樁基負摩阻力特性研究進展綜述

于連鑫+崔高航

摘 要：在樁基礎(chǔ)設(shè)計過程中，若對樁基負摩阻力考慮不當會引起樁基承載力不足甚至基礎(chǔ)破壞等問題。基于國內(nèi)外對不同地質(zhì)條件中樁基負摩阻力的研究成果，進一步總結(jié)了樁基負摩阻力特性，可為類似樁周土體中樁基負摩阻力的優(yōu)化設(shè)計提供一定參考，也對進一步預(yù)防樁基礎(chǔ)病害的發(fā)生具有重要意義。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)工程；樁基負摩阻力；附加沉降；作用機理；地質(zhì)條件

中圖分類號：U443.15 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）35-0181-02

引言

基礎(chǔ)工程在土木工程領(lǐng)域中占有舉足輕重的地位，基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和強度很大程度上決定了整個結(jié)構(gòu)工程的工作性能。樁基礎(chǔ)由于其較高的承載力、穩(wěn)定性及施工工藝簡單等優(yōu)勢而在基礎(chǔ)工程中得到普遍應(yīng)用，但是隨著作用時間效應(yīng)樁周圍土體的相互作用所形成的負摩阻力相繼產(chǎn)生[1]。如果在樁基設(shè)計過程忽略負摩阻力的影響，將會不同程度地引起樁基礎(chǔ)的附加沉降、樁身軸力，以及鄰近建筑結(jié)構(gòu)的不均勻變形等，進一步造成樁端屈服變形甚至引起自身結(jié)構(gòu)破壞。由樁基負摩阻力造成的不良影響將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)物的失穩(wěn)，進一步引發(fā)安全事故。因未考慮樁基負摩阻力的影響而造成的工程事故在土木行業(yè)中經(jīng)常發(fā)生，也引起了工程界專家們的極其重視。因此，如何在樁基礎(chǔ)工程設(shè)計中避免或減小樁基負摩阻力的形成已成為當前樁基問題研究的熱點話題。

目前，關(guān)于樁基負摩阻力的研究成果主要是影響因素、形成機理及加固設(shè)計措施等，但是對于不同地質(zhì)條件下樁基礎(chǔ)的負摩阻力比較分析尚不夠充分。為了深入研究樁基負摩阻力的作用效應(yīng)及涉及區(qū)域，本文主要對不同土質(zhì)區(qū)域內(nèi)樁基負摩阻力研究成果和形成機理進行總結(jié)分析，為進一步完善樁基負摩阻力的理論研究和避免實際工程中由于樁基礎(chǔ)負摩阻力引起的安全事故提供一定參考。

1 樁基負摩阻力形成機理

樁基負摩阻力，是在某一條件下樁側(cè)土體發(fā)生下沉并且大于樁基位移，此時樁側(cè)土體對樁產(chǎn)生的作用力方向與位移方向一致。負摩阻力的存在使樁身軸力極值存在于中性點處。國內(nèi)外研究成果表明，樁基中性點位置一般通過試驗分析確定的，并認為中性點位置由初步變化而后在某一點趨于穩(wěn)定，根據(jù)經(jīng)驗穩(wěn)定點大多位于樁身的0.73～0.78處，當樁基正負摩阻力關(guān)于中性點對稱分布時認為此時樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。樁基中性點位置的主要影響因素為：（1）樁底持力層剛度；（2）樁周土壓縮特性及應(yīng)力變化；（3）樁周土體外荷載作用；（4）樁本身尺寸大小。

樁周圍土體在自重固結(jié)、場地填土、地面堆載、交通荷載引發(fā)的沉降、地下水位降低、密集樁群在軟土地區(qū)施工引起土體的隆起及再固結(jié)現(xiàn)象，都會形成一定樁基負摩阻力。

2 樁基負摩阻力研究現(xiàn)狀

早在20世紀30年代，學(xué)術(shù)界針對樁基負摩阻力引發(fā)的安全事故問題就展開了一系列探究。

1969年，Poulos[2]應(yīng)用鏡像單元處理獲得了適用于端承樁的單樁負摩阻力彈性理論解。1972年，Davis根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論結(jié)合彈性理論推導(dǎo)出單樁負摩阻力與時間的關(guān)系。1982年，Shibata曾通過室內(nèi)模擬實驗得出樁基負摩阻力形成過程存在顯著的時間效應(yīng)，同時推導(dǎo)出關(guān)于群樁效應(yīng)及孔隙水壓力估測的經(jīng)驗公式。1984年，F(xiàn)elleniust在樁基負摩阻力和沉降分析中發(fā)現(xiàn)，很小的樁土相對位移都可以形成一定的負摩阻力，若在樁基設(shè)計過程中不考慮負摩阻力的影響將必然會造成樁的附加沉降。1990年，Chow將彈性理論推廣到群樁的負摩阻力分析中，用剛性梁單元模擬剛性樁承臺，采用歸一化分析樁基負摩阻力與樁頂沉降之間的關(guān)系。1993年，Lee提出了采用簡化雙曲線模型模擬土體應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，樁基之間相互作用結(jié)合彈性理論和傳遞函數(shù)的混合法。1998年，他利用離心試驗對模型樁進行實驗分析，得出了土體內(nèi)摩擦角的大小相對于其他參數(shù)對樁側(cè)負摩阻力值影響更為顯著。99年，利用模型試驗分析了樁基負摩阻力與土體參數(shù)及樁體粗糙度、相對位移之間的關(guān)系。2004年，Leung通過離心機試驗對受負摩阻力及樁頂荷載共同影響的單樁進行了對比研究。

相比國外，國內(nèi)對樁基負摩阻力的研究起步較晚，起源于20世紀八十年代。工程界專家們從現(xiàn)場測試、室內(nèi)試驗及仿真模擬分析方面對樁基的負摩阻力問題進行了一系列深入研究。

2005年，律文田針對軟土地區(qū)的樁基負摩阻力進行了深入分析，研究表明在施工階段和使用期后填土對樁基承載力均有一定影響，樁側(cè)摩阻力沿樁基深度呈非線性變化。

2006年，孫軍杰[3]針對樁基負摩阻力主要因素、形成實質(zhì)及動力來源進行了深入分析，認為樁周沉降土體減小的重力勢能及抗剪強度是決定因素。2009年，孔綱強對飽和黏土傾斜群樁在樁頂荷載和地面堆載共同作用下的固結(jié)沉降模型試驗。結(jié)果表明，負摩阻力隨著固結(jié)時間的增加漸漸發(fā)展，最終趨于穩(wěn)定，可以明確的表現(xiàn)出負摩阻力的時間效應(yīng)；且當樁-土相對位移為2mm時，樁側(cè)負摩阻力可達到最大值的80～90%左右。此后他又用FLAC3D對群樁進行了建模計算，與模型試驗和現(xiàn)場試驗實測資料結(jié)果進行了對比分析。研究表明了加載速率逐漸減小的過程中，樁身下拽力和樁頂下拽位移也在逐步減小且最終趨于穩(wěn)定；并且對比了在分級加載和直接加載作用下的樁身下拽力值，前者相比后者略小，隨著荷載等級的增大，兩者差異逐漸變少并最終趨于一致。2010年，趙敏燕借助有限元數(shù)值模擬方法探究了固結(jié)時間對樁基負摩阻力的影響特點，表明在堆載情況下負摩阻力隨固結(jié)時間的延長而不斷增大。2011年，鑒于軟弱土層的固結(jié)時間較長，在施工或運營期間都會產(chǎn)生不同程度的負摩阻力，胥為捷[4]結(jié)合實際工程提出了樁基負摩阻力及下拉荷載的簡化計算方法。2011年，孫建波針對凍融條件下樁側(cè)負摩阻力進行了室內(nèi)模型試驗，試驗得出了土體的融沉量與負摩阻力的關(guān)系曲線，試驗初期負摩阻力增長速度較快，當融沉量達到一定數(shù)值后，再超越這個數(shù)值，負摩阻力反而隨著融沉量的增加而減少。同時分析了含水率對此關(guān)系曲線的影響，隨著含水率的增加，最大負摩阻力減小，最大融沉量增大。2013年，趙天時[5]通過對自重濕陷性黃土地區(qū)樁基的浸水荷載試驗，可知黃土實際是分段濕陷的且樁周土體沉降及負摩阻力變化具有多個峰值點。2014年，陳長流基于相似理論研究了在浸水條件下濕陷黃土地區(qū)中負摩阻力及樁身承載力變化規(guī)律，樁頂荷載對樁側(cè)摩阻力產(chǎn)生不利影響。2015年，張向東在樁側(cè)土體凍融情況下進行了樁基側(cè)摩阻力試驗研究，試驗過程中考慮了溫度及含水率對樁側(cè)摩阻力的影響特點，結(jié)合荷載傳遞法提出了關(guān)于凍融土體中樁側(cè)摩阻力的計算模型。2015年，戴國亮通過對砂土樁基的試驗分析，在邊載作用下樁頂沉降規(guī)律與圍載作用下基本一致，然而邊載作用增大群樁效應(yīng)系數(shù)逐漸變小。2016年，張敏霞根據(jù)采動區(qū)地表沉降規(guī)律及形成機理，提出了采用透明土模型試驗及數(shù)值模擬的綜合分析方法進行研究采動區(qū)樁基負摩阻力。2016年，針對濕陷性黃土地區(qū)，李峰科通過試驗研究發(fā)現(xiàn)在浸水狀態(tài)下樁基基本不出現(xiàn)負摩阻力，樁周土的濕陷性對單樁極限承載力影響很小。2016年，楊歲軍[6]依托實際工程研究了新近人工填土中樁基負摩阻力的變化特點并計算出下拉荷載，提出了樁基施工前降低沉降的優(yōu)化措施。2016年，孔綱強[7]分析了不同楔形角形式對樁基負摩阻力特性的影響特點。數(shù)值模擬結(jié)果表明樁基上部分楔形角形式影響比較顯著，在小角度范圍內(nèi)基樁下拉荷載變化幅度也更大。2017年，高勝君[8]研究了軟黏土地質(zhì)對樁基的影響，由于土體自身蠕變性使得樁周土體沉降具有滯后性，降低地下水位會導(dǎo)致負摩阻力位置下移并且明顯降低樁基結(jié)構(gòu)承載力。2017年，馬學(xué)寧關(guān)于不同樁端下臥層樁基進行了一系列模型試驗探究，發(fā)現(xiàn)在相同堆載條件下粗砂下臥層的樁身中性點位置比黃土較低，而且其樁身下拉荷載及樁端反力明顯高于黃土質(zhì)。

3 結(jié)束語

本文簡單概括了負摩阻力的形成原理，并對砂土區(qū)、濕陷性黃土區(qū)、凍土及新近人工填土區(qū)等不同地質(zhì)環(huán)境內(nèi)樁基負摩阻力研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，了解樁基負摩阻力特性最新研究方向，可為今后樁基負摩阻力的優(yōu)化處理措施提供一定的參考。

參考文獻：

[1]韋海霞.樁基負摩阻力產(chǎn)生的原因、計算與處理[J].江西建材，2015（19）：74-75.

[2]Poulos H G and Mattes N S. The Analysis of downdrag in end bearing piles. Proc 7th ICOSMFE. 1969，2：203-209.

[3]孫軍杰，王蘭民.樁基負摩阻力研究中幾個基本理論問題的探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006（01）：211-216.

[4]胥為捷.軟土地基樁基負摩阻力簡化計算方法[J].水運工程，2011（11）：222-226.

[5]趙天時.大厚度自重濕陷性黃土場地樁基負摩阻力試驗研究[D].蘭州理工大學(xué)，2013.

[6]楊歲軍.新近人工填土中樁基負摩阻力計算[J].智能城市，2016（04）：207-208.

[7]孔綱強.楔形角對基樁負摩阻力特性影響的數(shù)值模擬分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2016（06）：1689-1694.

[8]高勝君，羅書學(xué)，黃銳，等.軟黏土條件下地下水位變化對橋梁樁基的影響分析[J].路基工程，2017（02）：102-105.endprint