樁基負(fù)摩阻力產(chǎn)生機(jī)理及計(jì)算方法

楊旭興

摘要：在深厚軟土及濕陷性黃土地區(qū)采用樁基礎(chǔ)形式時(shí)，由于樁側(cè)土體容易產(chǎn)生于樁身之間的位移，土體相對(duì)于樁身產(chǎn)生向下的位移，時(shí)，由于土體與樁身之間的側(cè)壁摩阻力，使得土體產(chǎn)生向下的摩阻力，對(duì)樁基承載力產(chǎn)生不利影響，對(duì)樁的負(fù)摩阻力計(jì)算進(jìn)行歸納，說(shuō)明了負(fù)摩阻力的計(jì)算過(guò)程及注意事項(xiàng)，并闡述了削減或避免負(fù)摩阻力的措施。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ) ?負(fù)摩阻力 ?注意事項(xiàng) ?措施

1、負(fù)摩擦力的概念和形成

在樁頂壓力作用下，樁相對(duì)周?chē)馏w向下運(yùn)動(dòng)，因而土對(duì)樁施加向上的摩擦力，這構(gòu)成了承壓樁的承載力的一部分。這種摩擦力通常被稱(chēng)為正摩擦力，或簡(jiǎn)稱(chēng)側(cè)摩阻力或側(cè)阻力。

但是由于某些原因，使承壓樁本身向下的位移量小于周?chē)馏w向下的位移量，從而使作用在樁上的摩擦力向下，這種摩擦力實(shí)際上成為作用在樁上的下拉荷載被稱(chēng)為負(fù)摩擦力。負(fù)摩擦力減少了樁的承毅力，增加樁上荷載，并可能導(dǎo)致過(guò)量的沉降。因而當(dāng)不能避免時(shí)應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算

產(chǎn)生負(fù)摩擦力的原因有多種，例如：

（ 1 ）樁周地面上分布大面積的較大荷載，例如倉(cāng)庫(kù)中大面積堆載。

（2）樁身穿過(guò)欠固結(jié)軟粘土或新填土層，樁端支承于較堅(jiān)硬的土層上，樁周土在自重作用下隨時(shí)間固結(jié)沉降;

（ 3 ）由于地下水大面積下降（例如大量抽取地下水）使易壓縮土層有效應(yīng)力增加而發(fā)生壓縮;

（ 4 ）自重濕陷性黃土浸水下沉，凍土融陷;

（5）在靈敏性土內(nèi)打樁引起樁同圍土的結(jié)構(gòu)破壞而重塑和固結(jié)。某現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，由此引起的負(fù)摩擦力大約為17 %粘土的不排水強(qiáng)度。

2、負(fù)摩擦力的分布

樁身上負(fù)摩擦力的分布范圍視樁身與樁周土的相對(duì)位移情況而定。一般除了支承在基巖上的非長(zhǎng)樁以外都不是沿樁身全部分布著負(fù)摩擦力。

圖中ab 線代表樁周土層的下降量隨深度的分布，其中sc表示地面上的沉降量、cd線為樁身各截面的向下位移曲線，該線上所表示的樁身任一截面位移量，sD=sp+sS ，其中sp為樁尖的下沉量，表示樁整體向下平移;sS為該斷面以下樁身材料的壓縮量，即該斷面與樁尖斷面的位移差?？梢钥闯鯽b線與cd線的交點(diǎn)為O，在O點(diǎn)處樁與樁周土位移相等，二者沒(méi)有相對(duì)位移及摩擦力的作用，因而稱(chēng)O 點(diǎn)為中性點(diǎn)。在中性點(diǎn)以上、各處斷面處土的下沉量大于樁身各點(diǎn)的向下位移量，所以是負(fù)摩擦區(qū)，在中性點(diǎn)以下，土的下沉量小于樁身各點(diǎn)的向下位移量，因而是正摩擦區(qū)。中性點(diǎn)是正負(fù)摩擦分界點(diǎn)。因而它是樁的軸力最大點(diǎn)。亦即軸力分布曲線在該點(diǎn)的斜率為0，見(jiàn)圖中d ，作用于樁側(cè)側(cè)摩阻力的分布如圖中c所示。

3、樁的負(fù)摩阻力計(jì)算

3.1負(fù)摩阻力主要影響因素

根據(jù)樁身負(fù)摩阻力的產(chǎn)生機(jī)理及分布特點(diǎn)，要計(jì)算樁的負(fù)摩阻力，首先得確定中性點(diǎn)位置。影響中性點(diǎn)深度ln的主要因素主要有：

①樁端持力層剛度，持力層越硬，中性點(diǎn)ln越深，端承型樁的ln大于摩擦型樁。

②樁周土層的變形性質(zhì)及應(yīng)力歷史，樁周土壓縮性越大，欠固結(jié)程度越大，欠固結(jié)土層厚度越大，中性點(diǎn)深度越大。

③當(dāng)負(fù)摩阻力系由沉樁后外部條件變化所致，在樁頂荷載作用下的沉降已完成的情況下，則ln較大，堆載強(qiáng)度和面積越大，地下水降幅和面積越大，則ln越大。

④樁的長(zhǎng)徑比越大，截面剛度越大，則ln越大。

⑤在樁承受荷載過(guò)程中，隨承受荷載及沉降的增加，ln逐漸減小。

⑥樁與樁側(cè)土的相對(duì)位移越大，中性點(diǎn)深度越大。

除了上述因素外，還與樁頂荷載施加時(shí)間與發(fā)生摩阻力時(shí)間、樁的類(lèi)型與成樁工藝等因素有關(guān)，因此準(zhǔn)確計(jì)算中性點(diǎn)深度其實(shí)很難做到，因此規(guī)范上均按照經(jīng)驗(yàn)值確定中性點(diǎn)深度。其確定原則是按照樁周土層沉降與樁沉降相等。

3.2承載力計(jì)算規(guī)定

（1）需要考慮負(fù)摩阻力的情況

依據(jù)建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94-2008）的規(guī)定，符合下列條件之一的樁基，當(dāng)樁周土層產(chǎn)生的沉降超過(guò)基樁的沉降時(shí)，在計(jì)算基樁承載力時(shí)應(yīng)計(jì)入樁側(cè)負(fù)摩阻力：

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(duì)較硬土層時(shí);

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

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(shí)。

（2）承載力驗(yàn)算要求

樁周土沉降可能引起樁側(cè)負(fù)摩阻力時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程具體情況考慮負(fù)摩阻力對(duì)樁基承載力和沉降的影響;當(dāng)缺乏可參照的工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可按下列規(guī)定驗(yàn)算。

①對(duì)于摩擦型基樁可取樁身計(jì)算中性點(diǎn)以上側(cè)阻力為零，并可按下式驗(yàn)算基樁承載力：

Nk≤Ra

②對(duì)于端承型基樁除應(yīng)滿(mǎn)足上式要求外，尚應(yīng)考慮負(fù)摩阻力引起基樁的下拉荷載Qgn，并可按下式驗(yàn)算基樁承載力：

Nk+ Qgn≤Ra

③當(dāng)土層不均勻或建筑物對(duì)不均勻沉降較敏感時(shí)，尚應(yīng)將負(fù)摩阻力引起的下拉荷載計(jì)入附加荷載驗(yàn)算樁基沉降。

其中基樁的豎向承載力特征值Ra只計(jì)中性點(diǎn)以下部分側(cè)阻值及端阻值。

（3）單樁負(fù)摩阻力計(jì)算

負(fù)摩阻力是一種主動(dòng)作用，也就是應(yīng)該將負(fù)摩阻力當(dāng)作主動(dòng)力計(jì)入荷載，而不是將負(fù)摩阻力從承載力中減去。，規(guī)范中規(guī)定采用有效應(yīng)力法計(jì)算樁側(cè)負(fù)摩阻力，按照靜力學(xué)原理，按照下式計(jì)算樁側(cè)負(fù)摩阻力：

（4）群樁負(fù)摩阻力計(jì)算

對(duì)于單樁基礎(chǔ)，樁側(cè)負(fù)摩阻力的總和即為下拉荷載。

對(duì)于樁距較小的群樁，其基樁的負(fù)摩阻力因群樁效應(yīng)而降低。這是由于樁側(cè)負(fù)摩阻力是由樁側(cè)土體沉降而引起，若群樁中各樁表面單位面積所分擔(dān)的土體重量小于單樁的負(fù)摩阻力極限值，將導(dǎo)致基樁負(fù)摩阻力降低，即顯示群樁效應(yīng)。計(jì)算群樁中基樁的下拉荷載時(shí)，應(yīng)乘以群樁效應(yīng)系數(shù)ηn< 1。

規(guī)范推薦按等效圓法計(jì)算其群樁效應(yīng)，即獨(dú)立單樁單位長(zhǎng)度的負(fù)摩阻力由相應(yīng)長(zhǎng)度范圍內(nèi)半徑re形成的土體重量與之等效，得

4、計(jì)算需要注意的事項(xiàng)

根據(jù)規(guī)范要求，負(fù)摩阻力計(jì)算有許多細(xì)節(jié)需要注意，主要為：

（1）中性點(diǎn)深度和軟弱層的下限深度都是從樁頂算起，不是從地表算起;

（2）樁頂以上的填土可認(rèn)為是地面均布荷載計(jì)算;

（3）分層除了按照地層分界線分層外，地下水位線處也應(yīng)分層;

（4）水位以下重度必須采用浮重度;

（5）對(duì)于群樁內(nèi)部樁土的自重應(yīng)從承臺(tái)底部算起;

（6）樁穿過(guò)自重濕陷性黃土層時(shí)，ln按照規(guī)范表列值增大10%;

（7）當(dāng)樁周土層計(jì)算沉降量小于20mm時(shí)，ln可按表列數(shù)值乘以0.4～0.8的折減系數(shù);

（8）當(dāng)計(jì)算負(fù)摩阻力大于正摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，取正摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

（9）對(duì)于方樁，不能直接按邊長(zhǎng)計(jì)算，要按照周長(zhǎng)等效原則換算為圓樁，即d=1.27b進(jìn)行換算;

（10）樁基規(guī)范和黃土規(guī)范在計(jì)算負(fù)摩阻力時(shí)有所不同，樁基規(guī)范中將下拉荷載作為荷載計(jì)入作用中，即應(yīng)該滿(mǎn)足： ，而黃土規(guī)范中將下拉荷載按照負(fù)值計(jì)入抗力中，即承載力驗(yàn)算應(yīng)該滿(mǎn)足： ，其中為樁周土平均摩特征值，l為樁身長(zhǎng)度，z為樁在濕陷性黃土層中的長(zhǎng)度。

對(duì)于式中的qpa和qsa，均應(yīng)按飽和狀態(tài)下的土性指標(biāo)確定。

5、削減與避免負(fù)摩阻力的技術(shù)措施

削減與避免負(fù)摩阻力的技術(shù)措施主要是降低與樁側(cè)土的摩擦力方法、隔離法、預(yù)處理等。

（1）樁側(cè)涂層法

在可能產(chǎn)生負(fù)摩阻力范圍的樁段，采用在樁側(cè)涂瀝青或其他化合物的辦法來(lái)降低樁身摩擦，從而削減負(fù)摩阻力的方法稱(chēng)為涂層法。

（2）預(yù)鉆孔法

在樁位采用預(yù)鉆孔，然后將樁插入，在樁周?chē)嗳肱驖?rùn)土混合漿，達(dá)到削減負(fù)摩阻力的方法，該法一般適用于粘性土地層。

（3）雙重套管法

在樁外側(cè)設(shè)置套管，用套管承受負(fù)摩阻力的方法。

（4）設(shè)置削減負(fù)摩阻樁群法

在樁群周?chē)O(shè)置一排樁，用以承受負(fù)摩阻力，從而達(dá)到削減負(fù)摩阻力。

（5）地基處理方法

對(duì)于松散土、欠固結(jié)土，如采用預(yù)固結(jié)法、強(qiáng)夯法等使土層密實(shí)、充分固結(jié);對(duì)于濕陷性黃土采用浸水、強(qiáng)夯等方法消除濕陷，從而達(dá)到削減與避免負(fù)摩阻力產(chǎn)生的方法。

（6）其他方法

在飽和軟土地區(qū)，可選擇非擠土樁或部分?jǐn)D土樁，對(duì)于擠土樁，可適當(dāng)增加樁距，選擇合理的打樁流程，控制沉樁速率，打樁后休止一段時(shí)間后再施工基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu);對(duì)于周邊有大面積抽取地下水或降水情況時(shí)，在樁群周?chē)捎没毓嗟确椒▉?lái)達(dá)到削減或避免負(fù)摩阻力的產(chǎn)生。

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