（1.上海港灣基礎(chǔ)建設(shè)（集團(tuán)）有限公司， 200092; 2.上海建筑設(shè)計(jì)研究院，上海 200041；
3.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092）
摘要：采用廣義荷載傳遞法，將大面積填土荷載下的群樁負(fù)摩阻力問(wèn)題簡(jiǎn)化為對(duì)群樁內(nèi)部一根樁及其樁間土之間的荷載傳遞分析，可以同時(shí)分析樁與樁間土的受力變形特性。通過(guò)對(duì)環(huán)形、方格布置群樁基礎(chǔ)在填土荷載下的負(fù)摩阻力傳遞特性分析，清晰地展示了樁間土的大部分填土荷載通過(guò)負(fù)摩阻力逐步傳遞給樁身的中性點(diǎn)上部，又通過(guò)樁身中性點(diǎn)下部的正摩阻力傳遞給樁間土及樁端的規(guī)律，有利于加深對(duì)樁基負(fù)摩阻力荷載傳遞特性的理解。樁基負(fù)摩阻力使樁間土的豎向附加應(yīng)力和沉降減小，因此可利用樁間土的沉降觀測(cè)結(jié)果推算樁基負(fù)摩阻力特性。
關(guān)鍵詞：負(fù)摩阻力；廣義荷載傳遞法；中性點(diǎn)；樁間土沉降
中圖分類(lèi)號(hào)：TU432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
引言
在工程實(shí)踐中很多因素都會(huì)導(dǎo)致土體的沉降量大于樁的下沉量，使樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力除了會(huì)直接增加樁所受的荷載及沉降外，對(duì)于低承臺(tái)樁基礎(chǔ)，還會(huì)使承臺(tái)底部與土之間形成脫空的間隙，將原本承臺(tái)所受的荷載轉(zhuǎn)移到樁上，在一定情況下會(huì)產(chǎn)生較大的危害。另一方面，由于靠近樁的地方樁產(chǎn)生向上的摩阻力使土的下沉量減少，而遠(yuǎn)離樁的地方土層下沉量大，很容易使樁周?chē)牡孛娈a(chǎn)生不均勻下沉，從而直接導(dǎo)致混凝土地面開(kāi)裂。
目前研究樁基負(fù)摩阻力的方法有很多，根據(jù)分類(lèi)大致可分為荷載傳遞法[1-4]、模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[5, 6]、有限元模擬[7, 8]等幾個(gè)方面。負(fù)摩阻力試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)量測(cè)穩(wěn)定性、精度要求高，造價(jià)高，實(shí)際運(yùn)用較少；有限元分析可以對(duì)樁土整體進(jìn)行分析，但計(jì)算、參數(shù)取值較為復(fù)雜。荷載傳遞法原理直觀、計(jì)算簡(jiǎn)單，但只以樁為研究對(duì)象，不能考慮樁土之間的相互影響。
樓曉明[9,10]提出的一種廣義荷載傳遞法，可以對(duì)群樁內(nèi)部一根樁及其樁間土之間的荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析，應(yīng)用于剛性樁復(fù)合地基的受力特性和坑底隆起對(duì)立柱樁的上拔位移特性分析取得了良好效果。本文主要嘗試將該方法用于基樁負(fù)摩阻力特性的研究，加深對(duì)樁基負(fù)摩阻力荷載傳遞規(guī)律的認(rèn)識(shí)。
1基樁負(fù)摩阻力荷載傳遞的模型
產(chǎn)生負(fù)摩阻力比較常見(jiàn)的原因是，大面積填土荷載導(dǎo)致地面、樁周土固結(jié)下沉。對(duì)于均勻布置的大面積群樁，取其中的單根樁、樁間土及上覆填土進(jìn)行分析，如圖1中的虛線部分所示。
圖1 計(jì)算單元選取
當(dāng)樁周?chē)行陆细捕烟钔習(xí)r，填土的新增荷載會(huì)使下面的土體向下壓縮下沉，帶動(dòng)樁也向下變形，此時(shí)土體位移大于樁的沉降，會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。當(dāng)靠近樁的端部時(shí)，樁的向下刺入位移會(huì)大于周邊土體的沉降，土?xí)?duì)樁產(chǎn)生向上的正摩阻力，如圖2左側(cè)所示。將樁與樁周土都分為n個(gè)小單元，側(cè)摩阻力及端阻力采用彈簧模擬。
圖2負(fù)摩阻力的荷載傳遞示意圖
將樁、土分成n個(gè)小單元，單元之間用非線性彈簧連接，如圖2右側(cè)所示。樁土作用的傳遞函數(shù)采用線彈性全塑性模型，取樁土間摩阻力
(1)
其中
為第i層樁土間摩阻力系數(shù)，
為樁間土有效應(yīng)力，
為土的極限側(cè)阻力。
對(duì)于離散了的樁，可以分別列出樁、土單元的平衡方程。特定情況下，當(dāng)樁及樁周土上分別有外荷載列向量
、
時(shí)，經(jīng)過(guò)迭代分析，可以得出樁、土的位移表達(dá)式[12]
其中
.jpg)
、
為樁、土的剛度矩陣，
、
為樁以及土的位移列向量，
為樁土相互作用的荷載傳遞矩陣。
天然土層在外荷載作用下先產(chǎn)生一維壓縮，然后考慮樁側(cè)摩阻力的影響，加上樁所受的外荷載，運(yùn)用公式(2)~(3)即可求出樁影響下的土位移變化量。該變化量與土的一維壓縮沉降疊加，即可求得樁與土的最終位移及受力特性。
綜合以上思路，編制matlab程序求解：
(1) 已知樁、土單元的剛度矩陣
、
及外荷載列向量
，求出一維壓縮情況下土單元的下沉位移
；
(2) 運(yùn)用公式（2），求出摩阻力作用下土位移引起的樁位移
，由式（3）可得樁位移引起的土的位移
，如果
與
的差值超過(guò)容許值，則賦值
；
(3) 重復(fù)步驟2，直至循環(huán)結(jié)束。根據(jù)最終算出來(lái)的
、
和相對(duì)位移
計(jì)算各結(jié)點(diǎn)處的軸力、側(cè)摩阻力分布及中性點(diǎn)等等。
2 實(shí)例分析
2.1回填土荷載引起環(huán)形分布群樁的負(fù)摩阻力及樁間土沉降
某天然氣處理廠的球罐地基[11]，球罐的半徑約7m，下面環(huán)形布置八根端承樁作為它的基礎(chǔ)。樁長(zhǎng)約75m，樁徑為0.9m。場(chǎng)地施工時(shí)在天然土層上堆載了3m的填土。樁基礎(chǔ)打在基巖上，幾乎沒(méi)有沉降，而天然地基中有十幾米厚的淤泥質(zhì)土，在上部3m厚填土的作用下，后期將會(huì)產(chǎn)生大量的固結(jié)沉降。具體的土層分布情況如表1所示。
球罐環(huán)形地基場(chǎng)地半徑約7m，由8根樁環(huán)繞。球罐地基土被樁圍繞，以本文模型分析時(shí)，相當(dāng)于研究的是球罐內(nèi)地基土的受力與沉降特性。所以計(jì)算單元選取時(shí)，球罐內(nèi)地基土等效成圖1中的單根樁，而圖1中的樁周土則以8根球罐樁基礎(chǔ)來(lái)等效。
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