桩基负摩擦力形成机理及单桩承载力计算探讨_开题报告

一、综述

1.背景

随着经济建设和工程技术的快速发展，超高层建筑、复杂造型的大楼越来越多地出现在我们面前。我们不禁对一栋栋高楼惊叹的同时，也在思考支撑如此庞大建筑的基础是怎样满足安全和承载力而设计的。桩基础作为建筑工程最常见的一种基础，它具有整体性好、刚度大、沉降小、能承受较大的竖向荷载和水平荷载。近年来随着现代施工技术、条件的不断发展，桩的设计长度与承载力也越来越大。很多超高层建筑都拔地而起，举世瞩目，但与此同时，因桩基设计出现问题而造成建筑墙体、地面出现裂痕的案例也时有发生，这让国内外学者意识到桩-土相互作用随时间变化的复杂性，而负摩擦力是学者们研究的热门问题之一。

2.国内外对负摩擦力研究现状

    负摩擦力的问题早在1948年的时候就已经让国外学者K.Terzaghi和R.B.Peck合著的《Soil Mechanics in Engineering Practice》著作中提及负摩擦力问题，并提出了简单的计算公式。到目前为止，国内外学者在桩基负摩擦力方面已经进行了大量的试验研究、理论研究以及数值模拟方面的探索。

2.1国外负摩擦力研究现状

1965年，挪威I.J.Johannessen和L.Bjerrum报道了两根18英寸（47cm）直径的钢管桩的负摩擦力测量资料，获得了沿桩身荷载传递的大小和分布的相当准确的描述，还提出了有效应力计算负摩擦力的方法。1969年，I.J.Johannessen和L.Bjerrum和O.Eide对沥青涂层桩和无涂层桩上的负摩擦力情况进行对比研究，进一步探讨有效应力系数值以及采用涂层法降低负摩擦力的可行性[1]。

1969年，瑞典B.H.Fellenius和B.B.Broms对两根混凝土打入桩上的负摩擦力进行现场实测，研究打桩引起的软黏土重塑固结而引起的负摩擦力问题[2]。

1977年，Inoue和Tamaoki等人研究了一个由负摩擦力引起桩基建筑物下沉的实例，分析了差异沉降与负摩擦力、差异沉降与可压缩层厚度之间的关系[3]。

此外，新加坡、泰国、英国、日本等都对桩基负摩擦力进行过现场实测。经历过众多的现场试验无疑是不断丰富和夯实了负摩擦力研究的基础，但是也耗资巨大。因此人们通过进行室内试验模拟，从不同角度来研究负摩擦力性状。

1989年，在苏格兰河口的炼油厂项目中，J.A.Little利用模型试验研究超载作用下的负摩擦力，并根据试验结果来估算有效应力系数和总应力系数。在总应力法分析中，首次采用与土的固结度相对应的不排水剪强度来估算总应力法系数[4]。

1999年，K.H.Lee等人利用模型试验研究负摩擦力与土体的超空隙水压力消散、土体的不排水强度、桩的粗糙度及桩土相对应位移之间的关系[5]

2004年，C.F.Leung，B.K.Liao利用离心机试验，对只受负摩擦力的单桩及同时受负摩擦力和桩顶荷载的单桩进行对比研究[6]。

通过室内试验研究，可定性探讨负摩擦力的有关问题，成为现场实测的一个重要补充。根据众多的现场实测和室内试验结果的分析，学者们开始总结出相关理论，对负摩擦力的计算方法进行探索。弹性理论法、剪切位移法和荷载传递法是桩传统的研究方法。将他们引入到带负摩擦力的桩基研究中进行数值求解是学者们研究的难点和重点。

1996年，H.B.Poorooshasb et al在对刚性桩和柔性桩的负摩擦力进行研究得出了桩土界面处为非线性关系的控制方程。用有限差分法进行求解并编成了计算机程序进行计算，研究负摩擦力的分布规律[7]。随着计算机计算的发展和通用软件的出现，桩基负摩擦力研究开始进入了数值模拟研究范畴。2005年，Emilios M.Comodromos和Spyridoula V.Bareka利用岩土分析软件FLAC3D对单桩和群桩的负摩擦力进行了三维非线性分析[8]。

 虽然数值分析法特别是有限单元法在计算中能同时考虑影响桩基负摩擦力的诸多因素。但是分析结果的可信度还需要靠工程经验才能作出正确判断。

2.2国内负摩擦力研究现状

国内在桩基负摩擦力研究相对起步较晚，原因在于到上世纪八十年代，国内的大城市才开始有高层建筑、大型工业厂房、港口工程和高速公路桥涵工程的出现。这些建筑都需要用到复杂的桩基体系来做支撑，庞大的荷载对桩长、桩直径、桩身强度、地基岩土都有严格的要求。因此由于桩基设计考虑不周尤其是负摩擦力引起的建筑损坏问题才开始引起国内有关专家和设计人员的重视并开始研究这方面的问题。

我国也先后进行了一些现场试验和室内试验研究。1988年，李光熠等利用滑移位移计成功地测了一根钢管桩的负摩擦力，并进行了有效应力法的一些探讨[9]。

1995年，吴一伟利用室内模型试验研究了砂土液化后因固结沉降引起的桩侧负摩擦力与地面沉陷之间的关系，结果表明在地面沉降较小时（小于10mm），两者之间呈现近似线性关系[10]。

2006年，为配合浙江国华宁海发电厂项目，在香港科技大学土木工程离心机实验室进行了摩擦桩和端承桩的试验，童建国等用有效应力法和总应力法对试验结果进行了分析[11]。

此外，负摩擦力理论与计算方面的研究也不断进行。1975年，赵锡宏根据zeevaert计算在均质土的桩负摩擦力推广到层状土，提出了逐次趋近法。通过借鉴日本的研究成果，利用上海工程实例检验该法的适用性。研究成果受到同行关注。90年代末，他又深入研究并发表“承受负摩擦力的桩基沉降计算的迭代法”，随后引用到同济-理正桩基方案优化设计软件中，投入使用[12]。

2003年，夏力农等分析了带负摩擦力桩基的荷载传递特点，比较了带负摩擦力桩的实际工作状态与静载试压条件下的工作性状之间的差异。提出在桩基检测中，应当以不考虑负摩擦力因素作为对桩基的承载力检验标准：而设计中，则需要以考虑负摩擦力的承载力作为设计取值[13]。

而在数值模拟方面国内学者袁灯平等利用大型有限元分析软件ANSYS，考虑软土地基中桩土体的接触面效应，建立了桩土体相互作用分析的三维有限元分析模型，并重点模拟分析了某典型软土地区桩土荷载传递性状以及桩体特性、土体特性、桩土接触面参数、土体结构性及堆载等因素对负摩擦力的影响规律，模拟结果可为类似条件下桩基础的设计与施工提供有益的参考[14]。

国内外关于负摩擦力的研究主要集中在现场实验、室内模型\实验经验公式和数值模拟。因考虑到现场实验和室内模型实验耗资巨大，实验周期长，实验复杂且在土层的分层沉降的量测方面还有一些问题未能解决，所以研究者一般从经验公式法和数值模拟入手。结合室内模型和现场实测来研究负摩擦力的分布规律，对负摩擦力随时间发展、桩顶荷载的影响、负摩擦力的工程应用等问题正在进一步实践和探讨中。

3.存在问题

尽管国内外学者对负摩擦力做了大量研究，也取得丰硕的成果。但是由于桩土相互作用的复杂性，考虑负摩擦力影响的桩基问题依然是桩基设计的难点之一，主要表现为以下几个方面：

1.一般来说，负摩擦力并不发生于整个软弱土层中，负摩擦力的大小会影响桩基的沉降，而桩基的沉降反过来会减小负摩擦力，如此反复，最终达到动态平衡，这使得工程应用中如何估算桩基中性点的位置造成困难。中性点是指桩侧摩擦力为零，桩土相对位移也为零的点，中性点的确定是计算负摩擦力的关键[10]。

2.经验方法计算负摩擦力没有考虑到时间的影响。但是桩基实际工作时，地基的空隙水压和桩周土固结程度都会随时间的推移而变化[15]。空隙水压和桩周土固结稳定有时需要几年的时间才能完成。这就说明负摩擦力并不是不会变化的，要在某一特定条件下才能保证负摩擦力相对稳定。

3.群桩负摩擦力特性有待进一步深入分析，群桩效应影响下，负摩擦力对群桩力学特性问题会更加复杂，需要更多的理论和数值模拟分析。

4.现场原位测试及测试技术仍然需要加强。由于桩土相互作用非常复杂，而原位测试耗资巨大。很多设计单位宁愿把桩基设计得很保守也不愿意去做负摩擦力现场试验。长期这样下去，桩侧负摩擦力的研究就不会有很大的进步。仅仅靠那些简化的理论公式依然是不够的，关键还是实测数据要多起来，补充和完善经验公式。

二、^范文提纲

1 引言

1.1桩基负摩擦力研究的目的和意义

1.2国内外桩基负摩擦力的研究现状

1.3亟待解决的问题

2负摩擦力机理研究

2.1负摩擦力发生机理

2.2负摩擦力的产生条件

2.3负摩擦力特性研究

3桩基负摩擦力研究的工程应用

3.1单桩负摩擦力的计算

3.2考虑负摩擦力的单桩承载力确定

3.3考虑负摩擦力的单桩沉降计算

3.4考虑负摩擦力的桩基优化设计思路

3.5在工程中负摩擦力的削减措施

4结论与展望

三、参考文献

[1]Bjerrum L , Johannessen I J , Eide O. Reduction of Negative skin Friction on steel Piles to Rock. Proceedings of the Seventh International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico City ,1969 , Vol.2:27-33

[2]Fellenius B H , Broms B B.Negative Skin Friction for Long Piles Driven in Clay. Proceedings of the Seventh International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City , 1969 , Vol.2:93-98.

[3]Inoue Y , Tamaoki K , Ogai T. Settlement of Building due to Pile Downdrag.Proceedings of the Ninth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Okyo , 1977,Vol.1:561-564.

[4]Little J.A. , Toma T.M. The development of shaft adhesion with onset of negative skin friction for a fixed base model pile.Proceeding Second International Conference on Foundations and Tunnels.Engineering Technics Press, 1989.111-117.

[5]Kyu Hwan Lee, Min Bo Shim, Song Lee,Changtok Yi. A study on characteristic of negative skin friction on model pile. Proceeding of the Ninth International Offshore and Polar Engineering Conference.Brest,France,May 30-june,1999.718-723.

[6]Leung C F,Liao B K , Chow Y K ,et al.Behavior of pile subject to negative skin friction and axial load. Soils and Foundations, Dec2004,vol44,No.6:17-26.

[7]Poorooshasb H B , Alamgir M,Miura N. Negative Skin Friction on Rigid and Deformable Piles.Computer and Geotechnics,1996 , Vol.18,No.2:109-126.

[8]Emilios M.Comodromos and Spyridoula V.Bareka. Evaluation of Negative skin Friction Effects in Pile Foundations Using 3D Nonlinear Analysis. Computer and Geotechnics,2005,32:210-221.

[9]李光熠，汪彬.钢管桩负摩擦力及水平位移的测定.岩土力学，1988，Vol.9，No.2:89-97.

[10]吴一伟，费涵昌，林侨兴等. 砂土液化对桩基的影响.同济大学学报，1995，,23（3）:360-364.

[11]童建国，朱瑞燕.固结软土中单桩负摩擦离心机模型试验研究.电力勘测设计，2006年2月第一期：12-15,23.

[12]赵锡宏，张启辉，张保良.承受负摩擦力的桩基沉降计算的迭代法.岩土力学，1999,20（2）:17-21.

[13]夏力农，王星华.带负摩擦阻力桩基的设计与坚持.岩土力学，2003，Vol.24 :491-494

[14]袁灯平，黄宏伟，马金荣.软土地基桩侧表面负摩擦力解析模型.上海交通大学学报，2005,39（5）：731-741.

[15] 赵敏，张玉，刘银利.桩负摩阻力时间效应分析[J].地下空间与工程学报.2007,3(7):1327-1329