当桩身穿越软弱土层支承在坚硬土层上, 软弱土层因某种原因发生地面沉降时, 桩周围土体相对桩身产生向下位移, 这样使桩身承受向下作用的摩擦力, 软弱土层的土体通过作用在桩侧的向下的摩擦力而悬挂在桩身上;这部分作用于桩身的向下摩擦力, 称为负摩阻力。负摩阻力的出现、发展和发挥都是桩体相互作用的结果。它非但不能为桩承担上部荷载做出贡献, 反而产生向下的下拽力加重桩的负荷, 造成桩身破坏, 结构物不均匀沉降等不利影响。国内外对于负摩阻力的研究已经持续了几十年, 不过, 研究端承桩与摩擦桩负摩阻力性状对比的文献资料基本上没有。针对端承桩与摩擦桩负摩阻力的性状对比试验还未见到相关报导。有限元分析结果表明, 端承桩与摩擦桩负摩阻力的性状具有明显的差异。本文通过相同条件下端承桩与摩擦桩负摩阻力性状对比的模拟试验研究, 探求端承桩与摩擦桩桩侧负摩阻力性状的差异性。
本试验中, 试验基坑深2m, 长净空5m宽净空1.25m, 基坑四壁为钢筋混凝土结构, 并用防水材料进行了防水处理。在距基坑底部30cm处环绕对称安装排水管, 并且接有控水阀门。排水管道设置2%的排水坡度, 并均匀地打着小孔后, 用带小孔纱布进行包裹, 防止细砂随着水排出。
本次试验桩周土采用砂土 (采用砂土可以大大缩短土体沉降完成所需要的时间) 砂土采于长沙市开福区某工程场地。砂土为黄褐色, 松散状, 矿物成分主要有:云母和石英, 含少量的粉土。
填筑完成后, 在试验槽内随机选择两个位置进行标准贯入度试验, 测得N1=1N 2=1, 因此标准贯入度试验结果选择为N=1。由《工程地质手册》的经验计算公式得:压缩模量E s=5.0 MPa, 相对密实度Dr=0.24, 内摩擦角φ=27.3°。经现场取试验砂土进行室内试验, 得到砂土的物理参数为湿重度为17.9k N/m3;干重度为14.1k N/m3空隙比为0.96;密度为2.59k N/m3。
本实验的模型桩采用长120cm, 外径63 cm的P P R塑料热水管, 沿纵轴线方向剖成两半, 每一半按照一定间距对称的贴上七个应变片, 接线, 并涂环氧树脂作防水保护;然后将桩管重新黏合, 并做防渗处理, 应变片及导线布置在桩体内侧, 保护应变片的同时, 避免应变片引出线对桩周土体的扰动, 接着对桩底端进行封口, 在桩外侧用环氧树脂粘上细砂 (粒径在0~2mm之间) 以增加粗糙度, 采用直剪实验取桩—砂摩擦系数。
在实验槽底部填入一定厚度、粒径在5~1 0mm之间的碎石, 同时对称的布置一定数量的排水管, 关闭与密封容器相连接的阀门。
实验槽内注满水, 接着在一定的高度均匀地填入相同的砂土, 确保两组实验有相近的密实度, 与此同时在设定位置预埋压力计、模型桩 (埋桩时取桩距为20d) 、单点沉降计、孔隙水压力计。
在各分层沉降标顶部及地表设置大量程百分表。打开与密封容器相连接的阀门放水, 使地下水位位于砂土表面。
静置一定时间后, 记录初始值, 同时给桩进行第一次加载, 在第一次加载后, 在设定的时间内记录相应的数据 (沉降和应变) 。初期数据采集的时间间隔较小, 后期数据采集时间间隔较大, 直至数据变化很小或不变时停止数据采集;然后继续第二级加载, 所加荷载与第一级荷载相同, 并记录数据 (沉降与应变) , 直到所测数据趋于稳定;最后进行第三级加载, 所加荷载与第一、二级荷载值相同, 并记录数据, 直到所测数据稳定。待沉降基本稳定后, 打开与密封容器相连接的阀门排水, 进行第一次降水, 待降水水位稳定, 使水压达到设定值, 在设定的时间内记录相应的数据 (沉降和应变) , 直至数据变化很小或不变时停止数据采集;然后进行第二次降水, 使水压达到设定值时, 关闭阀门, 在设定的时间内记录相应的数据 (沉降和应变) , 直至数据趋于稳定时停止数据采集;最后进行第三次降水, 使水压达到设定值时, 关闭阀门, 在设定的时间内记录相应的数据 (沉降和应变) , 直到所测数据稳定便停止数据采集。
试验的结果表明:在本次试验的地下水位下降的条件下, 端承桩的负摩阻力表现得比摩擦桩明显得多, 随着地下水位下降幅度的增加, 负摩阻力越大。中性点位置随着地下水位的降低而降低。而在摩擦桩中, 本次试验没有测试到明显的负摩阻力, 但是地下水位的下降改变了桩身摩阻力的分布。上部桩身的摩阻力减小, 下部桩身的摩阻力增大。
端承桩和摩擦桩在桩顶加载后和各级降水条件下的沉降, 从中可以看出, 端承桩的沉降在荷载以及各级降水条件下均小于摩擦桩的沉降。
加载及降水变形稳定后端承桩的摩阻力分布变化:在降水初期, 负摩阻力并没有出现, 不过从摩阻力分布看, 桩身上部的摩阻力明显减小了。在第二级和第三级降水中, 出现了负摩阻力, 而且, 负摩阻力的强度随着降水的加深而增大, 中性点位置降低, 当然, 还伴随着沉降的增加。
加载及降水变形稳定后摩擦桩的摩阻力分布变化:在三个降水阶段完成后, 摩擦桩中没有出现负摩阻力, 不过从摩阻力分布看, 桩身上部的摩阻力明显减小了。随着降水深度的增加, 摩阻力的这样变化的趋势变得更加明显, 这也应该是降水在桩身的作用。当然, 摩阻力变化的过程同样伴随着沉降的增加。
通过对比试验, 我们发现, 端承桩和摩擦桩在降水条件下的负摩阻力特性有比较明显的差异。
通过模拟试验研究了在相同条件作用下端承桩与摩擦桩的沉降、桩身轴力、负摩阻力特性的变化规律。综合上述试验测试结果, 得到以下结论: (1) 在同样的降水条件下, 端承桩的负摩阻力出现比摩擦桩更早。 (2) 端承桩的中性点位置的变化波动比摩擦桩更加明显。 (3) 即使摩擦桩在本次试验中没有出现负摩阻力, 降水也会使桩身摩阻力的分布出现变化:上部的摩阻力减小, 下部的摩阻力有所增加。这种现象, 在端承桩没有出现负摩阻力的阶段也同样存在。
摘要：通过对普通砂中桩竖向静载的模型试验, 分析了在相同桩顶静载作用下桩的沉降稳定后, 当地下水位下降时, 端承桩与摩擦桩桩侧负摩阻力的变化规律。实验结果表明, 在地下水位下降时, 端承桩与摩擦桩桩侧负摩阻力的变化具有明显的差异。随着地下水位的下降, 端承桩最先出现负摩阻力, 负摩阻力引起的下拽力也随地下水位的下降而增大, 中性点位置较低, 桩顶沉降较小;摩擦桩而后出现负摩阻力, 负摩阻力引起的下拽力随地下水位下降而减少, 中性点的位置也随着地下水位的下降而上升, 桩顶沉降较大。这对桩基负摩阻力性状的研究具有较大的意义。
关键词：桩顶荷载,地下水位,负摩阻力,性状,试验
