欠固結軟土地基中減少樁基負摩擦力的方法★

傅建舟 李 強

0 引言

隨著國家海洋開發戰略的實施，我國沿海各省的臨港工業蓬勃發展，臨港建筑物的建造越來越多，這些建筑物大多建立于灘涂區圍墾造地上。圍墾區的建設用地多為沿海的灘涂、海塘等經圍堰筑堤，通過吹填砂、沖填土、回填雜填土的方法形成陸域用地，上部有時還有人工所填的宕渣層，含有大量大粒徑的拋石等。這種場地地基，表層土質疏松，其下分布著較厚的軟土，如淤泥或淤泥質土。這些軟土一般是靜水或緩慢流水環境中沉積形成的，工程性質很差。譬如，我國東南沿海地區存在大量海相沉積軟土，天然含水量高，大多呈流塑狀態，粘粒含量多，富含有機質，結合水膜較厚，顆粒間聯結力弱，造成土的壓縮性大、靈敏度高、透水性差、固結慢等特點。沿海灘涂經圍墾后形成建設用地，區內土層常表現出典型的欠固結土特性。由于這類地區工程建造項目地基軟弱，大量使用樁基礎形式，目前常采用的樁型為預應力高強混凝土管樁、鉆孔灌注樁等普通樁型。這類樁在使用過程中發現當土層固結尚未完成時，有時還會因上部有較厚的回填層和較大的施工荷載產生固結，隨著土層固結的發展，樁身將產生較大的負摩擦力，給樁的設計和使用帶來隱患。此外，還存在軟土地層較厚時，欲達到足夠的設計承載力，樁所需長度很長，樁以端承樁為主，樁土摩阻力發揮較低，同時對于打入樁也常造成樁在打入過程中發生偏斜。因此有必要開展適宜于灘涂圍墾欠固結軟土地基的樁型的研究。

舟山群島典型地層分布是在表層雜填土之下，通常有一層厚度不等的淤泥質粉質粘土，厚度通常大于5 m以上，有的達數十米。由于這種土層的存在，上部在回填較厚的宕渣層后，或者受到施工擾動的影響，上部土層隨著時間的增長不斷固結壓縮，造成樁側產生負摩擦力，有時這一負摩擦可能較大，影響到基礎的沉降，從而給結構帶來危害。因此開展減少負摩擦力的工程措施的研究十分必要。

1 樁基負摩擦力的產生與特性

樁的摩阻力是由于樁土之間的相對位移而產生的，當樁的向下位移小于樁周土的向下位移時產生負摩阻力。樁的向下位移包括樁身的彈性壓縮和樁端土的沉降，樁周土的向下位移的產生有很多原因，譬如大面積堆載造成附加沉降、濕陷性黃土浸水沉降、多年性凍土發生融沉等。而在欠固結軟土地基中，主要是欠固結土的固結沉降產生了樁周土的向下位移。由于土層的固結隨深度變化，因此樁周土的沉降是變化的，在上部固結沉降較大，下部固結較小或可能已固結完成。當樁的向下沉降與樁周土的向下沉降一致時，存在一個所謂的中性點，如圖1所示。考慮到軟土的固結是隨時間變化的，因此中性點在軟土固結完成前也是變化的，當沉降趨于穩定時，中性點才相對固定下來。樁土的相對位移對于樁的承載性能發揮有著重要的影響，有時負摩擦力數值是相當大的，對于樁的承載力和樁身軸力的影響都很明顯，特別是對于端承樁，最大軸力不是出現在樁頂，而是出現在中性點處，負摩阻力引起的樁身軸力增量會很大，可能降低樁身強度的安全度，甚至會影響樁身強度的設計[1］。

圖1 樁身負摩擦力分布示意圖[1]

2 樁基負摩擦力消除方法

當樁身上作用負摩擦力時是新的附加荷載，這一荷載在設計中往往并未考慮。在恒載和負摩擦力的作用下，使樁產生變形和沉降。如果外力超過樁材抗壓強度，將使樁產生破壞，如果外力超過樁尖地基極限承載力，則將使地基屈服破壞，影響結構的安全。因此，應慎重對待樁基負摩擦力，采取有效措施予以消除或減輕[2］。

欠固結土中樁身負摩擦力現象長期以來為工程界所熟知，但消除或減小樁身負摩擦力的有效辦法并不多，歸納來說主要有三類:地基處理法、界面處置法和樁基處置法。

地基處理法是通過采用各種地基處理手段預先使地基沉降或進行地基加固，減少地基的后期沉降，從而減少負摩擦力的產生。對于高壓縮性地基，應首先考慮采用強夯等方法加固地基，以增強地基強度，減少壓縮變形。但舟山地區上部地層大多為淤泥質粘土層，采用強夯時若控制不當，強夯效果不佳，常會出現“橡皮土”。其他地基處理方法如碎石樁、攪拌樁、預壓固結等方法也可考慮，但需注意工期和地基處理的成本控制。

界面處理法是消除樁側負摩擦力的一種有效措施，當負摩擦力很大時，可考慮采用設置滑動層的方法，以降低負摩擦力，減少用樁量，確保建筑物的安全。設置滑動層法是在樁身采用滑動層來減少樁土間的相互位移，從而減少負摩擦力，如設置瀝青滑動薄層、樁身采用滑動外殼層或者在樁周充填膨潤土等方法。采用瀝青作為滑動層相對方便，也比較有效[3］，但不適用于含有粗粒土的地層，同時瀝青層對環境和地下水可能會產生潛在的危害[4］，而采用增加滑動外殼層造成工藝復雜，施工中一旦發生偏斜則會破壞外殼層，施工十分不便。另一種是采用樁側充填的方法減少負摩擦力，施工中可將樁頭擴大10 cm左右，打樁后在樁周形成比樁身大的縫隙，往縫中灌膠質泥以減少樁側阻力，該方法增加了工藝過程，可以在一定程度上降低負摩擦力，但同時也造成樁側正阻力減少，總體效果不佳[2］。

樁基處置法是直接在樁型或樁的布置中采取有效措施降低樁側負摩擦力的一種方法。在欠固結軟土地基中采用樁基礎時，常選用端承樁群樁基礎，一般僅當持力層過深時，才選用摩擦樁基礎。群樁法是在樁基礎設計中采用較密的群樁，研究發現群樁效應對于減少負摩擦力具有明顯的作用[5］，但群樁設置中的關鍵是樁間距，研究表明較小的間距可以取得更為有效的減少負摩擦的作用。在單樁獨立基礎時，有時為消除負摩擦，也可以在單樁周圍設置小樁來減小負摩阻力。此外，Masatoshi Sawaguchi[6］通過砂土模型試驗研究了楔形樁的負摩擦力，證明楔形樁具有減少負摩擦的作用，且楔角越大，這種作用越明顯，但其研究只針對砂土且機理分析不夠深入，欠固結軟土地基中楔形樁減小負摩阻力的研究尚需進一步研究。

3 錐形樁減少樁基負摩阻力的原理分析

以端承樁為例，某錐形單樁呈一定的錐角埋置于欠固結地基中，當地基固結沉降時，樁側土層沉降大于樁身變形，樁相對于土層有向上運動的趨勢，樁側產生負摩擦力，同時由于樁呈錐形，樁向上運動造成樁土出現分離的趨勢，因此樁土間的負摩擦力小于直樁，如圖2a)所示。當采用錐形群樁時，由于樁與樁之間存在相互作用，抑制了樁間土的固結沉降，從而使樁側摩阻力減少，稱為土拱效應，如圖2b)所示。群樁間的距離不宜過大，這樣有利于群樁土拱效應的發揮。

圖2 錐形樁減少負摩擦力的原理示意圖

4 結語

結合舟山地區土層的分布特點，我們建議為有效防止灘涂圍墾區的欠固結軟土地基中樁基產生負摩擦力，可以采取錐形群樁，并在施工前采用強夯法預先處置，若不便采用強夯，可以考慮加密的群樁來消除負摩擦力。這里所提出的方法目前還缺乏現場實證，因此以此為出發點開展深入的理論和現場實證研究是非常必要的。

[1]夏力農，王星華.帶負摩阻力樁基的設計與檢測[J］.巖土力學，2003，24(sup):491-494.

[2]唐業清.樁基負摩擦力的測定和降低方法[J］.工程勘察，1980(6):98-110.

[3]Jean-Louis Briaud.Bitumen selection for reduction of downdrag on piles[J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1999，123(12):1127-1134.

[4]Albert T.Yeung，Rajan Viswanathan，Jean-Louis Briaud.Field Investigation of Potential Contamination by Bitumen-Coated Piles[J］.J Geotech.Engrg，1996，122(9):736-744.

[5]Lee C.Y.Pile groups under negative skin friction[J］.Journal of Geotechnical Engineering，1993，119(10):1587-1600.

[6]Masatoshi Sawaguchi.Model tests in relation to a method to reduce negative skin friction by tapering a pile[J］.Soils and Foundations，1982，22(3):130-133.