桩基负摩阻力沿桩长变化的试验研究

结合中国移动甘肃定西分公司新城区移动通信综合楼项目,在大厚度自重湿陷性黄土场地上进行长时间的桩基浸水载荷试验（试桩直径为800 mm,桩长26 m,试坑深度为2 m）,对不同深度下、不同范围内的桩侧负摩阻力的变化特征以及土体的沉降过程进行分析。试验结果表明,特殊浸水条件下桩侧负摩阻力沿桩身出现多个峰值,并且正、负摩阻力出现交错分布的现象,无法给出建筑桩基技术规范[1]规定的平均负摩阻力值;桩周土体沉降量亦沿桩身出现多个峰值,并且其变化趋势直接影响桩侧正、负摩阻力沿桩身交替变化的走势;中性点位置并未得出建筑桩基技术规范[1]所提供的单一参考值而是沿桩身出现了多个中性点;黄土的实际湿陷情况是分段发生湿陷的,而不是如传统观点所述在单一中性点以上突然出现整段湿陷。     

浅薄层湿陷性黄土场地单桩承载特性试验

为了分析浅薄层湿陷性黄土场地荷载对桩基的影响规律,设计了单桩未浸水和浸水加载试验。结果表明:浸水后黄土湿陷对桩体产生了负摩阻力,在桩顶荷载条件下使桩体沉降,桩身轴力及桩侧摩阻力均发生了显著变化。较未浸水工况,浸水后的桩体沉降量明显增大,当接近设计极限荷载时,桩体的沉降量发生突变,残余沉降量增大。浸水后桩体的轴力最大值位置由桩顶转换至桩顶下湿陷性黄土层,且轴力的峰值大于桩顶的荷载,桩体中上部位置轴力普遍增大,轴力最大值位置与中性点位置相对应,浸水后桩侧摩阻力体现出双峰特征。由此可见,湿陷性黄土场地浸水后的荷载对桩体的变形和受力均有较大影响,应在桩体的设计中综合考虑安全和经济因素来对荷载进行取值。      

湿陷性黄土场地湿陷下限深度与桩基中性点位置关系研究

湿陷性黄土场地的湿陷下限深度与桩基中性点位置密切相关,为了解决桩基设计方案不当问题,如何准确判定湿陷下限深度显得十分重要。在系统分析并总结宁夏固原桩基系列浸水试验、兰州和平镇黄土浸水试验及其他地区桩基浸水试验研究成果的基础上,揭示了黄土湿陷下限深度与桩基中性点位置确定的相互关系,得出了以下研究成果：（1）指出了均质黄土现场浸水试验水的竖向渗透深度是有限的（一般为20～25 m）,现场黄土湿陷发生的下限深度也是有限的,不宜按室内试验的湿陷系数确定的下限深度来直接评判;（2）给出了室内湿陷性评价试验中湿陷系数 或自重湿陷系数 随地区和深度变化的取值建议,同时,建议在湿陷量计算时引入深度修正系数和地基土浸水机率系数,初步给出大厚度湿陷性黄土场地不同地区湿陷下限深度评价系数 ,可以有效减小湿陷性评价的室内外差异;（3）由室内试验计算确定的湿陷下限深度偏于保守,导致桩基设计过分夸大了负摩阻力的不利作用,造成桩基设计承载力偏低;（4）大厚度湿陷性黄土场地桩的中性点最深位置不宜大于20～25 m,湿陷性评价下限深度小于20 m的场地,宜按评价深度确定中性点位置;给出了桩侧负摩阻力估算方法,并建议桩基负摩阻力平均值取20～35 kPa为宜。     

湿陷性黄土地区桩侧负摩阻力问题的试验研究

负摩阻力问题广泛存在于桩基工程中,在我国西北部自重湿陷性黄土地区尤为普遍,若处理不当,将导致严重的桩基功能失效。由于湿陷性黄土地区基桩负摩阻力受各种因素的影响,目前大面积现场浸水载荷试验仍是确定负摩阻力大小和发展规律最有效的方法。结合山西某电厂地基处理试验中大直径桩的大面积浸水静载荷试验,对自重湿陷性黄土浸水过程中桩侧负摩阻力的变化规律及湿陷变形对基桩竖向承载力性能的影响进行了分析,得到了桩侧负摩阻力的分布规律及对承载性状的影响,具有重要的工程指导意义。     

自重湿陷性黄土场地桩的负摩阻力

通过对郑州-西安客运专线的关中某地钻孔灌注桩在预湿和后湿状态下的静载试验和同步进行的桩身应力测试,探讨了自重湿陷性黄土中桩侧负摩阻力的发生和发展过程,中性点位置的变化过程及桩侧阻力的发挥规律等,对自重湿陷性黄土中桩侧负摩阻力的理论研究及其工程应用具有重要的参考价值。     

加载次序引起的负摩阻力桩摩阻力分布的变化

简要分析了加载次序对于负摩阻力桩基桩土相互作用影响的机理。采用有限元方法计算比较了这种差异。计算结果表明,加载次序的变化会引起桩身摩阻力分布、中性点位置和下拉力的变化。桩身摩阻力的分布差异主要是桩身上部负摩阻力的大小,负摩阻力先出现时的负摩阻力值较小,这种状况在各级桩顶荷载下不会改变。负摩阻力先出现时,中性点的位置比较低,两者的差距随着桩顶荷载的增大而变得加大。负摩阻力先出现时下拽力小于桩顶荷载先施加的情况。这对于负摩阻力桩基检测的研究和应用是有益的。     

桩基负摩阻力时间效应试验研究

由于黏土固结缓慢,桩基负摩阻力存在明显的时间效应,然而目前相关研究仍显不足。设计实施了能实现桩顶加载及较大超载值的单桩及双桩负摩阻力模型试验,桩周土采用砂土和软黏土夹层,测定了模型桩身应力、桩顶位移以及土体分层沉降随固结时间的变化。试验结果显示,沉降、负摩阻力具有明显的时间效应。土表超载作用下土体沉降带动桩沉降,桩与土体的沉降均表现出早期快、后期慢的趋势。试验加载初期,黏土夹层处的负摩阻力略小于砂层,但随土体固结而增长,其基本变化规律与沉降相同。因桩端砂土层沉降稳定迅速,中性点随桩身沉降增长略呈上移趋势。此外,相同荷载作用下桩间距较小的双桩,由于下拉力较小,其沉降较小。试验条件下,3D桩间距的负摩阻力群桩效应系数在0.71～0.77之间,6D桩间距时不存在负摩阻力群桩效应。     

湿陷性黄土中成孔方式对桩基承载力影响试验研究

为了研究黄土地区成孔方式对桩基承载特性的影响,依托永寿至咸阳高速公路工程,对两个试验区4根试桩进行了静载试验,分析研究了不同成孔方式下桩基荷载传递规律。研究结果表明：成孔方式对桩基承载特性影响较大,黄土地区旋挖钻孔灌注桩承载力高于泥浆护壁循环钻孔灌注桩;循环钻孔灌注桩在成孔时需泥浆护壁,桩侧形成的泥皮会严重影响桩侧土体摩阻力的发挥,桩侧极限摩阻力值较小,桩端承担桩顶荷载比例较高;浸水后湿陷性黄土结构破坏,单桩承载力较原始状态有所下降;由于上覆黄土层湿陷量较小,浸水状态下桩侧土体并未产生负摩阻力。     

桩间黄土卸荷湿陷过程中卸荷量计算方法初探

为确定桩间黄土卸荷湿陷过程中卸荷量的合理取值,开展桩−土界面大型剪切试验,研究桩间黄土卸荷湿陷状态下桩−土界面剪切强度、剪切位移及桩−土界面法向力之间的相关关系。结果表明：在桩间土中性点深度范围内,不同竖向应力和含水率状态下的桩−土界面剪切强度可代表桩侧负摩阻力。利用卸荷量与桩侧负摩阻力互为作用力与反作用力的力学原理,并在分析卸荷量随湿陷深度和湿陷进程变化规律的基础上,提出黄土卸荷湿陷过程中卸荷量计算方法,通过对比卸荷量计算值与不同黄土地区桩侧负摩阻力现场实测值,以验证其合理性。该方法不仅为科学评价黄土卸荷湿陷特性提供卸荷作用量化手段,还为相关黄土工程的优化设计提供理论参考依据。     

桩顶荷载对负摩阻力性状影响的现场试验

负摩阻力是桩周土体沉降产生的桩附加沉降和下拽力的综合效应。为了研究不同的桩顶荷载对负摩阻力基桩性状的影响,在同一个试验场地上,对不同桩顶荷载作用下完全相同的3根桩的负摩阻力性状进行了现场测试。测试结果表明,桩顶荷载对于桩的负摩阻力性状有明显影响。随着桩顶荷载的增加,负摩阻力引起的桩附加沉降越大,桩周土体沉降引起的负摩阻力就越小;负摩阻力引起的下拽力也随着桩顶荷载的增加而减小;中性点位置随着桩顶荷载的增加而上升。这对桩基负摩阻力特性的研究是有益的。     

加载次序对湿陷性黄土中基桩承载力检测的影响

湿陷性黄土地区基桩承载力检测中桩顶荷载是在土体沉降后施加的,桩基使用条件下是桩顶荷载施加之后再出现土体沉降。简要分析了这两种加载次序之间桩土相互作用差异的机制。采用有限元方法分析了这种差异。计算结果表明,在这两种加载次序中,桩顶荷载的增加都会引起沉降增加,中性点下降,下拉力减小。结果还表明,与桩顶荷载先施加的相比,桩顶荷载后施加得到的中性点的位置比较低,桩基沉降比较小,下拽力也较小,这些差异随着桩顶荷载的增大而更加明显。在两种加载次序的各个加载阶段,桩周摩阻力的分布与发挥也会出现细微的变化。这会使湿陷性黄土地区桩的承载力检测结果略微偏于不安全     

不同堆载形式对群桩负摩阻力的影响

在既有桥墩桩基础周围土体堆载时,会引起土体的沉降和侧向变形,进而在桩身产生负摩阻力,对桩基变形及承载性能有很大影响。为研究围载和单侧边载作用下群桩中不同位置桩基的受力差异,以3×3群桩基础为研究对象,进行围载和单侧边载作用下的模型试验,分析了不同位置桩基轴力、侧摩阻力、中性点位置和基桩承载力安全系数等的变化规律及差异。研究结果表明：围载工况下,角桩的轴力、侧摩阻力最大,边桩次之,中心桩最小;中性点位置角桩最深,边桩略高,中心桩距桩顶最近。边载工况下,靠近边载侧和中间一排桩基轴力、侧摩阻力与围载时的变化规律类似,远离边载侧的一排桩基受边载影响较小,无负摩阻力;各桩基中性点位置变化规律类似于围载工况。与围载工况相比,边载时同一位置桩身轴力、负摩阻力均较小,中性点位置较高。与单侧边载工况相比,围载时各基桩承载力安全系数FS均较小且随荷载的增大衰减梯度较大。该研究成果为不同堆载形式下群桩基础的设计提供参考。     

地基土沉降对复合地基影响的三维数值模拟

通过对复合地基在正常使用条件下和地基土沉降后的三维数值模拟,研究了复合地基由地下水位下降引起的地基土沉陷后的沉降、桩体摩阻力分布和桩身轴力分布的变化。分析表明：随着地基土沉降的增加,加固桩体和基础的沉降加大,中性点位置逐渐下降,桩身轴力有所增大;在加强桩中,中心桩的中性点最低,边桩次之,角桩最高;随着地基土沉降的增加,各桩中性点位置差异逐渐减小,桩体上部负摩阻力作用的桩身长度更长,负摩阻力值逐渐增大。     

颗粒图像测速技术在桩基负摩阻力模型试验中的运用

在桩基负摩阻力的研究中桩土位移需重点关注。作为一种成熟的流场测试手段,颗粒图像测速(paticle image velocimetry, PIV)技术已逐步推广至岩土研究领域,将该技术运用至桩基负摩阻力模型试验,可以弥补传统位移测试方法无法获得位移场分布等缺点。基于试验特点,设计由钢板和有机玻璃壁组成的试验箱,采用千斤顶配合置于土表的载荷板实现对土体加载。试验中,对不同土表超载作用下的土体分层沉降、桩身沉降及轴力进行测定,采用PIV技术对桩端处砂土的位移场实施了采样分析。试验表明,PIV所测位移数值与传统方法测得值吻合较好,PIV分析结果能够直观反映桩基受负摩阻力作用而产生的附加沉降;并且可以判断桩端沉降的影响范围,深度方向基本不超过1.75D（D为直径）,水平方向则基本在桩底边界范围内。最后,总结了PIV技术在模型试验中的运用,提出了几点在今后试验中可待改进的地方。     

基于极限平衡法的现浇X形桩群桩负摩阻力计算分析

软弱土及湿陷性黄土等地区桩基负摩阻力计算是桩基础设计与施工必须考虑的问题之一,目前针对群桩负摩阻力计算方面的研究相对较少。采用有效应力法计算单桩负摩阻力,基于极限平衡原理计算负摩阻力群桩效应系数,从而得到群桩负摩阻力计算公式。结合现场试验结果,对现浇X形桩群桩负摩阻力及桩身下拽力进行计算分析,并讨论了群桩基础中各基桩位置对桩身下拽力的影响,以及群桩效应系数随相关影响因素的变化规律。研究结果表明,文中计算结果与现场实测结果具有良好的一致性;地面堆载等级越高,群桩所受的桩身下拽力越大,且群桩效应系数随着桩间距的增大而增大,随着负摩阻力系数和中性点深度比的增大而减小。     

基于有效应力法的单桩负摩阻力计算

负摩阻力问题广泛存在于新建填土地区的桩基工程中,对桩基础承载特性产生较大的影响。基于有效应力法和桩侧摩阻力发挥机理,建立单桩负摩阻力计算的分段模型;通过桩土体系的变形假设和静力学平衡方程,确定桩侧摩阻力分段区间及中性点位置;利用位移和桩截面轴力控制方程,推导分段区间内桩身位移及轴力解析解。验证结果表明:桩侧负摩阻力的传递特征及分布范围可以通过计算公式确定。     

软土地基桩板结构路基离心模型试验研究

为研究和分析软土地区桩板结构路基的沉降特性,采用离心模型试验方法对不同预压时间（6/12个月）下的桩板结构路基进行了模拟试验。试验结果表明,桩板结构路基沉降主要发生在施工期,预压时间超过16个月后,沉降比例超过80%;预压土卸载期间路基回弹与否与土层性质和预压时间有关;超载预压可以显著降低工后沉降,预压12个月后路基工后沉降相比预压6个月沉降减小了71%;在桩板结构路基施工过程中,桩基存在负摩阻力,中性点位置的变化是一个动态的过程,其与桩长的比例在0.47~0.70之间。     

自重湿陷性黄土地区桩基设计探讨

根据自重湿陷性黄土的特点、《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025—2004）和《建筑桩基技术规范》（JGJ94—94）中关于桩基设计的对比分析，通过自重湿陷性黄土场地工程实例分析计算，依据负摩擦产生的机理——中性点理论，论述了自重湿陷性黄土场地中桩基设计应考虑中性点，而不应全部计入负摩阻的观点。     

大厚度黄土地基超长群桩承载特性模型试验研究

大厚度黄土地基中大直径长桩、超长桩的应用急剧增多,但黄土地基中超长桩的承载变形机理、侧阻和端阻的发挥性状与普通桩差别较大。采用研制的黄土相似材料填筑模型,分别进行超长单桩和群桩竖向抗压静载试验,分析桩顶荷载作用下荷载-沉降、桩身轴力、桩侧阻力、桩端土体塑性区发展变化规律。研究结果表明:超长单桩在竖向荷载作用下,荷载主要由桩侧阻力承担,桩侧阻力由上向下逐步发挥,属纯摩擦桩,单桩破坏形式为刺入破坏,桩端土体塑性变形影响范围约为1.1 d。与单桩相比,超长群桩基础桩端承载力有较大幅度的提高,桩身轴力衰减深度范围有所减小,侧阻力沿桩身逐渐增大,桩端土层的影响范围约为1.25 d,与超长单桩的影响范围较为接近。本文的研究方法和结果可为大厚度黄土地区超长桩基的承载特性研究提供参考。     

大面积填土场地中摩擦型桩负摩阻力分布特性研究

中国大面积场地形成工程日益增多,在缓解土地供求矛盾的同时也带来了诸多工程问题,如场地大面积沉降会造成桩基负摩阻力增加,影响桩基安全性,但针对大面积填土场地中桩基负摩阻力研究成果较少。结合某现场试验,建立了单桩有限元分析模型,与实测数据对比验证模型的合理性。基于验证后的数值分析模型,研究了大面积填土场地工程中填土天然重度及厚度、桩顶和地表荷载及场地形成时间对摩擦型桩下拉荷载和中性点的影响。结果表明,填土厚度和桩顶荷载的变化显著影响中性点的位置;填土的天然重度和厚度越大,下拉荷载越大;场地固结时间越长,下拉荷载越小;减小桩顶荷载和增加地表堆载会增大下拉荷载。敏感度分析表明,相比荷载因素,场地形成因素对下拉荷载及桩顶沉降影响更为显著。最后,结合国内外规范讨论了考虑大面积填土场地中摩擦型桩负摩阻力计算方法的适用性。研究结果对大面积填土场地摩擦型桩设计具有参考价值。