负摩阻力

考虑负摩阻力的桩基设计需要注意的问题

1地表的大面积堆载对堆载区内的桩基和临近桩基的阻碍

地表的大面积堆载对堆载区内的桩基和临近桩基会产生专门大

的阻碍.第一,地表在沉降进程中,桩侧土体将会对桩身产生负摩阻力,

致使桩身的轴力和桩端力增大,乃至致使桩身的破坏;第二,地面堆载

引发地基土的侧向变形,临近桩基的被动桩受到土体挤压会产生绕

曲、水平移动,乃至断裂.因此,堆载作用下的桩基可能受到负摩擦和

侧向力两种荷载的一起作用.

2负摩阻力计算分析案例

在有关桥梁地基与基础设计标准中规定,在软土层较厚,持力层

较好的地基中,桩基计算应考虑路基填土荷载或地下水位下降所引发

的负摩阻力的阻碍。事实上桥下大面积堆载是一种更危险的工况。

下面以一实际工程为例,对桥梁桩基负摩阻力计算作一分析。

该桥上部结构为30m跨预应力混凝土持续箱梁,桥梁全宽m,采

纳分幅式布置。桥梁下部结构半幅采纳变截面墩配2根D160(D180)

钻孔灌注桩基础,单排桩基础,桩基设计按摩擦桩设计,单桩桩顶最大

设计反力为6150~7100KN,上部结构计算时考虑基础不均匀沉降为

cm。

桥址处现为鱼塘,地面标高为~m之间,由于桥址位于城区,远期

计划标高m左右,如按计划标高平整场地,需填土~m。设计时依照桥

址处的地质情形,注意到负摩阻力对桩基的阻碍,考虑按以下2种方案

进行场地平整,进行技术经济比较,以确信最终的设计方案。

方案1：场地先不平整待桥梁施工完后再进行场地平整。

方案2：场地先平整到计划标高m(带状80m宽),半年后施工桥梁

桩基。

桥址处土层各层散布情形按由上至下顺序描述如下:①人工填土;

②淤泥(Q4ml);③亚粘土(Q4ml);④粘土(Q1mc);⑤亚粘土(Q1al)。场

地地质中第四系覆盖层巨厚,地质勘探未能揭露。

中性点位置的确信

要确信桩身负摩阻力的大小,第一需要确信中性点的位置。所谓“中

性点”是指桩土位移相等、摩阻力等于零的分界点,该深度以上土的

下沉量大于桩的下沉量,桩经受负摩阻力;该深度以下土的下沉量小

于桩的下沉量,桩经受正摩阻力。故确信中性点的位置,第一必需计算

出桩基及各土层的沉降量中性点的深度与桩周土的紧缩性和变形条

件、桩和持力层土的刚度等特性有关。在桩、土稳固前,它也是变更

的。当有地面堆载时,中性点的深度取决于堆载的大小,堆载越大那么

中性点越深。

桩基沉降计算

按桥梁标准公式,单桩沉降

S=P(L0+ξh)/(Ep×Ap)+P/(Co×Ao)

式中P———桩顶荷载;

L0———桩自由长度;

h———桩入土长度;

ξ———系数,与桩侧土的摩阻力散布形式有关,关于钻孔摩

擦ξ=1/2;

Ep———桩身的受压模量;

Ap———桩身的横截面积;

C0———桩底平面土的竖向地基系数;

A0———桩顶外力扩散至桩底平面的面积。

本桥中:L0=0,h=45,ξ=1/2,P=7100KN,

Ep×Ap=×104MPa

Co=L×mo=45×4000=180×103Pa

Ao=

计算出S=+=m(即。

土体沉降计算

(1)方案1:场地先不平整,待桥梁施工完后再进行场地平整。

土层顶面大面积堆载,由此荷载产生的附加应力不随深度修正。

这一点与有限宽度范围内作用荷载(如路堤填土)等荷载工况有专门

大的不同。依照土力学知识,在有限宽度范围内作用荷载的情形下,

土体中的附加应力会随深度的增加而减小,相应土层紧缩量会小很

多。

此方案中场地堆载的荷载:P=100KPam高堆土),以上述钻孔为例,

依照地质资料,依据分层总和法计算各土层的沉降△S。

土层沉降量:△S=ms·∑ni=1σiEsi·hi

式中ms———沉降体会系数;

σi———第i层土附加应力的平均值;

Esi———第i层土的紧缩模量;

hi———第i层土的厚度。

计算结果如表1。

沉降计算说明:在桩基施工完后进行堆载平整,中性点位于第5层

土层中,中性点的深度约35m。

(2)方案2:场地先平整到计划标高m(带状80m宽),半年后施工

桥梁桩基。

本方案由于先填土,待半年后再施工桩基,故地层的瞬时沉降及

部份固结沉降已完成,剩余沉降为完成的部份固结沉降△Hc及次固结

沉降△Hs,各土层的2两个沉降量会阻碍桩基的负摩阻的散布深度。

以同一钻孔资料为例,计算各土层半年后剩余沉降量。

剩余固结沉降量计算公式为:△Hc=(1-U)×St,式中U为固结度,

依照时刻因素Tv可查表求得:

时刻因素Tv=Cv×t/H2,Cv为固结系数,由室内固结(紧缩)实验确

信;St为各土层的固结沉降,见表1。

本桥中,第3层粘土半年后剩余固结沉降量:依如实验资料Cv=×

10-7m2/s,Tc=Cv×t/H2=,查表得:U=,总沉降量St=cm,故剩余固结沉

降△Hc=×=m,大于桩基沉降S=m。可见第一、二、3层土层的沉降量

大于桩基沉降量,这3层土层会产生负摩阻力。

第4层以下土层紧缩量很小,桩基可不能产生负摩阻力。按此结论

判定中性点位于第4层土层的层顶。

桩基负摩阻力计算

如前所述,阻碍负摩阻力的因素很多,因此精准计算负摩阻力是

很困难的。在地基与基础设计标准中未有明确规定,各参考文献中单

桩负摩阻力计算要紧有以下2种易于计算的公式:

f=qu/2(1)

式中qu———无侧限抗压强度。

f=K×tgφ′×(p+r′×z-u)(2)

式中Ktgφ′———由土质条件决定,同时与桩型、沉桩方式、支承

情形等因素有关,一样由实验确信,国内外有实验资料可供参考;

p———作用于地面的散布荷载;

r′———浮容重;

z———土层深度;

u———该深度处的孔隙水压力。

方案比较

方案1:依照以上负摩阻力计算公式及前述中性点位置,如采纳此

方案,为保证桩基承载能力,桩长比不考虑负摩阻须加长30m。同时由

于各墩地质的不同,会造成桩基不均匀沉降量的增加,从而阻碍上部

结构的利用;且桥梁造价增加专门大,故能够否定此方案。

方案2:同理依照以上计算,如采纳此方案,尽管例如案1桩基负摩

阻深度短,但桩长仍比不考虑负摩阻须加长18m。采纳此方案,需有足

够的施工时刻,同时工程造价也增多,经本工程业主综合考虑,此方案

也被否定。

需要说明的是,地质勘探时,土层未作高紧缩性实验,各土层紧缩

模量按体会取值,第4、第5层紧缩模量取值可能偏大,如补充做一些土

工实验,方案1和方案2桩基长度可能会继续加长。

最后通过与计划部门和谐,采纳了在桥下80m宽度范围内不填土

的方案,以幸免负摩阻力对桥梁结构的阻碍。

由以上分析可知,在软土地基上修建桥梁时,如碰到桥下大面积

堆载的情形,对负摩阻力的计算分析必然不能轻忽,负摩阻力的大小

乃至能够阻碍方案的取舍。

3结论

(1)在桥下大面积堆载时,由堆载所引发的附加荷载可不能随着

土层深度的增加而减少;本地基软土层较厚时,会对桩基产生较大的

负摩阻力。如在实际工作中被轻忽或考虑不周,将会使桩基承载力严

峻不足,桩基产生较大的向下位移,从而阻碍上部结构的利用,乃至发

生严峻事故。

(2)在桥梁利用期内,本地基软土层较厚时,尤其是桥梁桩基按摩

擦桩设计时,应操纵桥下堆载,以幸免对桩基产生较大的负摩阻力阻

碍结构的利用。

(3)现有的《公路桥梁地基与基础设计标准》中,未对桩基负摩阻

力的设计计算作出详细的规定,摩擦桩的设计平安系数统必然为。咱

们以为,由于桩身的弹性变形、桩端持力层的紧缩变形会引发桩基必

然沉降,中性点上移,致使负摩阻力小于理论最大值,因此桩基在负摩

阻力作用的工况下,可考虑将设计平安系数适当降低,以节约工程造

价。

(4)现有的工程地质勘查,一样进行100KPa~400KPa的紧缩实验,

绘制e-p曲线,求出紧缩模量;而当软土层较厚时,由于自重应力已超

出400KPa,致使无法取得基层土体较准确的紧缩模量,无法计算土层

的沉降量,而难以求出正负摩阻力的中性点。因此,在此类情形下,在

工程地质勘探时应注意进行原状土体的高紧缩性实验。