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桩基负摩阻力问题较复杂,一直是工程界广泛关注和研究的重点和难点课题之一。本文依托国家科技支撑计划“港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范”(2011BAG07B01)的子课题“海底沉管隧道基础沉降控制技术研究”进行研究,主要进行了界面剪切试验、砂土中不同桩数和桩距的负摩阻力试验,分析了围载和边载作用下负摩阻力群桩的承载特性,并对试验结果进行了数值模拟和理论分析对比,探讨了港珠澳大桥实际工程背景的负摩阻力。 首先进行了接触面直剪试验,获得了试验土样与接触面材料剪应力与正应力的关系,得出试验砂土与钢接触面的抗剪强度指标。 对砂土端承桩进行室内试验研究,通过单桩、双桩(3D、4D、5D、6D)以及3×3群桩(3D、4D、5D)的系列模型试验,研究了桩顶荷载与地面堆载共同作用下,地基土固结沉降过程中桩基负摩阻力、中性点位置以及土体分层沉降的发展情况,分析了桩间距、桩基位置(中心桩、边桩、角桩)、桩数等因素对群桩负摩阻力特性的影响规律。研究结果表明:随着土载、桩间距(3D~6D)的增大,中性点位置逐步下移,最终基本位于距桩顶0.8~0.9L桩身处;当桩间距接近6D时,群桩效应趋近于零;群桩中负摩阻力大小和中性点深度表现为中心桩<边桩<角桩;边载作用与围载作用相比较:桩顶沉降偏小,负摩阻力偏小,中性点位置偏高,群桩中各位置桩所产生的负摩阻力基本一致;与围载的情况不同,边载作用下沉降比随土载的增加而减少。 对室内模型试验的中性点位置、下拽力以及群桩效应系数进行理论计算,并将计算结果与试验值进行对比,所得结果差值在22.6%~41.3%之间。 对室内模型试验进行了三维有限元数值模拟,室内试验与模型试验比较,负摩阻力分布规律基本一致。另外,针对港珠澳大桥的实际工程背景,利用数值模拟方法分析了不同设计工况下负摩阻力的分布规律,为工程设计提供参考,结论表明:从经济安全的角度出发,港珠澳大桥设计时E1段可以考虑使用减载箱,持力层采用粗砂层即可。