淺談樁基負摩阻力的計算方法及中性點位置的選擇

顧云佳

(西華大學土木工程學院，四川成都 610039)

樁基礎的使用歷史悠久，在史前人們就開始使用木樁來支撐房屋，而隨著近代工業(yè)技術的發(fā)展和科學技術的進步，樁的材質、分類、施工方法都有著日新月異的發(fā)展。如今，樁基礎已成為在土質不良地區(qū)修建各類建筑所采用的最普遍的基礎形式之一，而且在高層、超高層建筑、橋梁、近海結構等工程中使用更為廣泛。

如果使用樁作為支撐結構的基礎形式，那么負摩阻力將是設計工作者不可逃避的名詞。它廣泛存在于樁基工程中，在自重濕陷性土層、欠固結土層等不良土質地區(qū)體現(xiàn)得尤為明顯，若處理不當將導致嚴重的樁基功能失效。因此，深入探討樁基的負摩阻力分布規(guī)律及計算方法，對實際工程來說具有重要的意義。

1 負摩阻力產(chǎn)生的原因及影響

在樁頂豎向荷載作用下，樁和地基土之間產(chǎn)生相對位移時，樁的側面產(chǎn)生摩阻力，當樁相對于側面土體向下位移時(既樁沉得比土快)，土對樁產(chǎn)生向上作用的摩阻力，稱為正摩阻力。反之，樁相對于側面土體向上位移時(土沉得比樁快)，土對樁產(chǎn)生向下的摩阻力，稱為負摩阻力。

當樁穿越軟弱土層到達堅硬的持力層時，樁上部的土體因為欠固結或者浸水濕陷等種種原因沉降得比樁快，故產(chǎn)生負摩阻力。樁下部的土較為堅硬，他們往往沉降得比樁慢，所以產(chǎn)生對結構有益的正摩阻力。由正轉負的臨界點既稱為中性點，其示意圖見圖1。

圖1 軟土地基樁側表面負摩阻力作用特性示意

根據(jù)上述的負摩阻力產(chǎn)生的原因，我們得出負摩阻力對樁基性能的不利影響:

(1)樁基的承載能力由側摩阻力和樁端承載力組成，而負摩阻力的產(chǎn)生不但無法成為樁基承載力的一部分，反而會成為土體對樁身的附加荷載。

(2)由于負摩阻力成為了附加荷載，那么樁的承載力不得不只能依靠中性點以下的樁側土體和樁端來提供，使得樁的最大軸力點并不在樁頂而是在中性點處，從而造成樁端土體沉降的增加以及樁基沉降的增加，并且降低了樁身強度的安全可靠度。

2 負摩阻力的計算

負摩阻力的計算又分為單樁負摩阻力和群樁負摩阻力的計算兩種，在此我們只討論單樁的情況。首先確定中性點的位置;然后計算負摩阻力強度;最后是下拉荷載的計算。第一步中性點位置ln的確定會在下一個小節(jié)著重分析，在這節(jié)里暫時只討論負摩阻力強度以及下拉荷載的計算。

2.1 負摩阻力的強度fn 大致有5 種方法

(1)在軟土或者中等強度黏土地區(qū)，可以按太沙基的方法。

式中:qu為土的無側限抗壓強度，kPa;Cu為土的不排水抗剪強度。

(2)也可采用有效應力法［1］。

式中:fni為第i 層土樁負摩阻力強度;σvi為第i 層土平均豎向有效覆蓋應力;Ki為樁周第i 層土側壓力系數(shù)，可近似取靜止土壓力系數(shù);φi為第i 層土的有效內摩擦角。

但是在地下水位降低或者地面荷載增加時，σvi會有所增加，其算法如下:

地下水位降低時:σvi=γmzi

地面有均布荷載增加時:σvi= p+γmzi

式中:γm為第i 層土以上，土樁周的加權平均重度，地下水以下取有效重度;zi為從地面算起的第i 層土中點深度;p為地面均布荷載。

(3)對于砂類土，可以按下列經(jīng)驗公式計算負摩阻力強度。

式中:N為N63.5平均貫入試驗錘擊數(shù)。

(4)采用數(shù)值分析法。

這種方法是通過計算機軟件(如ABAQUS)建立單樁負摩阻力計算模型［2］來模擬樁土界面的滑移對負摩阻力的影響并進行分析。這方法的好處是能同時考慮樁基負摩阻力的各種因素，得出的結論較為精確。不過因為條件限制等原因，所以在某些普通的實際工程中使用起來并不方便。

(5)按經(jīng)驗估計。

在缺乏試驗資料的情況下，一些設計工作者可以根據(jù)工程經(jīng)驗直接對負摩阻力進行取值。經(jīng)驗公式如下:

式中:h為產(chǎn)生負摩阻力的深度;H為可壓縮層的深度;K為經(jīng)驗系數(shù)，可取0.7 到1.0 之間。

不過這種方法得出的結果一般來說都偏大，較為保守。

2.2 下拉荷載Fn的計算

在得出中性點位置ln以及l(fā)n范圍內各層土的負摩阻力強度fni，就可以將其累計起來，其最后值就是下拉荷載Fn.具體公式如下:

其中:up為樁截面周長;n為中性點以上的土層數(shù);lni為中性點以上第i 層土的厚度。

3 中性點的選擇方案

中性點位置的確定實際是比較復雜的一個問題，它取決于樁與樁側土的相對位移。在原則上，樁沉降和樁周土沉降相等的那個點即是中性點。在一般情況下，樁上部周圍欠固結土層越厚，欠固結程度越大，樁底部持力層越堅硬，那么中性點的位置越深。但是中性點并不是一個固定的點，它會隨著樁沉降的增加而向上移動，直到最后整個沉降過程開始穩(wěn)定，中性點才到其固定的深度ln處。所以目前來說，精確計算中性點位置十分困難，規(guī)范上采用的是估算的方法，具體方法是根據(jù)不同的持力層性質來估算中性點深度ln與樁長l0的比值。

表1 中性點深度與樁長比值的估算

以下用一個實際的例子來進行分析:此例用的是一種叫做荷載傳遞法［3］的分析法來計算，并用其結果與實測的結果做對比。

某公路一橋臺樁基工程現(xiàn)場實測負摩阻力［4］，該基樁為直徑1.5 m 的鋼筋混凝土的灌注樁，樁長28 m，樁段嵌入中風化二長花崗巖。

試樁樁側及樁端土參數(shù)如表2 所示。

表2 土性參數(shù)

圖2 和圖3 則給出了實測樁周土體沉降和樁身軸力變化曲線。

圖2 土體沉降計算值與實測結果比較

圖3 樁身軸力計算值與實測結果比較

由圖2可以看出，實測與計算的土體沉降量基本吻合。

4 減小負摩阻力的措施

降低負摩阻力造成的下拉荷載Fn的方法很多，但原理無外乎兩種:一種是減小中性點以上土體和樁的接觸面積，其具體做法是在樁的承載能力允許范圍內，盡量減小樁徑，降低樁體的剛度;另外一種是降低負摩阻力的摩擦系數(shù)來減小負摩阻力。如果是預制樁，那么可以通過涂以軟瀝青涂層的辦法來達到這種效果，瀝青層越軟越厚，那么效果越好。國際上采用的SL 瀝青復合材料，其收效甚好;如果是灌注樁，那么可以在沉降土范圍內插入比鉆孔直徑小50～100 mm 的預制混凝土樁段，再用高稠度膨潤土泥漿來填充，從而制造一個與樁側土的隔離層。

另外，從施工方法上也能達到降低負摩阻力影響的方法。比如采用合理的施工順序、施樁的速度、在回填土及上部結構采取分段施工等措施，都能達到減小負摩阻力引起的下拉荷載的效果。

5 結束語

目前因為試驗條件、科技手段等種種因素，要對負摩阻力進行精確的計算還是一個較為復雜的問題。但隨著各種理論的發(fā)展和測試水平的提高，各種先進的樁側表面的負摩阻力的反演分析法將逐步走向成熟并被加以應用。而在大型復雜的巖土工程中，三維負摩阻力仿真試驗也會越來越被重視，到時候設計精度會更高。另外各種新型材料也會被研究工作者發(fā)現(xiàn)，到那時，減小負摩阻力的手段也會有突破性的進展。

［1］陸明生.樁基表面負摩阻力的現(xiàn)場測試與研究［J］.巖土力學，1997，18(1):8－15

［2］wong K S .The C I.Negative skin friction on plies in layered soil deposits［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1995，121(6):457－465

［3］趙明華，賀煒，曹文貴.基樁負摩阻力計算方法初探［J］.巖土力學，2004，25(9)

［4］馬時冬.樁身負摩阻力的現(xiàn)場測試與研究［J］.巖土力學，1997，18(1):8－15