淺談濕陷性黃土場地樁基的負摩阻力

胡靜靜

摘 要：根據(jù)濕陷性黃土的特點，初步論述了樁基負摩阻力產(chǎn)生的原因及基本特征，指出了其對樁基的不利影響，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范、規(guī)程介紹了樁基負摩阻力、中性點的計算方法和減小樁側(cè)負摩阻力采取的措施。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)；負摩阻力；中性點；濕陷性黃土

1 前言

我國分布有大面積的濕陷性黃土，以覆蓋廣、厚度大著稱于世。濕陷性黃土作為一種特殊性質(zhì)的土，其土質(zhì)較均勻、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育。在未受水浸潤時，一般強度較高，壓縮性較小。當在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)會迅速破壞，產(chǎn)生較大附加沉降，強度迅速降低。當自重濕陷量的實測值Δzs或計算值Δzs小于或等于70mm時為非自重濕陷性黃土；大于70mm時為自重濕陷性黃土。

隨著高層建筑和大型工業(yè)建筑的發(fā)展，有些淺埋基礎(chǔ)與地基的承載力往往不能滿足設(shè)計要求，因而自20世紀90年代以來，在濕陷性黃土地區(qū)采用灌注樁和預(yù)制樁基礎(chǔ)的工程日益增多。在確定自重濕陷性黃土場地的樁基承載力時，除不計濕陷性土層范圍內(nèi)的樁周正摩阻力外，還要扣除樁側(cè)的負摩阻力。因此合理確定樁基負摩阻力是濕陷性黃土地區(qū)樁基設(shè)計的關(guān)鍵，決定了樁基設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性。

2 負摩阻力產(chǎn)生的原因和特征

樁基礎(chǔ)承載力是由樁周土的摩阻力和樁端阻力共同組成的。其中摩阻力又可以分為兩種，當樁相對于土體產(chǎn)生向下的位移時，土主要表現(xiàn)為對樁的支撐作用，產(chǎn)生正摩阻力；反之，產(chǎn)生負的摩阻力，其分界點稱之為中性點。在該點，樁土相對位移為零，既沒有負摩阻力，又沒有正摩阻力。樁身軸力最大。中性點以上的負摩阻力總和稱為下拉荷載。

產(chǎn)生負摩阻力的原因，是由于樁周土的沉降變形大于樁的沉降變形而致。而造成樁周土沉降變形的原因是多方面的，因而產(chǎn)生負摩阻力的原因很多，主要有下列幾種情況：

（1）位于樁周的欠固結(jié)軟粘土或新近填土在其自重作用下產(chǎn)生新的固結(jié)；

（2）大面積地面堆載使樁周土層壓密固結(jié)下沉；

（3）自重濕陷性黃土浸水后產(chǎn)生濕陷；

（4）靈敏度較高的飽和粘性土，受打樁等施工擾動（振動、擠壓、推移）影響，附加孔隙水壓力增加，隨后又繼而產(chǎn)生新的固結(jié)下沉。

在上述各種情況下，土的自重和地面上的荷載都將通過負摩阻力傳遞給樁。樁的負摩阻力問題必定與地基內(nèi)軟弱土層或濕陷性土的存在有關(guān)。這種土層愈厚，負摩阻力的影響也就愈大。

3 負摩阻力對基樁的影響

樁表面負摩阻力的主要影響后果是增加樁內(nèi)軸向荷載，從而使樁軸向壓力和壓縮量增加，有效承載力降低，并且在摩擦樁情況下可能引起樁的沉降有較大的增加。

《濕陷性黃土建筑規(guī)范》（GB 50025-2004）5.7.2條規(guī)定：在濕陷性黃土場地采用樁基礎(chǔ)時，樁端必須穿透濕陷性黃土層，并應(yīng)符合下列要求：

（1）在非自重濕陷性黃土場地，樁端應(yīng)支承在壓縮性較低的非濕陷性黃土層中；

（2）在自重濕陷性黃土場地，樁端應(yīng)支承在可靠的巖（或土）層中。

4 樁基負摩阻力的計算

4.1 樁側(cè)負摩擦力的計算深度

目前國內(nèi)外，一般以樁身的中性點作為計算樁側(cè)負摩擦力深度的下部界限，而樁身的中性點取決于樁和樁周土層的相對位移均相同的位置。

圖1 樁周正、負摩擦力和中性點隨土層浸水深度的變化

一般來說，中性點的位置，在初期多少是有變化的，它隨著樁的沉降增加而向上移動，并與土的濕陷性質(zhì)、浸水時間、浸入土層中的水量和浸濕范圍等因素有關(guān)，只有當樁周的濕陷性黃土層充分浸水引起的下沉量完全穩(wěn)定后，樁身的中性點位置也將穩(wěn)定在某一固定的深度ln處。

中性點深度ln應(yīng)按樁周土層沉降與樁沉降相等的條件計算確定，也可參照表1確定。

注：1 ln、l0-分別為自樁頂算起的中性點深度和樁周軟弱土層下限深度

2 樁穿過自重濕陷性黃土層時，ln可按表列值增大10%（持力層為基巖除外）

3 當樁周土層固結(jié)與樁基沉降同時完成時，取ln=0；

4 當樁周土層計算沉降量小于20mm時，ln應(yīng)按表列值乘以0.4～0.8折減。

4.2 樁基負摩阻力大小計算

負摩阻力對基樁而言是一種主動作用。多數(shù)學(xué)者認為樁側(cè)負摩阻力的大小與樁側(cè)土的有效應(yīng)力有關(guān)，不同負摩阻力計算式中也多反映有效應(yīng)力因素。大量試驗與工程實測結(jié)果表明，以負摩阻力有效應(yīng)力法計算較接近于實際。

國內(nèi)相關(guān)規(guī)范中考慮樁基負摩阻力問題的計算方法總體上屬于經(jīng)驗法的范疇，所給出的計算公式也簡單易用。

（1）《濕陷性黃土規(guī)范》

在非自重濕陷性黃土場地，當自重濕陷量的計算值小于70mm時，單樁豎向承載力的計算應(yīng)計入濕陷性黃土層內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力。在自重濕陷性黃土場地，除不計自重濕陷性黃土層內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力外，尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負摩擦力。樁側(cè)負摩阻力應(yīng)進行現(xiàn)場試驗確定。當進行現(xiàn)場試驗確有困難時，可按表2估算。

4.3 基樁考慮負摩阻力的設(shè)計驗算

自重濕陷性黃土場地，樁周負摩阻力對基樁承載力和沉降的影響應(yīng)根據(jù)工程的具體情況進行專門的設(shè)計驗算。當驗算不滿足時，可對場地自重濕陷性土層進行預(yù)處理，消除自重濕陷性，也可采取其他減小樁側(cè)負摩阻力的措施。

（1）基樁承載力驗算

計算基樁豎向承載力特征值Ra ，可取樁身計算中性點以上側(cè)阻力為零，樁身中性點以下，取飽和狀態(tài)下的樁側(cè)摩阻力及端阻力，對于摩擦型基樁，按下式驗算基樁承載力。

Nk ≤Ra

對于端承型基樁除應(yīng)滿足上式要求外，尚應(yīng)考慮負摩阻力引起的下拉荷載Qgn，按下式驗算基樁承載力。

Nk +Qgn≤Ra

（2）沉降驗算

受負摩阻力或下拉荷載引起的建筑樁基沉降變形計算值不應(yīng)大于樁基沉降變形允許值。可能發(fā)生局部性浸水而產(chǎn)生的相鄰基礎(chǔ)的沉降差不得大于樁基沉降變形允許值。具體計算方法可參照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

5 結(jié)語

在我國的工程實踐中，樁側(cè)負摩阻力已成為濕陷性黃土場地樁基設(shè)計的主要問題。目前，對于樁基負摩阻力的研究雖然在數(shù)值計算和理論研究方面均有了較多的成果，但仍存在一些問題：

（1）黃土地區(qū)進行的樁基現(xiàn)場浸水試驗研究數(shù)量依然偏少，導(dǎo)致我們對黃土地區(qū)樁基在浸水作用下的工作性狀始終不能有全面的認識。《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》條文說明敘述到：“鑒于目前自重濕陷性黃土場地樁側(cè)負摩阻力的試驗資料不多，本規(guī)范有關(guān)樁側(cè)負摩阻力計算的規(guī)定，有待于今后通過不斷積累資料逐步完善”。

（2）中性點問題是樁基負摩阻力問題的核心問題之一，已有現(xiàn)場試驗表明中性點的位置和規(guī)范規(guī)定之間還存在差別，但怎么準確計算中性點位置還沒有現(xiàn)成的方法。

（3）影響濕陷負摩阻力大小的因素，如濕陷量、實現(xiàn)速率、浸水面積、樁頂荷載、樁土相對剛度、樁長等對其的影響不夠明確。

（4）在大厚度濕陷性黃土場地，按理論和經(jīng)驗設(shè)計的樁基樁長往往非常長，偏于保守，而現(xiàn)場試驗結(jié)果表明樁長仍有一定縮短的空間，但缺乏理論支持。

濕陷性黃土作為一種特殊性土，樁基的樁土相互作用與負摩阻力問題極其復(fù)雜，仍然有很多問題有待我們繼續(xù)深入研究。

參考文獻

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