钢管桩抗拔摩擦力的计算方法研究

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2018.17.013

2018 NO.17Science and Technology Innovation Herald科技创新导报钢管桩抗拔摩擦力的计算方法研究

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①

刘德风1 徐本春1 谭斌1 左生荣2 朱伟伟3 石旷4

(1.中国一冶集团有限公司湖北分公司 湖北武汉 430080；2.湖北省路桥集团有限公司 湖北武汉 430000；3.中国电力工程

顾问集团中南电力设计院有限公司 湖北武汉 430071；4.武汉理工大学交通学院 湖北武汉 430063)摘 要：在弹塑性力学Mohr-Coulomb强度理论基础上，采用土体微元，推导出多层土中钢管桩侧摩擦应力的计算公式，

最后用分层积分方法，推导出多层土中钢管桩抗拔摩擦力的计算公式，并以实际工程为例，分析钢管桩抗拔摩擦力的影响因素，并总结出如下结论：(1)钢管桩侧摩擦应力随深度增加逐渐增大，应力增加速率逐渐降低。(2)桩侧不同土体对抗拔摩擦力影响不同，土的密度、粘聚力、内摩擦角都会产生影响。(3)桩径越大抗拔摩擦力越大，随桩埋入深度增加的速率也越大。关键词：土体微元 钢管桩 抗拔摩擦力中图分类号：U415 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)06(b)-0013-03

钢管桩抗拔摩擦力与土与钢管桩接触面的性质有关，接触面的性质主要与土的性质有关，1773年，库伦首先提出土的强度理论。之后，人们基于此强度理论，提出一系列桩侧摩阻力及抗拔阻力理论[1-3]，由于桩、土性质多样性以及施工、荷载等条件的复杂性，使得抗拔摩阻力的计算十分困难。张厚先[4]的研究是对有效应力和基于有效应力的派生方法作改进和完善，提高单桩侧摩阻力的计算精度。杨庆等人通过单桩竖向静荷载实验，分析了在桩周土堆载的条件下桩侧摩

[5]

15～20倍，设土的有效作用范围为D,钢管桩外径为d，土体颗粒密度为，假定土体颗粒间的竖向作用力只与深度有关。本文桩土界面相互作用采用Mohr-Coulomb强度理论，认为桩土界面摩擦力与水平压力和接触面摩擦角有关。

国外经验认为，钢管桩直径在2m以内，钢管桩内部土的摩擦力可以不计。取位于深度z与z+dz之间的环形土体，列竖向力平衡方程：

πππσz(D2−d2)−(σzdσz)(D2−d2)ρg(D2−d2)dz −444阻力随深度的变化规律，研究发现摩擦桩中性点的位置随桩

dz−πτ1ddz−πτ2Ddz0 (1)

周土含水率、堆载等级发生变化。王洪涛等人[6]在土体Mohr-

式中,τ1、τ2分别为钢管桩外壁与土体摩擦应力，外层土体对土体微元的摩擦应力。土体微元竖向应力与水平应力之间的存在关系：

στ k=τz (2)

Coulomb强度准则的基础上，对非均质土体中锚索的极限抗拔力进行研究，计算研究表明，锚索抗拔力的数值随土体的非均质性与各向异性的变化而发生显著改变,随着土体非均质常数的增加锚索极限抗拔力逐渐提高。

由于抗拔摩阻力的研究历史大部分都以实验为基础，相关基础理论不够完善，下面基于Mohr-Coulomb强度理论，取土体有效作用范围，以土体微元推导出钢管桩抗拔力计算公式，同时讨论抗拔摩擦力的影响因素以及在实际工程中的作用。

式中,k为土的静压力系数,土压力系数与土的内摩擦角有关，与摩尔库伦强度存在内在联系。设、分别为土与钢管桩摩擦系数，土内摩擦系数：有：

τ1= +cµ1kσz (3)

cµ2kσz (4)τ2= +1 土体微元推导抗拔摩擦力

研究桩与土相互作用，一般土的直径范围取桩径的

密度(g/cm3)

1.981.891.4

联合（1）～（4），得：

dσzγ−λσz (5)dz表1 土壤参数表

类别粘土粉粘土细砂

内摩擦角0.260.180.58

摩擦系数0.260.180.58

静压力系数

0.750.970.5

粘聚力(Pa)1.5e51.1e50

①作者简介：刘德风(1988—)，男，汉族，湖北宜昌人，本科，工程师，主要从事公路、市政桥梁结构工程方面研究工作。 通讯作者：石旷(1995—)，男，汉族，安徽宿松人，硕士研究生,主要从事桥梁结构工程方面的研究，E-mail:1958834735@ qq.com。

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应力(KPa)166164162160158156154152051015深度(m)202530图1 桩侧摩擦应力随深度变化曲线

抗拔摩擦力(KN)1400120010008006004002000粘土粉粘土细砂051015202530深度(m)图2 不同土质抗拔力随深度变化曲线抗拔摩擦力(KN)250020001500d=0.377m1000d=0.63md=0.92m5000051015深度(m)202530图3 不同桩径抗拔力随深度变化曲线

其中γ=ρg-D−d,λ=D−d，解出：

（1-e−λz) (6)σzγλ-1224c4k（µ2Dµ1d)据地质详勘报告，钢管桩周土壤参数见表1。

对粘性土取桩土界面摩擦角与土的内摩擦角比值在0.6～0.7之间较为合适，这里取桩土界面摩擦角为0.7ϕ，土体的有效作用范围取20倍桩径。2.2 不同桩体对抗拔摩擦力的影响

实际工程中，由于栈桥支架钢管桩长度不同，所埋入

=由（3）、（5），得出τ1公式为：

-1τ1=c+µ1kγλ（1-e−λz) (7)

若有n层土，总的抗拔力T需进行分层积分，得出总的抗拔力公式为。

T=πd（∫τ1d +z∫τ2d +z0h1h1h2+∫τndz） (8)

hn-1hn土层的深度不同，对抗拔摩擦力的影响也不同，钢管桩规格不同，土质变化也会产生影响，现利用推导的公式，对同一桩长下钢管桩沿深度方向的摩擦应力进行计算，如图1所示，对不同土质、不同桩径下抗拔摩擦力这两组参数进行计算，如图2，图3所示。

2 工程实例

2.1 工程概况

石首市建宁大桥施工支栈桥，为满足支架栈桥承载能力要求，采用Q235材质钢管桩，做为支栈桥施工基础。根

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工程技术

由图1～图3可总结出，相同土质相同的钢管桩，随着深度的增加，桩侧摩擦应力逐渐增加，且增加的速率逐渐趋于平缓。相同的直径的钢管桩，不同的土质，随着桩深的增加，抗拔摩擦力逐渐增大，不同土质增大幅度不同，抗拔摩擦力与土的密度，摩擦角，粘聚力均有关。相同的土质，不同规格的钢管桩，随桩深增加，抗拔摩擦力逐渐增大，桩径越大，抗拔摩擦力越大，且桩径越大，抗拔摩擦力随深度的增加，增大速率变大。

2018 NO.17Science and Technology Innovation Herald科技创新导报参考文献

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3 结语

本文采用土体微元推导出钢管桩抗拔摩擦力的计算方法，能较大程度模拟实际工程中抗拔摩擦力的变化，由计算结果对比显示，钢管桩抗拔摩擦力与土的性质，埋深，钢管桩规格均相关，他们之间的关系均为非线性。

现行的抗拔摩擦力的估算方法，有根据规范公式计算或现场实验确定，但在理论方面，较少有提出确切的计算方法，本文推导出来的钢管桩侧摩擦应力的公式可以针对不同的土层进行分层积分，计算出抗拔摩阻力数值，能够模拟出实际钢管桩抗拔力在不同条件下随深度变化趋势。

(上接12页)

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[5] 方开泰,马长兴.正交与均匀实验设计[M].北京:科学出版社,2001.

见表7。

3.2 优化结果对比分析

为了验证优化出来的缝道参数对多段翼型气动特性是否有很大的改善，分别对初步设计时确定的多段构型和优化后的多段构型进行仿真，见表8至表11。

4 结论

本文利用均匀试验设计方法设计了不同缝道参数组合的数值仿真工况，并对仿真结果进行了数据分析。同时，以升力系数和升阻比为目标函数构建了二次响应面，利用遗传算法对构建的二次响应面进行了寻优。得到了起飞状态下升阻比最大和着陆状态下升力系数最大的缝道参数组合，并得到以下结论。

(1)利用均匀试验设计，在明显减少试验量的情况下使样本点的分布更均匀。

(2)构建了6个缝道参数变量和目标函数之间的二次响应面，提高计算效率和盲目性。

(3)利用遗传算法进行了寻优，获得起飞状态下升阻比最大和着陆状态下升力最大的缝道参数组合。

参考文献

[1] 《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册(第6册)：气

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