樁基負摩阻力產(chǎn)生的原因、計算與處理

■韋海霞 ■北京喬波冰雪家園置業(yè)有限公司，北京 100107

樁四周的土體因為濕陷、固結(jié)、地面荷載的影響下會產(chǎn)生下沉，當(dāng)下沉量超過樁的沉降時，就會對樁向下產(chǎn)生一定的摩擦阻力。而這些摩擦阻力會使樁的負荷進一步增加，從而使樁基的沉降也進一步增加，影響結(jié)構(gòu)的安全性。并且會在結(jié)構(gòu)上部產(chǎn)生附加應(yīng)力，對工程的安全性有比較大的影響。所以，做好樁基負摩阻力的研究具有重要意義。

1 案例介紹

某公路橋梁工程總施工長度為95.2m，結(jié)構(gòu)上部使用5 ×15m 的預(yù)應(yīng)力混凝土簡密肋式T 梁，橋墩使用實體橋墩。剩下的橋墩都使用雙柱式結(jié)構(gòu)，使用樁基配肋臺作為橋臺。本橋梁工程使用直徑為1.0m 的鉆孔灌注樁進行施工，樁的設(shè)計長度為16m，地面大面積堆載為P=60kpa。樁周圍軟弱土層的下下限深度為l0=15m，按照工程的施工要求，將基坑開挖17.3m，對其回填后要求高程為32.2m。使用黏土、粉質(zhì)黏土和粉土進行回填，要求壓實度在90%以上。樁間土分布參數(shù)如圖1 所示。

圖1 樁間土分布參數(shù)

2 造成軟土地基樁基負摩阻力出現(xiàn)的原因以及危害

2.1 造成軟土地基樁基負摩阻力出現(xiàn)的原因

樁相由于受到軸向荷載的作用，導(dǎo)致樁測土體出現(xiàn)位移的情況，從而使土體對樁身形成向上作用的摩阻力，這就是通常所說的正摩阻力。然而，樁周土體受到外力作用而出現(xiàn)下沉的時候，土體對樁身形成向下作用的摩阻力，這就是通常所說的負摩阻力，詳見下圖2。軟土地基會出現(xiàn)以下四種負摩擦力:第一，莊周固結(jié)不穩(wěn)的軟土在受到自重的影響下而出現(xiàn)新的固結(jié);第二，由于地面出現(xiàn)較大規(guī)模的堆載造成樁周土受到壓力而出現(xiàn)下沉;第三，靈敏度比較敏感的黏性土在受到打樁的影響下，造成原有的地面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位置改變，樁間土壓力上漲，使得軟土的觸變性發(fā)生變化，接著又發(fā)生新的固結(jié);第四，樁基的四周挖掘深基坑或者是土層出現(xiàn)液化的情況等造成地面的下降。

圖2 軟土地基樁側(cè)面負摩阻力情況

2.2 軟土地基樁基負摩阻力的危害

樁基的負摩阻力對于工程的安全性起到至關(guān)重要的作用。為了對樁基負摩阻力進行深入的研究，找到他們的機理和所造成的危害，國內(nèi)的研究者們對工程進行了大量的實地勘察，發(fā)現(xiàn)樁基的承載里會受到樁基負摩阻力的影響，樁基的下拉荷載也會對樁基的承載力造成影響［1］。樁基負摩阻力的危害包括對樁身造成的損壞，造成樁基地基的不均衡下沉等等。

3 計算和驗算負摩阻力

3.1 運算負摩阻力

樁周負摩阻力的大小會對基樁的承載能力和沉降造成一定的影響，運算樁基豎向承載力類型的時候包括以下三種形式:(1)摩擦型樁基。伴隨著負摩阻力沉降的不斷加大，中性點會隨著上升，此時中性點、負摩阻力以及樁頂荷載會保持一種動態(tài)上的平衡［2］。選取一種簡化的形式，設(shè)想一個中性點，該點以上的摩阻力為0，從而對樁基的承載力進行運算。(2)端承型樁基。樁基在受到負摩阻力的影響下，發(fā)生沉降的量較小或者沒有變化，樁土沒有發(fā)生相對的位置改變，中性點也未發(fā)生變化，所以負摩阻力所導(dǎo)致的下拉荷載可以作為附加荷載來進行處理。(3)土層分布不均衡或者是建筑物對不均衡下沉非常敏感的時候，此時附加荷載包括下拉荷載，所以下拉荷載要運算到附加荷載里面。

3.2 確定中性點

一般來說，中性點指的是樁土相對位移為0 的位置，這個位置即沒有負摩擦阻力也么有正摩擦阻力。因此，此截面位置的樁基所承受的軸力最大。此位置受樁周土層、樁端持力層剛度、樁身截面的影響比較大［3］。因此，在實際計算時，很難計算準確。對于這種情況，一般會使用經(jīng)驗公式來進行計算，如表1 所示。按照表1 的樁基規(guī)范要求，中性點深度ln/l0=1，粉質(zhì)黏土ξn取值0.25，黏土ξn取值0.30。經(jīng)計算中性點深度ln=l0=15 。

表1 中性點深度ln

3.3 計算負摩擦阻力

在對樁基負摩阻力進行計算時，使用下述公式進行計算:

樁側(cè)負摩阻力標準值:

地下水位降低時:

地面分布大面積荷載時:

基樁下拉荷載標準值:

各個公式和符號的意義見《樁基規(guī)范》中的規(guī)定。

按照公式(4)計算基樁的下拉荷載

4 降低負摩阻力的方法

如果對工程采取優(yōu)化的辦法有可能會使軟土地基的樁基負摩阻力價格上升，使結(jié)構(gòu)的安全性下降。設(shè)計工程的時候可以采取有效的辦法來對樁側(cè)的負摩阻力進行削減，例如優(yōu)化施工組織、優(yōu)化樁土界面特點和構(gòu)造、軟土地基優(yōu)化處理等等。通常情況下，可以采取優(yōu)化的方法包括以下六點:(1)選取合適的地基處理辦法。選取合適的地基處理辦法可以使軟土層的壓縮性下降，土體對于樁基的沉降量也會有所降低，這樣就可以將樁基的負摩阻力進行較好的控制［4］。然而這樣的施工辦法用時較長，對于工程的工期會有所影響。(2)控制地下水位。對于地下水位一定要進行隨時的觀測，控制好地下水位的下降情況，如果地下水位出現(xiàn)變化就會給樁周土帶來一定的影響，同時還會有負摩阻力產(chǎn)生。(3)對于樁身的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。把樁身改變成錐形的，這樣可以有效的降低土體對樁體所造成的側(cè)向壓力，使樁基的負摩阻力降低。如果采取擴底預(yù)應(yīng)力管樁和其對應(yīng)的施工技術(shù)會更加的經(jīng)濟實惠，還比較環(huán)保。(4)采取有效的技術(shù)來處理樁身。在打入樁基的時候，將瀝青和聚氨酯土料涂刷到樁基中性點之上的樁基側(cè)面上，這樣可以有效的降低樁基側(cè)面的摩擦力，從而使樁基的負摩阻力得到較好的控制。(5)使用科學(xué)合理的施工辦法。能夠使用的高效辦法包括以下幾個方面:第一，在對樁基進行施工的時候，可以科學(xué)合理的設(shè)計沉樁速度和順序;第二，在挖掘基坑的時候，一定要使支架構(gòu)造來確保平穩(wěn);第三，采取分段施工的辦法來對樁基以上的部位進行回填［5］。(6)薄膜法。使用旋挖機來進行施工，對于中性點以上范圍之內(nèi)的孔洞先將薄膜鋪在兩側(cè)的筒形壁上，接著在進行混凝土澆筑，這樣就可以將負摩阻力有效的消除掉，因為樁身和孔洞之間構(gòu)成了一層薄膜隔離層來實現(xiàn)自由滑動。

5 結(jié)論

綜上所述，在樁基工程施工中，樁基負摩阻力會影響樁體荷載，如果不對其進行考慮，會使樁身受到破壞，使建筑物發(fā)生沉降。對建筑物的結(jié)構(gòu)安全和正常使用造成影響。本文通過實際案例，對樁基礎(chǔ)負摩擦阻力出現(xiàn)的原因進行了分析，并對負摩擦阻力進行了計算，對樁基負摩阻力的處理措施進行了探討，值的類似工程借鑒引用。

［1］張超越，高力.樁基負摩擦產(chǎn)生機理分析［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009(19).

［2］馬宗玉，淺析樁基負摩阻力［J］，山西建筑，2009，35(4):123 -124.

［3］倪正田，詹金林.軟土地區(qū)鄰近堆載對樁基影響的數(shù)值模擬研究［J］.山西建筑，2010(35).

［4］謝守鵬，喻澤紅.高填土作用下斜頂樁板樁承臺駁岸結(jié)構(gòu)的負摩擦力分析［J］.長沙理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010(01).

［5］楊慶，孔綱強，鄭鵬一，欒茂田.堆載條件下單樁負摩阻力模型試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2008，(10):178 -179.

［6］陳健，鄭俊杰，陳保國，魯燕兒.考慮負摩阻力的剛性樁復(fù)合地基工作性狀分析［J］.巖土力學(xué)，2008，(07):121 -122.