單樁樁基負摩阻力的形成機制及其分界點的確定

文/張徽斌 湖南省第二工程有限公司 湖南長沙 410015

1、導致負摩阻力的形成機理及其因素

樁端的支撐力與周圍土體的側摩擦阻力兩者對樁基共同作用所產生的合力我們稱之為承載力。樁基與土體之間的位移相對量是導致樁基發生側摩擦阻力的主要因素。在一般正常的建筑工程施工中，樁基的頂部承受著上面部分的荷載壓力，相對于樁基周圍的土體環境來說，樁身整體在受到外部壓力的情況下會發生不同程度的向下位移，而相臨近的土體會給樁身一個向上的摩擦里，這種摩擦阻力就是人們常說的正摩擦阻力。然而，在建筑工程施工過程中，總會有很多突發情況與之前預想的完全相反，例如，當樁身相對周圍土體向上位移，這個時候樁身就會受到土體給予的向下摩擦阻力，這種摩擦阻力我們稱之為負摩擦阻力。圖1顯示了負摩擦阻力示意圖。

圖1 樁基負摩擦阻力

這種負摩擦阻力會對樁基額外附加一個向下的拉力，這樣就會加大整個樁基的承載力，如果在設計地基時未考慮樁基的負摩擦阻力，就會對整個樁基產生影響，極端的情況就是樁基塌陷，整個地基被破壞。產生這種負摩擦阻力的因素很多，綜合考慮可以將其歸納為以下幾點[1]：

(1)大量的新填土存在于樁基周圍，這種新填土與之前存在的粘土沒有形成很好的粘結性，導致土體整個下沉，樁基固定不牢。

(2)在發生大量降雨時，原來已經粘結的土體被雨水沖刷、泡軟，導致整個土體沉降，向上位移，從而產生向下的負摩擦阻力。

(3)樁基周圍的土體混合不均勻所導致的沙土粒徑不統一，或者是所用土體批次不同，所以它們的膨脹和收縮系數也會不同，這種微小差別會使樁基周圍的土體產生再一次粘結，從而導致整體土體下沉，樁基向上位移。

(4)樁基周圍的土體土質比較特殊，例如黃土高原地區，由于黃土的自身重力較大，而且吸濕性較強，所以其本身就存在下陷的缺點；或者在北方地區，由于土體遭受嚴寒天氣，當氣候變暖后，凍土就會融化，從而產生下沉。

(5)由于粘本身較為敏感，在施工過程中，它會或多或少地受到影響，重置、抬升、孔隙水壓力增大明顯，這些都會導致整個土體的向下位移，從而使樁基受到向下的摩擦阻力。

(6)在許多干旱地區，地下水位明顯下降時，土體的外部應力場會發生變化，它的有效應力會增大，從而導致土體下降，樁基產生負摩擦阻力。

2、分界點及位置的確定

樁基在產生負摩擦阻力時，并不是整個樁基都被賦予這種摩擦力，它所產生的范圍與整個樁基的下沉量、樁基本身受到的外部載荷壓縮量以及樁基周圍土體的粘結壓縮有關。正常狀態的情況下，整個樁基的位移量決定了它的大小，在樁基位移為零的點，改點所受到的摩擦阻力也為零，這個零點就是我們要找的中性點，我們稱之為樁基正負摩擦阻力的分界點。

圖2 樁基周圍土體及其中性點位置示意圖

圖2為樁基周圍土體以及正負摩擦阻力的臨界點示意圖，從圖中可以看出，曲線cd代表了樁基周圍土體下陷量的變化，它的量與深度有著直接關系；樁基每個截面的水平位移程度用圖中ab表示；這個水平的位移量由兩部分組成，如圖中所示，Ss代表了樁基自身收縮變形所產生的位移量，而Sp代表了樁端處的下沉位移量；土體地表的總下陷距離用Se表示。從圖中還可以看出，曲線ab與曲線cd相交于被標為0的點，這個零點處表示了樁基本身與周圍土體都沒有產生位移量，所以在零點處的摩擦阻力為零，這個點就是我們要找的分界點。以分界點為參照物，在分界點的上方，樁基本身和樁基周圍土體都會產生方向向下的位移，此時樁基本身的位移量要小于樁基周圍土體的位移量，樁基本身的摩擦阻力相對于樁基周圍土體來說是向上的，所以該區域為負摩擦阻力區域。在這個范圍中，樁基頂部受到的負載壓力與側面摩擦阻力方向都向下，這樣就會導致樁基本身的軸向壓應力急劇增大，直到在零點處到達最大值。在分界點的下方，樁基本身和樁基周圍土體也都會產生方向向下的位移，但此時樁基本身位移量要大于樁基周圍土體的位移量，此時樁基所受到的就是正摩擦阻力，軸向壓應力會逐漸變小，因為樁基側面受到正摩擦阻力的原因。

在平時的建筑施工中，如果可以到達現場進行樁基分界點的測試，那么流程相當簡單，而且測量的結果的可信度也較高。我們可以利用樁基本身與樁基周邊土體下沉位移量相等的原則來確定出分界點的位置所在，此外我們也可以通過軸向應力來確定分界點，因為樁基本身的軸向應力是存在最大點的。

但是很多時候，技術人員因為種種原因并不能到達現場進行樁基和土體的測量，這個時候我們就會用到如下方法來近似測量分界點的位置。

根據樁基的類型以及樁基端部承載力的特點可以確定：

端部樁基(持力層為砂土質地)：

式中，ln為分界點的深度， l表示樁基周圍土體的厚度。

隨著建筑學與數學領域的不斷發展，日本學者總結出標準的計算方法：

式中，Kv為樁基周圍土體的彈簧系數，單指垂直方向； S0代表了地基的下沉位移量； τ代表了樁基單位面積上的側摩擦阻力；U代表了樁基的周邊長度；ln代表了樁基側面的壓應力的下限；P為樁基頂端受到的負載壓力。該公式的最大優點在于將樁基受到的負載、樁基周長、側摩擦阻力、沉降位移距離等因素綜合考慮在內，雖然在取值范圍上仍然有不足，但是在無法到達現場測量的情況下，該公式的準確度已經非常客觀。

結語：

在建筑施工中，樁基的負摩擦阻力是影響工程安全的重要因素，本文對其產生的機制以及影響因素進行了簡要分析，并提出一種可信度極高的公式來計算分界點的位置，以應對無法到達現場測量的突發狀況。