第5章 桩基工程-5-傅旭东

'武汉大学《桩基工程》多媒体教学第5章桩的负摩擦力武汉大学土木建筑工程学院：傅旭东教授 第5章桩的负摩擦力§5.1负摩擦力的概念及其产生条件§5.2负摩擦力的分布及中心点§5.3负摩擦力及下拉荷载的确定§5.4群桩的负摩擦力§5.5消减负摩擦力的措施自强自强弘毅弘毅求是求是拓新拓新http://www.whu.edu.cn §5.1负摩擦力及其产生条件桩侧摩阻力的方向：取决于桩-土之间的相对位移正摩擦力：桩相对于桩周土产生向下位移，桩周土对桩侧提供的向上摩擦力正摩擦力正摩擦力对桩起支承作用负摩擦力（negativesideresistance）：由于桩周土欠固结等原因，导致桩侧土体下沉，且土体沉降量＞桩沉降时，桩侧土体对桩产生向下的摩阻力负摩阻力对桩产生一个下拉荷载，相当于在桩顶荷载之外，又附加一个分布于桩侧表面的荷载。负摩擦力负摩阻力使桩身轴力随深度增加，在中性点处达到最大下部为岩石的端承桩，可能全桩为负摩擦力 §5.1负摩擦力及其产生条件负摩擦力发生条件位于桩周的欠固结软粘土或新近填土，在自重作用下产生新的固结桩侧的自重湿陷性黄土发生湿陷、冻土层发生融化或粉土、粉细砂液化时，对桩产生负摩擦力；由于抽取地下水或深基坑开挖降水，使地基中有效应力增加，产生大面积地面沉降桩侧表面土层因大面积堆载引起沉降带来的负摩擦力周边打桩后挤土作用，或灵敏性饱和黏土受打桩等施工扰动的影响，导致桩间土层结构被破坏，产生固结从而引起土相对于桩体下沉一些地区的吹填土，在打桩后出现固结现象，带来负摩擦力长期交通荷载引起的沉降 §5.2负摩擦力的分布及中心点一般桩：因为桩、土都有压缩变形，q的正负取决于二者的相对位移量和方向s中性点（neutralpoint）：是指某一特定深度l的桩断面，是正负摩擦力的分界点n在该断面以上：桩周土的下沉量＞桩本身的下沉量，桩承受负摩擦力qn在该断面以下：桩周土的下沉量＜桩本身的下沉量，桩承受正摩擦力qs中性点处：桩土位移相等，摩擦阻力＝0，桩身轴力最大由上述三个特点，可以判定中性点桩尖位移桩身压缩S3/mmS2/mmS/mm摩擦力qs轴力N/kN0qktgn0z－土体位移nzS/mml1nNegativel负摩擦区正摩擦区＋z/mz/mz/m §5.2负摩擦力的分布及中心点1、中性点的深度l/mnJGJ94-2008中规定了中性点位置的确定方法：中性点的深度l应根据：桩周土层的沉降S＝桩的沉降（S+S），来计算确定n123也可以参照下表确定中性点深度ln持力层性质黏性土、粉土中密以上砂土卵石、砾石基岩lnn中性点深度比l/l0.5~0.60.7~0.80.91.0lNegativen注：1．ln、l－分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软弱土层下限深度2．桩穿过自重湿陷性黄土层时，可按表列值增大10％（持力层为基岩除外）3．当桩周土层固结与桩基固结沉降同时完成时，取ln＝04．当桩周土层计算沉降量小于20mm时，应按表列值乘以0.4~0.8折减按照工程桩的工作性状类别来估算l（经验性质）：n经验法确定深度ln支承于一般砂土支承于岩层桩基承载类型摩擦桩摩擦端承桩或砂砾层中的端承桩或坚硬土层上的端承桩中性点深度比ln/l0.7~0.80.8~0.90.85~0.951.0 §5.2负摩擦力的分布及中心点2、影响中性点深度的主要因素桩基负摩阻力：增加桩内轴向荷载，使桩轴向压缩量增加；lnn在摩擦桩情况下－引起桩的沉降有较大的增加。lNegative群桩承台情况下－使承台底部和土之间脱空，承台G及其上荷载转移→桩身并改变承台内的弯矩和其他应力状况影响q的因素甚多：桩侧与桩端土的变形与强度性质、土层的应力历史、地面荷载大小与n范围、降低地下水的范围与深度、桩顶荷载施加时间与发生负摩擦力时间之间的关系、桩的类型与沉桩工艺等桩底持力层刚度：持力层越坚硬，中性点深度越深；持力层越软，中性点深度越浅同样条件下，端承桩的l＞摩擦桩的lnn桩周土的压缩性和应力历史：桩周土越软、欠固结度高、湿陷性强→土-桩↑，l↑n在桩、土体沉降稳定之前，l是变动的n桩周土表面的荷载：地面堆载越大，抽取地下水越多→地表大量下沉，l越深n桩的长径比l/d：一般l/d越大，则l越大n §5.3负摩擦力及下拉荷载的确定1、负摩擦阻力qn（kPa）的计算si多数学者认为：qn大小与桩侧土的有效应力有关，不同的qn计算模式中都有反映因素sisi大量的试验与工程实测结果：以方法接近实际。JGJ94-2008的qn规定如下si当无实测资料时，采用如下公式计算桩侧负摩擦力及其引起的下拉荷载当填土、自重湿陷性黄土湿陷、欠固结土层产生固结和地下水降低时nqsinicip(kPa)式中－ci－由土自重引起的桩周第i层土平均竖向有效应力：Z1桩群外围桩自地面算起，桩群内部桩自承台底算起Z2llnnZ当地面分布大面积荷载时l3i1Zziniqsini(pmzmi)m12式中i、m－分别为：第i计算土层和其上第m土层的有效重度qn－第i层土桩侧负摩阻力标准值；计算值＞q时，取正摩阻力标准值q进行设计sisiksik－桩周第i层土负摩阻力系数＝k×tg（k为土的侧压力系数），查表取值niii §5.3负摩擦力及下拉荷载1、负摩擦阻力qn（kPa）的计算si桩周土的负摩阻力系数np(kPa)土类饱和软土黏性土、粉土砂土自重湿陷性黄土Z10.15~0.250.25~0.400.35~0.500.20~0.35nZ2llnnZ－与土的类别和状态有关。对于粗粒土，随土的粒度和Dr增加而增大3nl对于细粒土，随土的IP、e、Sr增大而降低Ziqn还可以利用室内试验或原位试验成果，根据经验确定si无侧向抗压强度q：黏性土的qn＝q/2usiu静力触探试验：黏性土qn＝q/10（q双桥探头锥尖阻力），kPasiccqn≈p/10（p单桥探头比贯入阻力），kPasiss砂土地基粉砂：qn＝q/150sic紧砂：qn＝q/200sic松砂：qn＝q/400（q双桥探头锥尖阻力），kPasicc标准灌入试验：黏性土qn＝N/2＋1kPasi砂土qn＝N/5＋3kPa（N为经钻杆长度修正的平均标准贯入击数）si §5.3负摩擦力及下拉荷载2、考虑负摩擦阻力qn验算桩基承载力、沉降si负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响：随摩擦阻力与端阻力分担比、建筑物各桩基周围土层沉降的均匀性、建筑物对S的敏感程度而异→考虑负摩擦力，对桩基承载力和沉降的验算有所区别（1）桩基承载力的验算摩擦型桩基：出现q对基桩产生下拉荷载时，由于持力层压缩性较大，随之引起n沉降S。桩基沉降出现后，土桩相对位移↓，q↓甚至为03n→视l长度内以上摩擦阻力q＝0来计算桩基承载力nsik端承型桩基：桩端持力层较坚硬，q引起的下拉荷载下，不产生沉降或沉降量S小n3→q长期作用（在桩身中性点以上侧表面，即l长度范围）nn→应计算由于q而形成的下拉荷载Q，并作为外荷载验算其承载力nn上述下拉荷载Q计算时：假定q大小、l位置均达到理论最大值。实际由于桩身弹性压nnn缩S、桩端土压缩S引起桩基一定下沉→土~桩之间的减小，即实际的q＜理论值23n考虑Q后，桩基承载力安全系数K可适当降低（K=2→K=1.2~1.3）N+Q≤Q/Knknuk §5.3负摩擦力及下拉荷载n验算桩基承载力、沉降2、考虑qsi（2）桩基沉降的验算：q必然会加大桩基沉降n当桩基周围土层的沉降均匀，且建筑物对S不敏感时：q和Q引起的沉降不致危害建筑物的正常使用→不必验算桩基的沉降nn当各基桩：周围地表受到不均匀堆载，降水、土层不均匀→出现S，由于q不同，产生的下拉荷载Q、沉降也不同→考虑q进行桩基沉降验算nnnQ在中性点处最大，应重点验算中性点处桩身材料强度：nN+Q≤A/K：安全系数K=1，为桩短期的容许压力knppq主要引起桩基附加沉降，桩基计算中一般考虑Q作用：p(kPa)nnQ自中性点开始按/4向下扩算至桩尖高程n计算时用扩散面积进行校核llnnl §5.3负摩擦力及下拉荷载3、负摩擦阻力qn的时间效应（timeeffectofnegativesideresistanceofpile）siq存在明显的时间效应，主要表现在以下几个方面：n沉降（cm）Q的产生和发展取决于桩周土固结完成所需的t51015n0土层越厚，渗透性越低，q达到峰值所需t愈长n10打桩后124dq的产生和发展与桩身沉降S+S完成的t有关n23）20桩的沉降先于土层固结完成的时间：q达到mn（打桩后490d峰值就稳定不变，如端承桩30打桩后672d深度桩的沉降迟于土层固结完成的时间：q达到桩的沉降n桩周土沉降峰值后又↓，桩端土蠕变性强的就出现该特征40中性点位置存在时间效应：中性点位置逐渐降低，l逐渐↑n轴力和下拉荷载，随桩周土固结不断增加上图为砂卵石持力层中，桩周土为自重湿陷性黄土在湿陷过程中：q和l逐渐增长nn对于摩擦桩：上述特征仍明显 §5.3负摩擦力及下拉荷载n的时间效应3、负摩擦阻力qsi0100200300轴向力（t）50010001500应力（kg/m2）qn（kPa）000551010）15按q/2算得15mu（2020深度2525303065.113565.04354064.0664.1167.0340N(z)~t变化过程最终的qn~z分布上图为钢管桩q的实测结果→负摩擦力的发生和发展经历了一个缓慢的时间过程n中性点位置也同样经历一个变动的过程负摩擦力在第一年（1964）发挥了80%，达到稳定值经历了三年多q在成桩初期增长较快，达到稳定值（最大值）很慢；土层越厚，该时间过程越长n摩擦桩比端承桩稳定得慢。 §5.4群桩的负摩擦力1、群桩负摩擦阻力的影响因素（negativefrictionresistanceofpilegroup）下拉荷载作用下群桩效应：单桩基础：桩侧负摩阻力的总和即为下拉荷载桩距较小的群桩：基桩的负摩阻力因群桩效应而降低桩侧q由桩侧土体沉降引起，若群桩中各桩表面单位面积所分担的土体重量＜单桩的n负摩阻力极限值，导致基桩负摩阻力降低，即显示群桩效应计算群桩中基桩的下拉荷载时，应乘以群桩效应系数n群桩负摩阻力的影响因素：承台底土层的欠固结程度和厚度：土层欠固结程度越高，土层沉降量↑，群桩负摩阻力越显著欠固结土层厚度越大，土层沉降量↑，群桩负摩阻力越显著地下水位：承台底的地下水位因抽水等原因下降越多，土层沉降量越大，群桩负摩阻力越明显 §5.4群桩的负摩擦力1、群桩负摩擦阻力的影响因素群桩承台的高低：高桩的负摩阻力：由各桩与土的相对沉降关系决定的低桩的负摩阻力：其发挥受承台底面与土间的压力所制约刚性承台强迫所有基桩同步下沉，一旦作用有负摩阻力时，群桩中每根基桩上的负摩阻力发挥程度就不相同群桩中桩的间距：桩间距较大：群桩中各桩的负载面积较大，各桩侧表面单位面积所分担的土体重量＞单桩qn，不发生群桩效应。su桩间距较小：各桩侧表面单位面积所分担的土体重量可能＜单桩的负摩阻力极限值，导致群桩的负摩阻力降低。桩数愈多，桩间距愈小，群桩效应愈明显。影响群桩负摩阻力的其它因素：影响群桩q的其它因素：砂土液化、冻土融化、软黏土触变软化，对群桩内外的各个n基桩都起作用，作用大小有区别群桩外围堆载引起q：外边的桩外侧产生q，中间部位的基桩因周边桩的遮拦作用难nn以发挥负摩阻力。n愈多，s愈小，遮拦作用愈明显→导致群桩的负摩阻力总和↓a §5.4群桩的负摩擦力2、群桩负摩擦阻力的计算：考虑群桩效应，常用以下两种方法计算（1）太沙基与佩克方法假定桩端为坚硬持力层，不可压缩：→中性点位于桩端平面处，不考虑正摩擦力qsk重度填土hf视群桩为整体基础，且基桩受到的下拉荷载相同平均抗剪基桩受到的下拉荷载=桩群的Q/n（与实际不符）强度－可压缩nth性土层1端承桩基中，作用于基桩的桩端（尖）处的荷载：Q＝N＋F＋Qknn坚硬持力层式中N－作用于基桩桩顶的结构荷载k1F－作用于基桩的填土重量，＝－(a·b·h)·nn00fb0Q－可压缩土层对基桩产生的下拉荷载n桩数n=92(a+b)Q≤————00·h·－－为可压缩土层的平均抗剪强度nn1tta0方法简单，为许多国家采用（如日本港湾设计标准） §5.4群桩的负摩擦力2、群桩负摩擦阻力的计算：考虑群桩效应，常用以下两种方法计算（2）远藤方法（日本土质工学会）：等效圆方法re假定群桩中基桩：单位面积上受到的q相等n桩身的负摩擦力q沿深度为均匀分布nd基桩单位长度上的下拉荷载＝圆筒部分的面积22d2根桩组成的群桩[(r)1](d1)qen42qddn等效半径为：re4以两根桩组成的群桩为例（n=2），说明群桩折减系数以r为半径绘制两个大圆，两个大圆叠交的面积由相邻两根桩分担。e基桩承担的下拉荷载为阴影面积。q的群桩折减系数＝阴影面积/(·r2)ne上述方法可以确定群桩中每个桩所承担的下拉荷载。从上知群桩效应只出现在各桩中心距s＜r的情况ae不同位置的桩（边桩、中桩），承担的下拉荷载不一样 §5.4群桩的负摩擦力2、群桩负摩擦阻力的计算（2）远藤方法（日本土质工学会）：等效圆方法re5根桩呈梅花形排列情形：边桩与中桩的折减系数不同d日本经验指出2根桩组成的群桩：＝0.55~0.72根桩组成的群桩5根桩组成的梅花形排列：中心桩＝0.3，边桩＝0.4~0.6等效半径推导过程中，未考虑桩台、桩形及成桩影响re假定基桩受到相同的负摩擦力作用，与实际不符d5根梅花式排列的群桩 §5.4群桩的负摩擦力2、群桩负摩擦阻力的计算（3）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）：按等效圆方法计算其群桩效应rree单桩单位长度的负摩阻力由相应长度范围内半径re形成的土体重量等效dd以群桩各基桩中心为圆心rree以r为半径做圆，由各圆相交点作矩形eb矩形面积A与圆面积A之比ddre即为负摩阻力群桩效应系数reresaxsayqndddA/Ass/d()re2axayr4ea式中：Sax、Say－分别为纵、横向桩的中心距≤1，当计算＞1时，取＝1 §m5.4群桩的负摩擦力2、群桩负摩擦阻力的计算（3）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）桩周土沉降可能引起桩侧q时，应根据工程具体情况考虑q对桩基承载力和沉降的影响；nn当缺乏可参照的工程经验时，按下规定验算桩基承载力与沉降：①摩擦型基桩：取桩身计算中性点以上侧阻力为零，并可按下式验算基桩承载力NRka②端承型基桩：除满足上式要求，应考虑q引起基桩的Q，按下式验算基桩承载力nnNQRkna③土层不均匀或建筑物对S较敏感时，应将q引起的Q计入附加荷载验算桩基沉降nn式中R－基桩的竖向承载力特征值，只计中性点以下部分侧阻值及端阻值annqsd考虑的基桩下拉荷载可按下式计算Qnuqsilisaxsay/d4m式中：Sax、Say－分别为纵、横向桩的中心距；≤1，当计算＞1时，取＝1。nqs－中性点以上桩周土层厚度加权平均负摩阻力标准值m－中性点以上桩周土层厚度加权平均重度（地下水位以下取浮重度） §5.5消减负摩擦力的措施1、可能出现负摩阻力的桩基的设计原则填土建筑场地，先填土后成桩；填土的压实系数不应小于0.94；为加速下卧层固结，采取插塑料排水板等措施室内大面积堆载，引起上部结构开裂、破坏。防止堆载对桩基产生负摩阻力，对堆载地基进行加固处理是措施之一，但造价往往偏高。对与堆载相邻的桩基采用刚性排桩进行隔离，对预制桩表面涂层处理等措施对于自重湿陷性黄土，采用强夯、挤密土桩等处理，消除土层的湿陷性，防止qn2、消减桩负摩阻力的措施①在群桩基础外围设置保护桩（隔离桩）：适用于外部填土或堆载外围软土固结引起的Q全部由保护桩承受n保护桩因考虑软土较大的侧向压力引起弯曲保护桩紧贴承台边缘（建筑物基础底板外轮廓边缘）例：武汉工厂仓库地基淤泥深厚，碎石桩加固；厂房桩列偏斜屋架变形，拟堆4000t钢板→采用小直径钻孔桩作为保护桩 §5.5消减负摩擦力的措施2、消减桩负摩阻力的措施②在群桩基础内部设置保护桩（Broms桩）保护桩桩端进入持力层，桩顶不与基础底板接触基桩暂不进入持力层，留有余地依靠基桩与保护桩间的相对位移所产生的剪切阻力，来平衡下拉荷载。→既保护基桩不因Qn过大折断或桩端土破坏也能靠保护桩减少桩基产生的不利沉降与S例：墨西哥Zeevaert设计了一个旨在减小土体固结引起q的保护桩，原理与之相同n③打桩前采取加固措施，消除下拉荷载④套管保护桩法（methodofpileprotectionwithsleeve）在中性点以上桩段的外面罩上一段尺寸较桩身大的套管，使这段桩身不致受到土的负摩阻力作用。该法能显著降低下拉荷载，但会增加施工工作量⑤桩身表面涂层法（methodofcoatonthesurfaceofpileshaft）在中性点以上的桩侧表面涂上特种沥青。当土与桩发生相对位移出现负摩阻力时，涂层便会产生剪应变而降低作用于桩表面的负摩阻力，是降低负摩阻力最有效的方法 §5.5消减负摩擦力的措施2、消减桩负摩阻力的措施⑥预钻孔法（pre-drillmethod）既适用于打入桩又适用于钻孔灌注桩。对于不适于采用涂层法的地质条件，可先在桩位处钻进成孔，再插入预制桩中性点以下的桩段用桩锤打入以确保桩的承载力中性点以上的钻孔与预制桩之间灌入膨润土泥浆，用以减少桩负摩阻力桩基设计考虑桩负摩阻力后，单桩竖向承载力设计值要折减降低单桩轴力的最大点在中性点位置→桩身砼强度和配筋要增大，验算中性点位置强度考虑q后，承台底部地基的承载力不能考虑n贴地的低承台由于地基土的本身沉降，有可能转变成高承台考虑负摩阻力后，要在设计时考虑增强桩基础的整体刚度，以避免不均匀沉降由于欠固结填土、堆载等引起的桩负摩阻力不但增加了下拉荷载，而且可能使房屋基础梁与地基土脱开，引起过大沉降或不均匀沉降，设计时应事先考虑 §5.5例题：负摩擦力计算1.负摩擦力引起的下拉荷载某建筑基础采用钻孔灌注桩，桩径900mm，桩顶位于地面下1.8m，桩长l＝9m，土层分布如图。当水位由-1.8m降至-7.3m后，试求：单桩负摩擦力引起的下拉荷载=？ §5.5例题：负摩擦力计算1.负摩擦力引起的下拉荷载 §5.5例题：负摩擦力计算2.填土对桩产生的负摩擦力的下拉荷载某建筑基础采用钻孔灌注桩，桩径d=1.0m，桩长l＝12m，穿越软土层，桩端持力层为砂卵石土。地下水位于地面下1.8m，地下水位以上软粘土重度为=17.1kN/m3，地下水位下的有效重度=10.2kN/m3。现桩顶四周大面积填土，填土荷载为p=10kPa，计算因填土对该单桩造成的负摩擦力的下拉荷载标准值=？（负摩擦力阻力系数=0.2）n11Qp=10kPa±0.00m-1.8m=17.1kN/m3=10.2kN/m3d=1.0m-12m卵石 全力打造世界一流本科教育作业1.什么是桩基负摩擦力？负摩擦力发生有哪些条件？2.什么是负摩擦力中性点？影响中性点的主要因素有哪些？3.负摩擦力如何计算？群桩负摩擦力如何确定？4.什么是单桩负摩擦力的效应？消除负摩擦力的措施有哪些？自强自强弘毅弘毅求是求是拓新拓新http://www.whu.edu.cn'