第一章 緒 論

1.1 引言
21 世紀是海洋開發(fā)與利用的新時代，隨著科學技術水平的加強，國家加大了對海洋的開發(fā)力度，促進我國沿海地區(qū)臨港工業(yè)蓬勃發(fā)展。沿海地區(qū)，存在著大量的泥沙堆積，包括淤泥質(zhì)軟土和結(jié)構松散的砂土，其力學性質(zhì)表現(xiàn)為孔隙比大，，含水量高,土質(zhì)松散或軟弱，土壓縮性高、地基承載力低，常表現(xiàn)出典型的欠固結(jié)土特征。在這些地區(qū)進行農(nóng)業(yè)設施建造時，常采用樁基礎。由于欠固結(jié)土的固結(jié)尚未完成，后續(xù)固結(jié)過程會引起地基土沉降，存在地基沉降量大于樁沉降量的可能，這時就會產(chǎn)生樁側(cè)負摩阻力，對樁產(chǎn)生下拽力，這一載荷可能會造成樁身破壞、樁端地基的破壞等；地基一旦沉降幅度較大，還會使承臺底部與地基土相互脫離，產(chǎn)生承臺脫空現(xiàn)象，帶來管線破壞，嚴重影響建筑外觀（如圖 1 所示）；局部地基沉降可能也會對臨近的建筑物產(chǎn)生影響，使臨近建筑物產(chǎn)生傾斜或者裂縫。因此，我們需要對欠固結(jié)土中樁身負摩擦力問題及地面沉降控制技術進行研究。新型紡錘型樁的研究將是一項具有創(chuàng)新性的研究工作，它能有效地減少負摩阻力對建筑物的影響，對于欠固結(jié)地基中農(nóng)業(yè)設施的建造與使用具有重要的理論價值和工程意義；掌握地面沉降控制技術，能更好的減少工程隱患，保證人們的生命財產(chǎn)安全；因此，紡錘型樁的研究具備較高的學術價值和工程應用價值。
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
樁基負摩阻力現(xiàn)象是在樁基礎設計中的一個重要問題。20 世紀中期, 人們才逐步認識到樁基負摩阻力對樁基設計的影響, 并逐漸提出樁側(cè)負摩阻力、樁身軸力、中性點等觀點。20 世紀中后期，國際上對于樁負摩阻力問題更加努力地探尋鉆研，使其成為這個時代最為熱門的研究；Terzaghi[1]于 1960 年發(fā)現(xiàn)了估算端承樁單樁下拽力大小的方式,它假定樁身摩阻力徹底達到極限值時,將會在全體樁長內(nèi)形成樁與土之間的相對位移的運動過程；Johannessn 和 Bjerrum[2]發(fā)現(xiàn)樁負摩阻力的計算是通過有效應力的運算得出的。有效應力計算法是極限剖析法的體現(xiàn),在樁土產(chǎn)生相對位移比較小的時候往往采用該方法，會產(chǎn)生明顯的成效。在最近的幾十年中, 負摩阻力和樁的時間效應的研究，已成為一個熱點，是我國巖土學術界和工程界的難題。許多學者從理論分析、數(shù)值模擬、模型實驗和現(xiàn)場試驗四種途徑開展，對等截面樁、楔形樁、擴底樁的負摩阻力特性方面進行了深刻研究，并且取得了豐碩的成果。理論分析方法,能夠清楚的了解樁基負摩阻力現(xiàn)象產(chǎn)生的機理，概念清楚，是一種重要的研究手段。樁基負摩阻力經(jīng)常使用的理論分析方法包括：極限理論與彈塑性理論分析，荷載傳遞與剪切位移分析等等。極限分析法和彈塑性理論分析是假定土體特性是彈性、塑性的連續(xù)體，并對其負摩阻力進行研究，與實際受力狀況差異較大，其方法很難考慮樁土界面滑移機理。荷載傳遞法，因為它具有計算方式簡單, 能清晰地表現(xiàn)出樁周土體、樁本身的應力、應變關系的特點, 因此在工程實踐中應用廣泛。但是這種方法也存在著一定的缺陷,如對于土的應力場、固結(jié)沉降等問題,并沒有進行深入研究，更不用說考慮群樁效應,顧慮到土下臥層因素, 也就不能反應樁側(cè)阻力增強或減弱的規(guī)律。
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第二章欠固結(jié)軟土地基中等截面單樁負摩阻力數(shù)值模擬

2.1 引言
伴隨著科學技術的飛速發(fā)展，在土木工程、樁基研究方面計算機技術的使用范圍越來越廣。在巖土本構模型的研究方面，大多學者采用數(shù)值模擬分析法。因為數(shù)值模擬方法不僅能夠節(jié)約大量的實驗資金和縮短工期,還能避免實驗過程中產(chǎn)生的誤差。通過對數(shù)值模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場實驗或者模型實驗的結(jié)果進行對比,來驗證模型的可行性、合理性。本章運用 ABAQUS 三維有限元數(shù)值模擬軟件，創(chuàng)建了等截面單樁的有限元數(shù)值模型。通過模型研究了樁頂在豎向荷載與樁周土堆載作用下,樁頂?shù)某两怠吨芡馏w表面的沉降、中性點的位置以及樁側(cè)摩阻力之間的變化規(guī)律。
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2.2 ABAQUS 軟件簡單介紹
ABAQUS 程序常用的幾個菜單命令：
1.模型單元定義：通常分為三角形單元和矩形單元，嘗試劃分單元時要規(guī)則劃分，從而避免異常單元；
2.材料屬性的定義：要求分析和定義不同類型特點材料，大多包含應力材料特性分析和其他材料特性分析，如彈塑性、滲透性等等；
3.分析步的定義：根據(jù)所建模型，模擬其操作步驟。按照具體情況合理定義時間步長，否則容易造成計算的不收斂。
4.接觸條件的定義：定義樁土們之間的相互作用關系，需要設置樁土間的接觸面，摩擦系數(shù)等條件。
5.邊界條件的設定：ABAQUS 提供了好多種邊界條件的設定類型，如應力應變分析，熱傳導分析，流體耦合分析等；我們還要注意邊界條件的自由度問題，設置好位移轉(zhuǎn)角。
6.載荷條件的定義：包括靜力通用、動力、重力載荷、土瞬態(tài)固結(jié)等載荷的定義。
7.網(wǎng)格劃分：需要將網(wǎng)格合理劃分為四面體或六面體單元，網(wǎng)格劃分不要太密，否則會增加計算時間、計算工作量；網(wǎng)格劃分也不要太稀疏，否則會造成計算不住準確，效果不明顯
8.初始條件定義：需要編輯關鍵字，輸入命令來完成初始條件的定義和施加，它包括初始地應力、初始孔隙比、初始孔壓等條件。
9.提交運行與后處理：條件設定完成后，建立 job 文件并提交運行；工作完成后根據(jù)需要進行后處理，得出場變量和歷程輸出，比如位移，應力，應變、孔壓、溫度等場變量。
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第三章 紡錘型樁的單樁負摩阻力特性理論分析.....24
3.1 負摩阻力的定義 ........24
3.2 產(chǎn)生負摩阻力的主要原因 ....24
3.3 影響負摩阻力的因素 ......25
3.4 中性點的位置 ......25
3.5 紡錘型樁的豎向荷載傳遞性狀分析 ......26
3.6 紡錘型樁負摩阻力特性分析 ......26
3.7 減少樁基負摩阻力的方法 ....28
第四章 欠固結(jié)土中紡錘型單樁負摩擦力數(shù)值模擬及設計優(yōu)化.....30
4.1 引言 ....30
4.2 紡錘型單樁負摩阻力特性有限元數(shù)值模擬 ......30
4.3 紡錘型樁負摩阻力模擬計算結(jié)果分析 ........32
第五章 軟土地基中紡錘型樁控制地面沉降的技術應用.....44
5.1 背景技術 ........44
5.2 地基沉降帶來的危害 ......44
5.3 現(xiàn)有的防治地基沉降方法 ....44
5.4 紡錘型樁的設計工藝 ......45
5.5 紡錘型樁控制地面沉降技術應用 .....47

第五章 軟土地基中紡錘型樁控制地面沉降的技術應用

5.1 背景技術
軟土由于其本身具有高的含水量，孔隙比，壓縮變形以及固結(jié)時間長和變形穩(wěn)定所需時間長等工程特性[58]，所以一般情況下，不能把它作為天然地基直接使用，而是需要經(jīng)過地基加固處理來減小地基在荷載作用下引起的沉降或不均勻沉降。地基沉降會導致建筑物樁基承臺脫空，產(chǎn)生裂縫，甚至使建筑物發(fā)生傾斜、斷裂，從而帶來一系列的工程隱患，因此我們需要做好軟土地基處理工作。軟土地基處理方法很多，但是其目的是地基必須滿足強度、變形和透水性的要求，減小地面沉降。在軟土地基中的建筑物，由于土質(zhì)疏松，很容易使土體發(fā)生壓縮變形，這將導致樁側(cè)負摩阻力的產(chǎn)生,但是樁基礎受到負摩阻力的影響最大。因此我們要綜合考慮這些問題,否則樁基礎的設計時可能會導致:樁端地基破壞,樁身損壞,建筑物不均勻沉降。尤其是，我國沿海地區(qū)存在著大量的淤泥或軟粘土,所以負摩阻力的問題更加突出，從而帶來一系列的工程危害。

結(jié)論

本文主要是對紡錘型樁負摩阻力特性及控制地面沉降技術應用的研究，分析了土體彈性模量、摩擦系數(shù)、土體固結(jié)時間、樁頂豎向荷載與地面堆載作用等因素對中性點的位置、樁側(cè)負摩阻力、下拉載荷和樁土位移做了較為系統(tǒng)的介紹與闡述。運用ABAQUS 軟件建立了樁土的三維數(shù)值模型, 分析了樁側(cè)負摩阻力和地面沉降的變化規(guī)律, 通過對紡錘型樁與等截面樁的負摩阻力和下拉載荷的數(shù)值模擬分析,得出了以下結(jié)論：
1、通過對等截面樁和紡錘型樁的三維數(shù)值模擬，研究在樁頂豎向載荷、地面堆載共同作用下其負摩阻力和地面沉降的變化規(guī)律。分析土體固結(jié)時間、樁土間摩擦系數(shù)的大小、地面堆載、樁頂豎向載荷等因素對中性點的位置、樁側(cè)負摩阻力、下拉載荷的影響規(guī)律。結(jié)果證明：樁土間相對位移影響樁負摩阻力發(fā)展變化；當在樁頂施加的豎向荷載越大,那么土體對樁身的下拉載荷越小，樁負摩阻力減��；地面堆載越大，地面沉降越大,樁基受到的樁身下拽力和樁身沉降越大，負摩阻力增大；摩擦系數(shù)越小，有利于減小負摩阻力；隨著土體固結(jié)時間的增長,樁側(cè)負摩阻力的變化規(guī)律也表現(xiàn)出明顯的時間效應，隨著時間的增長而逐漸穩(wěn)定。
2、紡錘型樁較一般等截面樁而言,由于樁體楔形面的存在，使樁周土體的受力情況發(fā)生了改變,樁的拱腳處給土體提供了更大的支撐,有利于提高樁基承載力。
3、紡錘型樁的樁側(cè)負摩阻力，隨著樁周土體彈性模量的增大而增大；樁土間摩擦系數(shù)減小，樁負摩阻力減�。粯俄斬Q向載荷增加，樁負摩阻力減小。
4、紡錘型樁錐角的大小影響樁側(cè)負摩阻力，它隨著錐角的增大而減小，并且有利于減小地面沉降。但是，錐角不能的無限擴大，它是有一定限度的，否則會對樁體本身產(chǎn)生破壞。
5、紡錘型樁具有良好的端承性狀、高的承載力和較小的沉降，其技術經(jīng)濟效果顯著,能夠節(jié)省材料，降低成本；在軟土或軟粘土等地基中，紡錘型樁具有明顯的優(yōu)勢，有較高的工程應用價值。
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參考文獻（略）