；对于长径比较大的桩基，桩端土体压缩模量的变化对中性点深度及下拉荷载的影响均不显著。

（2）填土堆载作用下，桩土接触面强度增加时，下拉荷载增加，桩基沉降量也相应增加。

（3）随着堆载的不断增加，下拉荷载不断增大。

（4）对于灵敏度较大的软土层，当其原位结构遭到完全破坏后，桩身所受到的下拉荷载显著减小，但中性点深度增大。

文中提出的几个关键问题值得以后进一步研究。总之，桩侧表面负摩阻力及下拉荷载的计算是一个十分复杂的问题。随着土力学理论的发展和土工测试技术水平的提高，应用各种先进的反演分析方法来进行桩侧表面负摩阻力的计算和分析不失为将来的一大研究途径。

[1]高大钊，赵春风，徐斌.桩基础的设计方法与施工技术[M].北京:机械工业出版社，1999.

[2]黄强.桩基工程若干热点技术问题[M].北京:中国建材工业出版社，1996.

[3]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社，1999.

[4]沈珠江.软土工程特性和软土地基设计[J].岩土工程学报，1998，（1）.

[5]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，（5）.

[6]谢宁，孙钧.上海地区饱和软粘土流变特性[J].同济大学学报，1996，（3）.