堆载作用下端承桩负摩阻力分析

朱 涛

(福建省地质工程勘察院，福建 福州 350002)

堆载作用下端承桩负摩阻力分析

朱 涛

(福建省地质工程勘察院，福建 福州 350002)

基于有限元模拟桩土相互作用，简要分析了大面积堆载作用对端承桩桩身负摩阻力大小及中性点位置的影响，指出桩基负摩阻力随桩周土体固结时间的增长而增大，中性点位置随固结时间的增大而不断加深，随着堆载的增加，桩身承受的负摩阻力随之增加、中性点位置逐渐加深，而且负摩阻力引起的桩身附加轴力也随之增大。

堆载，负摩阻力，中性点，固结，时间效应

0 引言

桩基负摩阻力广泛存在于桩基础中，已成为近年来桩基础研究中的热点问题之一。桩周土体相对于桩身产生向下的位移，土对桩产生向下的摩擦力，即为负摩阻力。负摩阻力产生的具体原因主要是桩周土体的固结沉降，如地下水位降低引起有效应力增加使土体产生固结沉降、地面堆载作用导致桩周土固结沉降等。

Bjerrum，Bozozuk等[1]对挪威一组端承钢管桩进行长时间的现场测试研究，观测了负摩阻力的发展变化过程，实验研究表明，负摩阻力的出现和发展是一个复杂而漫长的过程。地面堆载使桩周土体内桩周土产生超静孔隙水压力，随超静孔隙水压力消散，土体再次发生固结沉降，改变桩土相对位移，当桩周土沉降大于桩体沉降时，土体对桩体产生向下的摩擦力，这种摩擦力会增加桩基承受的荷载，使桩基的沉降增加，降低桩身承载性能。因在桩基设计时未充分考虑负摩阻力的影响，致使结构出现变形的案例比比皆是，本文基于有限元数值模拟方法，简要分析地面堆载对桩基负摩阻力的影响。

1 模型建立

建模依据有限元ADINA要求，采用2-D实体模型对称建模，桩体及桩周土均采用4节点单元进行划分，详见图1；对模型边界施加荷载[2]，土体本构模型采用弹性屈服准则(摩尔—库仑准则)进行模拟[3]，模拟桩体在桩顶荷载作用下完成沉降后，地面堆载对桩身负摩阻力的影响，土体物理力学参数如表1所示[4,5]。

表1 物理力学性质指标表

土层名称厚度/m重度/g·cm-3压缩模量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/(°)粉质粘土181.874.41820.5粉质细砂>101.9719.1430.8

2 结果及分析

2.1 堆载对桩身摩阻力的影响

地面堆载一方面瞬时压缩桩周土，另一方面加速桩周土体的固结，使土体的沉降增加改变桩土相对位移。地面堆载大小及堆载方式均会影响桩身摩阻力的形成和发展。

图2可以看出，桩周有无堆载，在固结时间(350 d)，摩阻力大小和方向区别明显。无堆载的情况，桩基摩阻力为正，即土体对桩产生向上的摩阻力。从桩周堆载1 000 kPa摩阻力曲线反映出，地面堆载使上部土层沉降增加，桩周土体沉降大于桩身沉降，桩身产生负摩阻力。由于软粘土自身固结沉降大，所以即使在无地面荷载作用时，桩身也会产生负摩阻力，只是出现的时间较晚，且其产生的负摩阻力也要比有桩周堆载作用产生的负摩阻力小。

桩身负摩阻力分布曲线中的拐点，是由于受桩周土体的物性影响而产生[6]。地面堆载加速了上层土体中孔隙水的排出、有效应力迅速增大，土体沉降增大，所以负摩阻力的数值会急剧增加。由于桩周土体为粉质粘土渗透系数较小，在地面堆载的作用下桩周土体产生相当的沉降量后，下层土体内的孔隙水压力转而增加(与曼代尔—克雷尔效应相似)，所以负摩阻力逐渐下降。

2.2 负摩阻力的时间效应

桩周土体的固结沉降与摩阻力的产生和发展密切相关，因此负摩阻力的形成和发展如图3所示，具有时间效应。

由图3可以看出，桩身负摩阻力的产生是一个从无到有、沿桩身从上到下的发展过程；摩阻力的大小沿桩身深度增加呈减小趋势。随着堆载作用时间的延长,土体固结沉降增大，桩土相对位移随之增加(土体位移增大，桩身位移不变)，桩身负摩阻力逐渐增加，桩土相对位移为零的位置沿桩身向下发展，即中性点(摩阻力为零的位置)的位置也逐渐变深。

2.3 中性点位置

在桩土相对位移为零的位置桩土之间没有相互摩擦力，我们称此位置为中性点。有限元模拟结果表明，桩周土体的沉降随桩周堆载的增加及堆载作用时间的延长而增加。

图4可以看出，在相同地面荷载作用下，地面荷载作用时间越长，中性点位置越深；在固结时间相同时，地面堆载荷载越大，中性点位置越深。总之，端承桩在桩周堆载作用下，中性点的位置从浅向深发展，并随着堆载的增加和作用时间的延长，中性点的位置逐渐变深。分析认为随桩周堆载越大，土体的沉降越大；堆载作用时间越长土体的固结沉降越大；两者均增加了桩土相对位移，而桩身位移不变，所以桩土相对位移为零的点位置逐渐变深，即中性点位置变深。

2.4 堆载对桩身轴力的影响

研究表明，负摩阻力引起附加轴力最大可以达到桩顶荷载的40%左右，占稳定状态下桩身最大轴力的30%[7]。因此，桩基设计时必须充分考虑负摩阻力引起的桩身轴力，如果桩基设计时的桩身强度储备不足，后期地面大面积堆载将会引起桩身的破坏。以桩顶荷载为5 000 kPa、地面堆载为1 000 kPa的端承桩为研究对象，分析堆载作用引起桩身轴力的变化情况。

端承桩在桩顶荷载作用下，桩相对于桩周土产生向下的位移，土对桩体产生向上的摩阻力，所以桩身轴力沿桩身逐渐减小，如图5所示。

图6为桩周堆载1 000 kPa时轴力随时间的变化图，在堆载作用320 d过程中，桩身轴力最大为14.80×103kN，其中附加轴力为4.80×103kN，占桩顶荷载的47.8%，达到稳定状态时桩身附加轴力为3.20×103kN。桩身轴力及附加轴力所占桩顶荷载的比例具有明显的时间效应，具体表现为随桩周堆载时间增长桩身轴力逐渐增大、附加轴力占桩荷载的比例逐渐增大。桩身轴力随着桩身深度增加呈现先增加后逐渐减小的趋势，其原因为随着桩周荷载作用时间的延长，孔隙水压力逐渐消散、有效应力增加、固结沉降增大，土体沉降大于桩身沉降，并且其相对位移不断增大，使桩身负摩阻力增加，桩身轴力不断增加，而在中性点位置以下，由于土体对桩有向上的摩擦力作用，致使桩身轴力减小。

3 结语

1)在端承桩桩周为软土或欠固结土层时，由于桩周土未达到充分的固结，受地面堆载作用，软土或欠固结土层发生固结沉降，使桩基产生负摩阻力。因此，在软土及欠固结土层地基打桩之前，可以通过地面堆载预压，有效减小桩基负摩阻力带来的影响。

2)地面堆载加速了桩周土的固结沉降，因此对桩身负摩阻力的发展以及中性点的位置有较明显的影响。数据模拟表明，桩身负摩阻力大小及中性点位置随着地面堆载的大小而改变。变现为堆载越大中性点位置越深、桩身负摩阻力也越大。

3)地面堆载使桩身产生负摩阻力，由此引起桩身轴力大于正常受荷载桩基，且堆载作用时间对桩身轴力的发展影响明显。

[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,陈 权.ADINA基础与实例详解[M].北京：人民交通出版社,2008.

[3] 钱家欢,殷宗泽.土工原理及计算[M].北京：中国水利电力出版社,1996.

[4] 夏力农,印长俊,苗云东.堆载作用下桩体弹性模量对负摩阻力形状的影响[J].岩土力学,2009,30(S2):334-338.

[5] 程学军,李继良.桩基设计中考虑负摩阻力时中性点位置的确定[J].岩土工程技术，1999(1):34-36.

[6] 孙军杰,王兰民.桩基负摩阻力研究中几个基本问题的探讨[J].岩石力学与工程学报，2006,25(1):211-216.

[7] 夏力农,聂重军,刘建平.基桩负摩阻力时间效应的有限元分析[J].湘潭大学自然科学学报，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 涛(1965- )，男，工程师