采动区桩基负摩阻力特性及透明土模型试验研究

Negative friction of piles is one of the important and difficult tasks in engineering, but current research on negative friction of piles in mining is less. To study production mechanism and development of negative friction of piles in mining, transparent soil and PIV (Particle Image Velocimetry) technology will be introduced. Based on transparent soil, pile model test will be carried out. The whole process of negative friction of piles will be continuous shot in mining by a CCD (Charge-coupled Device) camera. Then the images will be taken by PIV technology. Thus pile failure modes will be judged in mining, and effective measures to negative friction will be proposed. The pile design theory in mining area will be improved. Pile-soil interaction mechanisms and production of pile negative friction will studied, which is affected by the vertical movement in mining area. The whole displacement field of soil internal deformation will be analyzed during the process of axially pile negative friction. The results can not only help to perfect the theory and calculation method of the pile foundation design, but also has important theoretical significance and application value for urban construction and development.

桩基负摩阻力问题是岩土工程界广泛关注和研究的重点和难点之一，特别是采动区桩基负摩阻力特性问题已成为新的研究热点。为研究采动区桩基负摩阻力的产生及发展机理引入透明土和PIV技术（粒子图像测速法），开展基于透明土模型材料的采动区桩基模型试验，通过CCD（电荷耦合元件）相机对采动区桩基负摩阻力产生的全过程进行连续拍摄，然后通过PIV处理拍摄的图像，研究采动区既有轴向荷载桩的桩侧负摩阻力产生过程中土体内部变形的整个位移场，分析采动区地表垂直运动影响下的桩-土相互作用机制和桩侧负摩阻力的产生及发展变化机理，从而对采动区桩基的破坏模式做出判断，提出减小采动区桩基负摩阻力的有效措施，完善采动区桩基设计理论。研究成果不仅有助于推动桩基设计理论和计算方法的完善，还有助于推动采动区地基加固技术的发展，对矿区城镇建设和开发具有重要的理论意义和实用价值。

由采动区地表沉陷土体引发的建筑物桩基负摩阻力严重影响其承载能力，对其上部建筑物稳定性有较大危害性。本项目通过桩基透明土模型试验、数值分析和理论研究，对采动区桩基负摩阻力的产生机理、发展特性和桩基负摩阻力的影响进行研究，取得的主要成果如下：. 设计研发了一种采动区桩基承载力透明土模型试验系统（专利号：ZL.201610067954.3），试验揭示了采动区桩侧负摩阻力的产生机理，与天然地基土的桩侧负摩阻力不同：采动区桩基负摩阻力是由桩端的土体最先下沉，依次带动上部土体发生下沉而引起的，并且桩侧负摩阻力首先产生于桩端，桩基负摩阻力的产生范围是中性点以下到桩端的这部分桩侧。. 采动区摩擦桩桩基中性点的位置受地表沉陷范围的影响。摩擦桩的桩-土相对位移曲线分析表明：随着土体沉陷向地表延伸，桩基中性点的位置上升，桩基负摩阻力的产生范围也是不断增大，随着土体沉降量的进一步增加，桩基急剧下沉，其摩阻力有短暂的减小随后整个桩基失稳破坏。采动区端承桩主要承载能力由桩端土体提供，在地表沉陷过程中，桩端土体首先出现下沉和破坏，端承桩将会在较短时间内失去承载能力并快速被破坏。.建立了采动区桩基承载力学特性数值分析模型，研究发现了土体沉降量、桩顶荷载、桩长、桩径对采动区桩基负摩阻力都有影响。随着土体沉降量的增加，相同深度桩侧摩阻力先增大后减小，桩基中性点位置先上升后下降；随着桩顶荷载的增加，相同深度桩侧负摩阻力增大，中性点位置上移，桩基稳定性降低；随着桩长和桩径的增加，桩基负摩阻力的产生范围减小，同一比例深度处桩基侧摩阻力减小，桩基中性点位置下移，桩基稳定性增加。. 提出采动区桩基负摩阻力减小措施。根据采动区桩基负摩阻力的产生及发展特点，可以通过涂层法、套管法、增长桩长和增大桩径等方法改变桩-土接触面，以此减小采动区桩基负摩阻力。也可通过灌注桩和高压旋喷桩等桩基工艺，加固桩侧土体，减小桩-土相对位移，以此达到减小采动区桩基负摩阻力的目的。