湿陷性黄土桩基负摩阻力影响因素数值分析

　　摘 要：自重湿陷性黄土场地桩基浸水后产生的负摩阻力对建筑安全具有不利影响，但目前对黄土桩基负摩阻力大小影响因素的认识尚未完全统一。利用有限差分程序建立黄土桩基浸水湿陷模型，研究了影响负摩阻力大小的因素。结果表明，中性点深度对桩侧负摩阻力具有显著影响；负摩阻力随自重湿陷量增大而逐渐增大，但其达到一定量值以后逐渐趋于稳定；桩侧土体的抗剪强度参数对桩侧负摩阻力有一定的影响作用；而桩顶荷载对桩侧负摩阻力的影响不大。
　　关 键 词：湿陷性黄土；桩基；负摩阻力；数值模拟
　　中图分类号：TU 473.1+6 文献标识码：A
　　1 引言
　　混凝土桩基础是湿陷性黄土地区常用的基础形式。在自重湿陷性黄土场地，由于黄土在自重和浸水作用下会发生显著湿陷沉降，因而桩基设计应考虑负摩阻力作用，负摩阻力大小和中性点深度是自重湿陷性黄土场地桩基设计所需的两大关键参数。自20世纪70年代以来，国内学者开展了一些现场单桩竖向承载力静载荷浸水试验（黄土桩基浸水试验）研究湿陷性黄土场地桩基负摩阻力的大小[1-5]，但黄土桩基负摩阻力的影响因素至今没有完全统一的认识，具体表现在如下方面：
　　（1）建筑行业的黄土规范[6]和桩基规范[7]均对黄土桩基负摩阻力的取值有建议，但两者的取值方法不同，前者主要依据自重湿陷量进行取值，后者则主要依据中性点深度按有效应力法取值。
　　（2）早期黄土桩基浸水试验得出桩顶荷载对负摩阻力大小具明显影响的结论[2,3]，但近年也有文献[8]指出在消除现场试验中混凝土徐变影响后再进行分析，桩顶荷载对负摩阻力大小的影响有限。
　　此外，目前国内在陕西、甘肃、河南、宁夏、山西等省的10余个湿陷性黄土场地开展了超过30根桩的现场黄土桩基浸水试验，但得到的黄土桩基负摩阻力无论是随自重湿陷量还是随中性点深度变化都显得比较离散[4]，得不出较好的规律性认识。一方面反映出黄土桩基负摩阻力问题的复杂性，另一方面实际上也反映出现场黄土桩基浸水试验准确测试桩基负摩阻力具有一定难度，试验过程中的测试精度、环境温度、混凝土蠕变、混凝土弹性模量（空间和时间上）的变化等都会导致测试误差的产生，甚至于要在长达数月的测试中保持桩顶荷载恒定这一看起来简单的条件往往也不容易做到，唯有考虑到各种可能影响测试结果的因素，采取措施精心测试才能获得接近实际的结果。
　　鉴于黄土桩基负摩阻力问题的上述研究现状以及黄土桩基浸水试验目前具有的缺陷，利用数值计算便于限定边界条件，计算参数灵活多变的优点，本文通过有限差分模拟技术，研究了桩顶荷载、自重湿陷量、中性点深度及土体抗剪强度等对桩侧负摩阻力大小的影响，以期从理论角度分析可能影响黄土桩基负摩阻力的因素，并加以排序，以便将来通过现场黄土桩基浸水试验积累负摩阻力资料并进行规律性分析时更有针对性。
　　2 计算模型及参数
　　建立桩长为50m、桩径为0.8m的混凝土单桩，桩周围为黄土和粘性土的概念计算模型，其中自重湿陷性黄土层厚度为20m（研究中性点深度对负摩阻力大小的影响时除外）。考虑模型的对称性，单桩取1/4模型作为计算域，具体几何模型及网格划分如图1所示。计算初始地应力时，模型四周为横向约束，底部为横向和纵向约束。在计算湿陷情况下，将模型中粘性土层设为纵向约束，使上部黄土层湿陷变形仅在黄土层中产生，粘性土层不产生竖向变形。
　　土体采用摩尔-库伦模型，桩体为混凝土材料，采用各向同性弹性模型。桩-土之间设置三角形接触面单元。接触面参数根据相邻土体参数确定。黄土湿陷计算采用强度折减的方法，即按照浸水后黄土的计算参数减小，桩体与粘性土层的计算参数不发生改变进行计算。根据黄土地区黄土、粘性土有关参数的大致范围，本次计算需用的计算参数如表1、表2所示。已有研究表明，桩土发生相对滑移时，剪切面实际发生在与桩体相邻的土体中[9]，因此在本计算中接触面的抗剪强度参数（粘聚力和摩擦角）取为与相邻土体一致。
　　目前的黄土桩基浸水试验，采用在桩体中埋设传感元件进行负摩阻力测试常用的方法包括两种，即“先湿法”（先湿工况）和“后湿法”（后湿工况）[2-5]，其区别在于在试验中是先浸水还是先对桩顶施加荷载，后者浸水前先在桩顶施加一定荷载，沉降稳定后向桩周试坑浸水，保持桩顶荷载不变测试桩周负摩阻力，然后将桩加载至破坏；前者测试负摩阻力过程中桩顶不加载，待浸水且负摩阻力测试完成后将桩加载至破坏。本次数值计算总体上也模拟上述试验方法，但可将两种试验方法进行统一，计算过程如下：先采用黄土湿陷前参数分级对桩加载（模拟浸水前加载），然后采用黄土浸水后参数模拟黄土的自重湿陷，分析负摩阻力和浸水附加沉降的大小，之后再继续对桩分级加载。 　　3 数值模拟计算结果及分析
　　3.1 桩基浸水前预加荷载对负摩阻力的影响
　　按图1模型和表1参数，可计算得在无桩情况下，20m深度湿陷性土层的自重湿陷量为312mm，平均自重湿陷系数为0.016。本次计算设计桩基浸水前桩顶预加荷载分别为0kN、2000kN、4000kN、6000kN、8000kN和10000kN。 　　（2）内摩擦角对负摩阻力的影响
　　采用图1计算模型，仅改变表1和2中黄土“湿陷后”参数中的内摩擦角，而保持其它参数不变，计算预加桩顶荷载2000kN后的桩身荷载传递性状，以研究内摩擦角对负摩阻力的影响。计算采取的内摩擦角取值及有关计算结果见表7，从中可以看出随着内摩擦角的增大，负摩阻力也有逐渐增大的趋势。与粘聚力变化引起的负摩阻力增幅相比，内摩擦角的影响稍强，摩擦角增加10°，负摩阻力值增加了12kPa。