關(guān)于帶負(fù)摩阻力的樁基礎(chǔ)探討

龍昊鵬（北京桑德環(huán)境工程技術(shù)有限公司北京101102）

0 引言

樁基礎(chǔ)在工程項目中已被廣泛應(yīng)用。特別是在濕陷性黃土地區(qū)和軟土地區(qū)，樁基礎(chǔ)更為常見。負(fù)摩阻力作為特殊條件下樁基豎向承載力驗算的一項內(nèi)容，筆者在進(jìn)行《衢州市城東污水處理廠（三期）項目》樁基礎(chǔ)設(shè)計工作時發(fā)現(xiàn)，按照《樁基規(guī)范》進(jìn)行負(fù)摩阻力有關(guān)計算時，取值選取標(biāo)準(zhǔn)有待完善、明確；進(jìn)行樁基承載力檢測試驗時亦存在試驗標(biāo)準(zhǔn)不明晰、不合理的問題。本文從負(fù)摩阻力產(chǎn)生機理、條件及危害；負(fù)摩阻力的計算方法探討；帶負(fù)摩阻力樁的檢測取值標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計取值標(biāo)準(zhǔn)；減小負(fù)摩阻力的優(yōu)化措施四個方面進(jìn)行了闡述和探討，結(jié)合相關(guān)規(guī)范提出了解決此類問題的建議方法，供今后類似樁基礎(chǔ)項目設(shè)計研究參考。

1 負(fù)摩阻力的產(chǎn)生及危害

1.1 負(fù)摩阻力產(chǎn)生的機理及樁身受力特點

樁側(cè)摩阻力的分布可根據(jù)樁與周圍土的相對位移情況確定。樁基受荷后發(fā)生向下位移，包括樁身的彈性壓縮和樁端土的沉降。同時，樁周土體也會由于堆載或者固結(jié)發(fā)生位移，當(dāng)樁身沉降量大于該位置樁側(cè)土體沉降量時，樁側(cè)摩阻力方向向上，其值為正；反之，樁側(cè)摩阻力方向向下，樁身承受負(fù)摩阻力作用。因此樁基出現(xiàn)負(fù)摩阻力的本質(zhì)原因是樁周土體發(fā)生了大于樁身沉降的相對沉降位移。正、負(fù)摩阻力的分界點稱為“中性點”。圍繞中性點位置，樁身受力特點如下圖1所示：

圖1 樁身受力示意圖

該深度以上樁周土體的下沉量大于基樁，基樁承受負(fù)摩阻力；該深度以下基樁的下沉量大于樁周土體，樁受正摩阻力；該點處樁土位移相等、樁側(cè)摩阻力等于零；在該斷面處樁身軸力最大，而不是在樁頂處。樁基為摩擦型樁時，由于受摩阻力的影響，樁的沉降增大，中性點向上移動，負(fù)摩阻力、中性點與樁頂荷載處于動態(tài)平衡。樁基為端承型樁時，產(chǎn)生的負(fù)摩阻力對基樁沉降影響很小，樁土間相對位移變化很小，中性點位置不發(fā)生變化，故負(fù)摩阻力構(gòu)成的下拉荷載須作為附加荷載考慮。此下拉荷載引起的樁身軸力增量往往很大，可能降低樁身強度的安全度，甚至影響樁身強度的設(shè)計。

1.2 負(fù)摩阻力產(chǎn)生的條件

學(xué)術(shù)界經(jīng)過多年分析研究，提出了不唯一的計算樁側(cè)負(fù)摩阻力的計算假定與模型，通過試驗與實際工程的結(jié)果表明“有效應(yīng)力法”與實際較為接近。我國現(xiàn)行規(guī)范也是采用有效應(yīng)力法理論進(jìn)行樁基負(fù)摩阻力的計算?！稑痘?guī)范》中也給出了計算基樁承載力時應(yīng)計入樁側(cè)負(fù)摩阻力的幾個條件：

（1）樁穿越較厚松散填土、自重濕陷性黃土、欠固結(jié)土、液化土層進(jìn)入相對較硬土層時；

（2） 樁周存在軟弱土層、鄰近樁側(cè)地面承受局部較大的長期荷載，或地面大面積堆載（包括填土）時；

（3） 由于降低地下水位，使樁周土有效應(yīng)力增大，并產(chǎn)生顯著壓縮沉降時[1]；

（4） 在飽和軟土中打入密集樁群，會引起超孔隙水壓力土體大量上涌，而后土體重塑過程中，超孔隙水壓力逐步消散，土體重新發(fā)生固結(jié)沉降，沉降量大于樁身沉降引起樁身負(fù)摩阻力產(chǎn)生。

1.3 樁基負(fù)摩阻力的危害

樁基負(fù)摩阻力及下拉荷載嚴(yán)重影響著工程的安全性。國內(nèi)外研究人員做了大量的實驗，積累了寶貴的實測數(shù)據(jù)。表1為各種樁型對應(yīng)的負(fù)摩阻力和下拉荷載實測數(shù)據(jù)[2]。

表1 各種樁型對應(yīng)的負(fù)摩阻力和下拉荷載實測數(shù)據(jù)

可見樁基負(fù)摩阻力及其引起的下拉荷載明顯降低了樁基豎向承載能力，進(jìn)一步發(fā)展還可能增加樁基的不均勻沉降、樁端地基屈服甚至造成樁身破壞等嚴(yán)重后果。在土體沉降較大的情況下，與不考慮樁基負(fù)摩阻力的樁基豎向承載力對比，負(fù)摩阻力的存在使樁基豎向承載能力數(shù)值下降可觀，因此在工程中必須充分考慮樁基的負(fù)摩阻力。

2 負(fù)摩阻力的計算方法探討

2.1 規(guī)范計算辦法介紹及存在問題分析

《樁基規(guī)范》根據(jù)極限分析理論，采用基于中性點位置的經(jīng)驗方法，通過有效應(yīng)力法來具體計算樁基負(fù)摩阻力值。極限分析理論方法計算簡單，便于應(yīng)用，但也有局限性，計算所得的結(jié)果通常偏大。另外，計算中涉及到的中性點位置，采用按樁端持力層土體性質(zhì)確定的經(jīng)驗辦法，準(zhǔn)確程度不佳。

《樁基規(guī)范》中第5.4.3～5.4.4給出了當(dāng)缺乏可參照的工程經(jīng)驗、實測資料時，帶負(fù)摩阻力樁基承載力的驗算辦法以及樁側(cè)負(fù)摩阻力的計算辦法。但存在2個問題值得探討：

（1）明確了摩擦型樁取樁身計算中性點以上側(cè)阻力為零驗算樁基豎向承載力；端承型樁區(qū)別于摩擦型樁，尚應(yīng)考慮負(fù)摩阻力引起的樁基下拉荷載。但對于同時具有端承力與摩擦力的樁如何具體界定樁基類型，驗算樁身豎向承載力時是否計取下拉荷載，規(guī)范并無明確說明。

（2） 中性點深ln定義區(qū)間偏大，變化區(qū)間達(dá)0.1l0，不同的取值會導(dǎo)致結(jié)果有較大不同，影響計算結(jié)果一致性。

2.2 本文建議計算辦法

首先依據(jù)《樁基規(guī)范》5.4.2判定是否需要考慮樁側(cè)負(fù)摩阻力。如據(jù)上步結(jié)果判斷需要考慮樁側(cè)負(fù)摩阻力，則按照項目樁型、樁長、地勘報告等資料分別估算樁側(cè)阻力Qsk與樁端阻力Qpk數(shù)值（不考慮負(fù)摩阻力影響），樁側(cè)阻力大于兩者之和的50%則可判斷為摩擦型樁，反之判斷為端承型樁（在樁側(cè)阻與樁端阻相差不多時，判定樁型進(jìn)而確定是否考慮下拉荷載計算樁基承載力將大大影響計算結(jié)果，出于對項目經(jīng)濟性、適用性考慮，設(shè)計時應(yīng)盡可能采取措施加大樁端阻，減小樁側(cè)摩阻力，將樁歸為摩擦型樁，減少無用投資）其次，計算中性點位置。本文提供兩種辦法計算中性點位置。

（1）在項目要求精確可靠分析樁基負(fù)摩阻力影響，驗算樁基豎向承載力時，可按照樁周土層沉降與樁沉降相等的條件計算中性點位置（樁基的沉降受到軟土沉降的影響，可根據(jù)Mindlin理論確定，土層沉降相對獨立也可以計算）。

（2） 按《樁基規(guī)范》表5.4.4-2中的經(jīng)驗參數(shù)表確定中性點位置。筆者認(rèn)為經(jīng)驗參數(shù)法計算方法概念清晰，應(yīng)用方便，從工程安全角度考慮，需取表中較大數(shù)值取值來進(jìn)行計算。

最后，按《樁基規(guī)范》5.4.4條計算負(fù)摩阻力。摩擦樁：取中性點以下樁側(cè)阻力與樁端阻力之和；端承樁：取中性點以下樁側(cè)阻力與樁端阻力之和，再減去中性點以上負(fù)摩阻力（下拉荷載）。一般情況下，qsik較小，即使不考慮地面分布大面積荷載時，計算所得通常會大于qsik，偏于安全考慮可直接計，按（5.4.4-3）計算下拉荷載。這時

2.3 算例

《衢州市城東污水處理廠（三期）項目》工程擬采用PHC-AB500(100)預(yù)制樁基礎(chǔ)，樁頂標(biāo)高-2.00m，平均樁長30m。基本地質(zhì)情況詳見圖2，地基各巖土層樁基設(shè)計計算參數(shù)詳見表2：場地整平后±0.00相當(dāng)于絕對標(biāo)高4.00m，需新填土約1.50m厚。由于新填土層影響，樁基工作帶負(fù)摩阻力。

圖2 地基情況示意圖

表2 地基各巖土層樁基設(shè)計計算參數(shù)表

判斷樁類型：經(jīng)計算Qsk=1 490.84kN，Qpk=1 570.80kN，Qpk＞50%(Qsk+Qpk)，可根據(jù)本文判定為端承樁，需考慮負(fù)摩阻力引起的下拉荷載。

確定中性點位置：持力層為卵石層，中性點深度ln=0.9×24.6=22.14m

計算負(fù)摩阻力及下拉荷載：

按《樁基規(guī)范》（5.3.5）以及（5.2.2）計算單樁承載力：

單樁豎向承載力特征值：Ra=1 530.820kN

考慮負(fù)摩阻力的單樁豎向承載力特征值：

考慮下拉荷載后，單樁豎向承載力特征值：

3 帶負(fù)摩阻力樁的檢測標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

樁基工程除應(yīng)在工程樁施工前和施工后進(jìn)行基樁檢測外，尚應(yīng)根據(jù)工程需要，在施工過程中進(jìn)行質(zhì)量的檢驗與檢測[3]。其中在施工前檢驗和施工后檢驗階段均需要對樁基進(jìn)行豎向承載力檢驗。按照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 106-2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱《基樁檢測規(guī)范》）中規(guī)定，單樁豎向承載力檢驗分為單樁豎向抗壓靜載試驗和高應(yīng)變法。高應(yīng)變法不但可以檢驗樁基豎向抗壓承載力，還可以檢測樁身的完整性。由于其較靜載荷試驗更加經(jīng)濟高效，在樁基條件滿足《基樁檢測規(guī)范》要求情況下，高應(yīng)變法被更多的工程設(shè)計文件采用。比較兩種試驗過程和原理，不難發(fā)現(xiàn)無論是高應(yīng)變法還是靜載荷試驗，負(fù)摩阻力的具體數(shù)值評估無法在試驗中實現(xiàn)。相關(guān)的各種規(guī)范中亦沒有特別提及帶負(fù)摩阻力樁基的檢測辦法。應(yīng)該說帶負(fù)摩阻力的單樁豎向承載力檢驗無法與樁基受力模型及計算假定相符，尚需改進(jìn)、提高和創(chuàng)新。

高、低應(yīng)變法在樁基檢測工程中應(yīng)用廣泛。低應(yīng)變法用于檢測混凝土樁樁身是否完整，判定樁身缺陷的程度，檢測缺陷的位置。高應(yīng)變法以重錘沖擊樁頂，克服樁側(cè)土的阻力使樁貫入土中。由于樁身產(chǎn)生變形，應(yīng)變沿樁身向下傳播，通過收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，得出作用在樁側(cè)土的阻力。不難發(fā)現(xiàn)，樁周土層的固結(jié)、沉降、變形需要一段時間，一個過程。重錘沖擊樁頂是一個很短的瞬間，樁側(cè)土的變形因素未考慮，樁基的負(fù)摩阻力也就無從評價和考慮。

在單樁豎向抗壓靜載試驗中，試壓荷載施加同樣是在較短的時間內(nèi)完成，而樁側(cè)土體的變形需要相對很長的時間才能完成。由于時間上相差很多，所以在試壓時間段內(nèi)，樁側(cè)土體的固結(jié)沉降變形幾乎可不考慮。也就是說，即使是在典型的負(fù)摩阻力工況下，單樁豎向抗壓靜載試驗過程中樁土相對位移與非摩阻力工況下相同。不存在中性點，所以計算分析中的中性點以上土層不會提供負(fù)摩阻力，還會表現(xiàn)為正常提供正摩阻力抵抗豎向荷載。這樣在試驗條件下是否考慮樁基負(fù)摩阻力并不影響試驗結(jié)果。

據(jù)此，高應(yīng)變法和單樁豎向抗壓靜載試驗都無法正確評價帶負(fù)摩阻力樁的豎向承載力。在一般設(shè)計文件中不會明確樁的豎向承載力是否考慮了負(fù)摩阻力和下拉荷載因素。這樣使得樁的豎向承載力的評價標(biāo)準(zhǔn)不明確，結(jié)果明顯不合理。目前，常用的不區(qū)分是否考慮負(fù)摩阻力因素的設(shè)計承載力作為樁基豎向承載力檢驗標(biāo)準(zhǔn)是偏于不安全的。所以，本文建議在樁基檢測中，應(yīng)當(dāng)以不考慮負(fù)摩阻力因素的承載力作為樁基的豎向承載力檢驗標(biāo)準(zhǔn)；而在設(shè)計計算過程中，應(yīng)以考慮負(fù)摩阻力、下拉荷載后的豎向承載力作為設(shè)計取值。上節(jié)算例中應(yīng)以單樁豎向承載力特征值：Ra=1530.820kN作為樁基的豎向承載力檢驗標(biāo)準(zhǔn)；以考慮下拉荷載后單樁可提供的抵抗上部結(jié)構(gòu)荷載的單樁承載力僅為為設(shè)計取值標(biāo)準(zhǔn)。可見兩者差值不可謂不大。

4 減小負(fù)摩阻力的優(yōu)化措施

樁周負(fù)摩阻力的存在使結(jié)構(gòu)安全可靠度降低，明顯提高工程造價。減小負(fù)摩阻力是保證工程質(zhì)量和安全儲備的重要方面。因此，在工程設(shè)計階段和現(xiàn)場施工階段應(yīng)盡可能采取措施，最大程度地消除負(fù)摩阻力的影響，使得工程項目安全可靠，經(jīng)濟合理。借鑒已有工程項目經(jīng)驗，需要針對不同的工程條件，本文歸納了以下幾種典型的方法措施：

（1） 對于新填土層或者欠固結(jié)軟土中的樁基，可先對土層進(jìn)行預(yù)壓，降低土層的壓縮性，待地基沉降基本穩(wěn)定再進(jìn)行樁基施工。從而降低負(fù)摩阻力的影響。但一般施工周期較長，在工期允許的情況下可采用此辦法。

（2） 采用復(fù)合地基方法對可能產(chǎn)生負(fù)摩阻力的樁基礎(chǔ)周圍土體進(jìn)行處理，可以有效地加固樁側(cè)地基，消減負(fù)摩阻力，提高樁基整體承載力。如對有地面大面積堆載的樁基，采用深層攪拌樁預(yù)先處理淺層地基土；對自重濕陷性黃土地基采用強夯、擠密土樁等辦法降低淺層地基土的沉降可能性，從而達(dá)到減少負(fù)摩阻力的效果。

（3） 盡可能減小穿過產(chǎn)生負(fù)摩阻力區(qū)域的樁側(cè)面積，在允許條件下采用小截面基樁，小截面基樁在減少了樁側(cè)負(fù)摩阻力同時也降低了豎向承載力，可能使樁基總數(shù)增加，這里面有一個經(jīng)濟合理性的計算問題。

（4） 對樁身進(jìn)行技術(shù)處理，如使用套管樁，即在中性點以上部分樁身加套管，樁與套管之間涂滿潤滑油；相對于造價較高的套管樁，也可在沉樁前對樁身中性點以上區(qū)域涂抹瀝青、油漆或其他能降低摩擦阻力的涂料減小樁側(cè)摩擦系數(shù)，減少樁基負(fù)摩阻力。此辦法操作簡單，技術(shù)安全可靠，應(yīng)用也最為廣泛。

（5） 對于由地下水位下降引起的負(fù)摩阻力樁基礎(chǔ)，可停止降水，保持水位穩(wěn)定；還可以采用止水帷幕注漿隔水，從而減少負(fù)摩阻力影響。

上述五種措施，對于減少樁側(cè)負(fù)摩阻力的效果有所不同。在工程的具體應(yīng)用中，應(yīng)區(qū)別對待。針對不同的措施，正確評價減小的負(fù)摩阻力效果，保證考慮負(fù)摩阻力的樁基豎向承載力取值合理安全。

5 結(jié)論

負(fù)摩阻力的存在降低了樁基承載能力，在工程中應(yīng)得到重視并充分考慮。由于負(fù)摩阻力產(chǎn)生原因特殊，又受多個因素影響制約，導(dǎo)致快速準(zhǔn)確計算、評價樁基負(fù)摩阻力顯得更為復(fù)雜和繁瑣。本文通過上述研究，得出以下建議：

（1）在帶負(fù)摩阻力樁基豎向承載力估算過程中，用樁身側(cè)阻力Qsk與樁端端承力Qpk的大小作為判斷樁基為摩擦樁或端承樁的依據(jù)，提供兩種算法確定中性點位置，計取進(jìn)行負(fù)摩阻力計算并判斷是否考慮下拉荷載。

（2）在考慮負(fù)摩阻力的樁基設(shè)計文件中，應(yīng)明確提出負(fù)摩阻力產(chǎn)生條件以及相應(yīng)量值大小，并嚴(yán)格區(qū)分作為樁基檢測和基礎(chǔ)設(shè)計的豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)。在樁基檢測時，以不考慮負(fù)摩阻力的承載力作為樁基的豎向承載力檢驗標(biāo)準(zhǔn)；而在設(shè)計過程中，以考慮負(fù)摩阻力的承載力作為樁基豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)。

總之，在有可能產(chǎn)生樁側(cè)負(fù)摩阻力的樁基礎(chǔ)項目中，應(yīng)對不同原因、不同條件下產(chǎn)生的負(fù)摩阻力進(jìn)行分析，對不同項目采取有針對性的措施，并對采取不同措施時減小負(fù)摩阻力效果大小正確評價，設(shè)計階段、施工階段、檢測階段緊密配合，才能保證樁基礎(chǔ)全過程安全可靠，經(jīng)濟合理。