深厚填土中樁基負摩阻力問題的探討

林盈盈

(廈門合道工程設計集團有限公司 福建廈門 361004 )

深厚填土中樁基負摩阻力問題的探討

林盈盈

(廈門合道工程設計集團有限公司 福建廈門 361004 )

針對深厚填土中樁基負摩阻力的問題，介紹了負摩阻力產生的機理、產生的條件、減小樁基負摩阻力影響的方法，本文通過“平潭海峽如意城項目”的設計實例，介紹了樁基負摩阻力的設計方法及步驟，供類似工程設計時參考。

深厚填土層;樁基;負摩阻力;下拉荷載

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引 言

近年來，擁有海岸線的一些沿海城市，提出了“發展海洋經濟”的戰略、“向海洋要土地”的口號，并掀起了圍填海的熱潮，于是，中國房地產像浪潮一樣從陸地向海洋蔓延開來。而圍填海新增的“土地”，形成厚填土地基場地，樁基設計時，最常見的便是深厚填土中樁基負摩阻力問題，負摩阻力增加了樁身的外加荷載，如果樁基設計時未能充分考慮負摩阻力的影響，基礎有可能產生沉降過大或樁身軸力過大，嚴重時，可能使樁身破壞或樁端地基土破壞，影響結構安全。因而，深厚填土中的樁基負摩阻力的考慮成為樁基設計中重要的環節。本文通過一工程實例，探討深厚填土中的樁基負摩阻力對樁基設計的影響，為今后工程設計提供參考。

1 負摩阻力產生的機理[4]：

樁基承載力是由樁側摩阻力和樁端承載力組成的，由于樁—土間的相對位移促使樁側產生摩阻力。

1.1 樁側正摩阻力

在正常工作情況下，樁頂承受了上部荷載，樁身在上部荷載的作用下產生相對樁周土向下的位移，樁周土體對樁身產生向上的側摩阻力，以抵抗樁身向下的位移，即為樁側正摩阻力，詳(圖1)；

1.2 樁側負摩阻力

當樁周土體因沉陷或固結而產生大于樁身的沉降時，樁側摩阻力由抵抗樁下沉的力變成拽著樁下沉的力，即為樁側負摩阻力，詳(圖2)；

圖1 樁側正摩阻力 圖2 樁側負摩阻力

2 負摩阻力產生的條件

設計中遇到以下地質情況，需考慮樁的負摩阻力。

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

(2)樁周存在軟弱土層，鄰近樁側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)；

(3)由于降低地下水位，使樁周土有效應力增大，并產生顯著壓縮沉降時；

(4)其它能導致樁周土體相對樁身產生向下位移的因素。

3 考慮負摩阻力的樁基承載力設計步驟

3.1 樁基負摩阻力引起的下拉荷載的計算

3.1.1 中性點位置的確定

樁側正、負摩阻力分界點稱之為中性點，中性點截面樁身的軸力最大。工程實測表明，在高壓縮性土層l0的范圍內，負摩阻力的作用長度，即中性點的穩定深度ln，是隨樁端持力層的強度和剛度的增大而增加的，其深度比ln/l0的經驗值詳(表1)[1]。

表1 中性點深度ln

注：ln、l0——分別為自樁頂算起的中性點和樁周軟弱土層下限深度；

3.1.2 基樁下拉荷載：(中性點以上的負摩阻力總和即為下拉荷載,它增大了樁身荷載)

(1)負摩阻力的規范計算方法——有效應力法[1]：多數學者認為樁側負摩阻力的大小與樁側土的有效應力有關，大量試驗與工程實測結果表明，實測值與規范計算值相近；

b、ξni：樁周第i土層負摩阻力系數(表2)[1]；

e、γi、γe：第i計算土層和其上第e土層的重度，地下水位以下取浮容重。

f、Δzi、Δze：第i計算土層和其上第e土層的厚度。

表2 負摩阻力系數ξn

注：a、在同一類土中，對于擠土樁，取表中較大值，對于非擠土樁，取表中較小值； b、填土按其組成取表中同類土的較大值。

(2)負摩阻力的標準貫入試驗法[2]：

注：式中Ni為樁周第i層土經鉆桿長度修正的平均標準貫入修正試驗擊數

(3)負摩阻力的不排水抗剪強度試驗法[3]：

注：式中qu為樁周第i層土的無側限抗壓強度室內試驗值 Cu為樁周第i層土的不排水抗剪強度

(4)負摩阻力的經驗值法[3]，詳表3：

表3 負摩阻力標準值：

對于樁距較小的群樁,其基樁的負摩阻力因群樁效應而降低。因此計算群樁中基樁的下拉荷載時要考慮群樁效應。

3.2 考慮負摩阻力的樁基承載力驗算

3.2.1 對于摩擦型樁基：由于受負摩阻力沉降增大，中性點隨之上移，即負摩阻力、中性點與樁頂荷載處于動態平衡。作為一種簡化，取假想中性點(按樁端持力層性質取值)以上摩阻力為零驗算基樁承載力。按下式驗算基樁承載力：

Nk≤Ra

3.3 當土層分布不均勻或建筑物對不均勻沉降較敏感時，由于下拉荷載是附加荷載的一部分，故應將其計入附加荷載進行沉降驗算。

注：式中Ra只計中性點以下部分的側阻值及端阻值。

4 深厚填土中的樁基負摩阻力工程案例

4.1 工程概況

“平潭海峽如意城某項目” 擬建場地原為鹽場，經后期人工回填成現場地，其四周均為海灣，該地塊總建筑面積253347 m2，其中地上建筑面積173402 m2，地下建筑面積79944 m2。擬建物主要為6 棟15～23 層的辦公樓、2～3 層的裙房及2 層整體地下室組成，建筑物最大高度為98.75m。根據地勘報告揭示，樁周存在約33m厚的飽和流塑淤泥質土，具體地層結構情況詳(表4)。基礎采用沖(鉆)孔灌注樁，樁端持力層為中風化花崗巖(9)的嵌巖樁(樁基沉降不需計算可滿足要求)，①～⑤層土需考慮樁側負摩阻力的影響，建筑抗浮設計水位為黃海標高5.3m。

表4 土層情況

4.2 樁基負摩阻力引起的下拉荷載的計算(選取有代表性的鉆孔ZK31、ZK121進行計算)

4.2.1 土層情況

土層ZK31ZK121土層厚度(m)γiΔzi土層厚度(m)γiΔzi①層素填土0000②-1層淤泥質土10.5575.966.0043.2②-2層含粉砂淤泥質土10.5082.954.5035.55②-3層淤泥質土7.0053.97.2055.44③層粉砂0.0002.9024.65④層粉質粘土9.4078.025.3043.99⑤層淤泥質土1.07.26.1043.92

土層有效應力σ'i((kN/m2)ZK31ZK121②-1層淤泥質土37.9821.60②-2層含粉砂淤泥質土117.4460.98②-3層淤泥質土185.86106.47③層粉砂212.81146.52④層粉質粘土251.82180.84⑤層淤泥質土294.43224.79

4.2.3 樁側負摩阻力標準值qsi：

土層樁負摩阻力系數ξni樁側負摩阻力標準值qsiZK31ZK121②-1層淤泥質土0.155.70(5.70)3.24(3.24)②-2層含粉砂淤泥質土0.1517.62(10)9.15(9.15)②-3層淤泥質土0.1527.88(10)15.97(10)③層粉砂0.3574.48(30)51.28(30)④層粉質粘土0.2562.96(20)45.21(20)⑤層淤泥質土0.1544.16(10)33.72(10)

ZK31ZK121中性點以上土層負摩阻加權標準值qns11.2612.08負摩阻群樁效應系數ηn1.391.30考慮群樁效應的基樁下拉荷載Qng(kN)1088971.18

4.2.5 下拉荷載對單樁承載力的影響

1)算法(1)：根據土的物理指標與承載力參數之間經驗關系確定的單樁豎向極限承載力

標準值：

土層⑥層粗礫砂夾碎石⑦層全風化花崗巖⑧-1層砂土狀強風化花崗巖⑧-2層碎塊狀強風化花崗巖⑨層中風化花崗巖總側阻極限標準值(kN)總端阻極限標準值(kN)單樁承載力特征值Ra(kN)樁側極限側阻力特征值qsia(kPa)6595100130180ZK31土層厚(m)002.96.51側阻極限標準值00728.482122.64452.163303.286531.204917

注：1、樁徑800mm為例； 2、樁端極限端阻力標準值qpk=11000kPa； 3、單樁極限承載力標準值Quk= ψpqpk*Ap+ψsiup*sum(qsik*li)； 4、單樁承載力特征值Ra=Quk/2；

2)算法(2)：根據巖石飽和單軸抗壓強度確定的單樁豎向極限承載力標準值：

土層⑥層粗礫砂夾碎石⑦層全風化花崗巖⑧-1層砂土狀強風化花崗巖⑧-2層碎塊狀強風化花崗巖⑨層中風化花崗巖總側阻極限標準值(kN)總端阻極限標準值(kN)單樁承載力特征值Ra(kN)樁側極限側阻力特征值qsia(kPa)6595100130180ZK31土層厚(m)002.96.51側阻極限標準值00728.482122.64452.1632172961716417

注：1、樁徑800mm為例； 2、巖石飽和單軸抗壓強度標準值=72.78MPa 3、單樁極限承載力標準值Quk= ζr*frk*Ap+ψsiup*sum(qsik*li)，(ζr =0.81)； 4、單樁承載力特征值Ra=Quk/2；

3)下拉荷載對單樁承載力的影響

單樁承載力特征值Ra(kN)樁身承載力(kN)單樁承載力特征值Ra(設計取值)(kN)基樁下拉荷載Qng(kN)上部荷載對應的單樁承載力特征值Ra'(kN)下拉荷載/單樁承載力特征值(%)算法一:經驗參數法49176717.0849171088382922%算法二:飽和單軸計算法164176717.0855411088445319%

4)小結

算法一：土的物理指標與承載力參數之間經驗關系確定的單樁豎向承載力特征值約為4917kN；算法二：巖石飽和單軸抗壓強度確定的單樁豎向承載力特征值約為16417kN，其承載力特征值由樁身強度確定，單樁豎向承載力特征值約為5541kN，深厚填土中樁基負摩阻力產生的下拉荷載約為1088 kN，下拉荷載約占單樁承載力特征值的19～22%。

5 由于國內有關規范中關于負摩阻力的計算公式多為經驗公式，考慮的影響因素較為單一, 得出的中性點深度與實際受力不可能很準確；再者由于樁土相互作用的復雜性、原位測試費用昂貴，我國關于樁側表面負摩阻力的現場原位測試仍然少見。鑒于上述原因設計考慮樁基負摩阻力的影響除了計算負摩阻力引起的下拉荷載外，還需結合項目的具體場地及地質情況采取減小樁基負摩阻力影響的方法：

5.1 預壓法：即對擬建建筑物范圍進行預壓處理，加快填土的固結沉降。該方法操作簡單，造價較低，但施工周期較長。

5.2 圍護隔斷法：此法適用于建筑物周邊范圍存在局部填土造坡的情況，施工順序為施工圍護樁——填土造坡——建筑物基礎、主體施工，此方法單位造價較高，如果處理范圍不大，對工程整體造價影響不大。

5.3 樁身處理：在工程樁一定范圍內(中性點以上)涂以瀝青等處理措施，可以改變樁土接觸表面摩阻性能從而減小負摩阻力值，可借鑒各地實際工程數據，具體量化考慮。

5.4 壓力灌漿法：通過機械壓力使漿液滲入填土層和下臥土層中的裂隙和孔隙，快速固結填土層，此法適用范圍廣，但造價相對較高。

6 結語

深厚填土層中樁的承載力由中性點以下的樁側和樁端土體來提供，負摩阻力引起的下拉荷載，對樁身施加附加荷載，從而引起樁基實際受荷的增加和有效承載力的降低；樁基設計時應充分考慮負摩阻力的影響，確保結構安全；對于深厚填土，也可采取有效措施減小樁基負摩阻力的影響，樁基設計時應留有余地。

感謝

本工程在設計過程中，得到了公司總工肖偉、楊瑪莎教授級高工的悉心指導，在此深表感謝！

[1]JGJ94-2008,建筑樁基技術規范[S].

[2]JGJ94-94,建筑樁基技術規范[S].

[3]徐先坤.淺析樁基負摩阻力.同濟大學地下建筑與工程系.

[4]張紅亮.深厚填土中樁基自平衡試樁法及負摩阻力研究.中南大學2011.

Discussion of the issue of negative friction of piles in deep filling

LINYingying

(XIAMEN HORDOR DESIGE GROUP Co., LTD XIAMEN 361004)

For the issue of negative friction of piles in deep filling, this paper introduces the generation mechanism, generation conditions and methods to reduce the impact of negative friction. Through the " Pingtan Strait City of Satisfied-wishes " design examples, this paper introduces the design methods and procedures of negative friction of piles for reference to similar engineering design.

Deep Fill Soil; Pile; Negative Friction; Downward Load

林盈盈(1969.1- )，女，工程師。

2015-05-18

TU473

A

1004-6135(2015)07-0127-03