如何考慮承壓樁基的負摩阻力問題

陶鷹

（攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司,四川 攀枝花 617000）

很久之前，人類就已將樁基工程引入了河谷及洪積地等基土條件相對較差的區域。樁基礎是深基礎的重要組成部分，可以更加有效地滿足各種項目地質條件、項目要求與荷載情況的需要。樁是豎直或微傾余的基礎構件，其橫截面尺寸比長度小得多，樁置于土中，上部結構荷載作用其上，并通過它傳遞給地基土。一般來說，由于受到豎向荷載的作用，樁頂會發生下沉，而其周圍土體會對其產生一定的正摩阻力。當樁周土體由于某些因素而發生下沉，且其沉降位移比樁的沉降位移要大的時候，此時，樁周土會對樁產生負摩阻力。這個荷載不容忽視，作者在某江邊工程實踐中證實：對一幢中高層樓房，場地上表面近10m欠固結堆積土對樁的負摩阻力形成的下曳荷載接近樁頂受壓荷載；由此可見，存在負摩阻力的樁基，其下曳荷載必須定量計算。

1 負摩阻力的發生條件分析

一般情況下，樁基往往在下面的場景中會產生負摩阻力。

（1）當樁穿過新沉積的欠固結土層，或欠固結的松散填土而支承于硬度相對較高的土層中，樁側土由于固結所造成的沉降量高于樁的沉降時。

（2）樁側存在自重濕陷性黃土或可液化或季節性凍土層下，當凍土融沉或黃土浸水濕陷時，或當可液化土由于各種動力荷載而發生液化，液化土再次固結之后造成明顯沉降時。

（3）當樁側土層由于抽水或其他條件影響而造成大規模地下水位下降，土的有效應力提高而造成地面產生沉降時。

（4）樁側地面由于大面積填土或堆載而造成明顯沉降時。

（5）飽和軟土中打入密度相對較高的樁群，導致超孔隙水壓力，土體大面積上涌，土體由于這一壓力失去而重新固結時。

2 負摩阻力對建筑物的危害

相關研究指出，該作用力對建筑物本身是不利的。對于摩擦樁，它將造成附加下沉，倘若下沉的土層不均勻，或建筑物基礎的某些樁基產生該作用力，在這種情況下，則將引起建筑物的不均勻下沉，這樣就會破壞其上部結構。如果廠房大面積堆載，引起地面下沉，在樁基一側產生負摩阻力，那么建筑物樁基將發生側傾，致使上部柱子對傾。對于端承樁，這一作用力使得樁身荷載有所提高，甚至會破壞樁端持力層或樁身強度。

3 樁基負摩阻力少的特性

3.1 中性點

即指在同一根樁上從負摩阻力向正摩阻力過渡時，必然存在一個摩阻力數0的斷面，此即我們所說的中性點。它的上面樁周土下沉量高于樁下沉量，下面則恰恰相反。通常情況下，其所處位置能夠按照樁的沉降δ（z）以及樁周土沉降S（z）相等的條件確定：

δ（z）=S（z）

值得注意的一個問題是，δ（z）主要由以下兩部分組成：樁端貫入沉降δp（z）與樁的彈性壓縮δe（z）。

3.2 時間效應

正如上文所述，該作用力來自于樁側土層的固結沉降，所以，這一作用力的產生及其發展需要一定的時間，該時間的高低主要是由樁自身沉降完成的時間與樁側土固結完成的時間二者共同決定。當后者比前者早結束，在這種情況下，那么該作用力在達到最高值以后接著會減小；當前者早于后者結束，在這種情況下，那么該作用力在達到最高值以后將處于穩定狀態。固結土層厚度越大，滲透性就越低，該作用力達到最高值使用的時間就越長。

4 單樁負摩阻力計算

正如上文所述，該作用力受諸多因素影響，其計算甚為復雜；因此，需要適當地簡化計算過程。到現在為止，提出的算法只是局限在負摩阻力與下曳荷載的最大值的求解上。

4.1 單位負摩阻力qn的計算

（1）有效應力法

ktgφ＇為與土質、樁形、成樁工藝有關的系數，具體數值主要是通過實測或者試驗方法來確定；有關資料給出了經驗值供查。K為水平和豎向有效應力之比；取靜止土壓力系數值K0。

（2）單位負摩阻力按室內、外測定的土的力學參數確定

式中：Cu為土的不排水抗剪強度；qu為土的無側限抗壓強度。

對固結土層中的砂夾層：

其中，N為標準貫入擊數。

（3）負摩阻力經驗值

參考有關資料所載國外規范給出的經驗值及相應的計算方法。

4.2 下曳荷載的計算

關于這個指標的求解，本文根據經驗法與效應力法，將二者相結合，通過下面的公式進行求解：

式中：第i層的負摩阻力。

式中：U為樁的周長，m；△lni為第i層土的厚度，m；p0為作用于樁頂標高的單位地面荷載（土重考慮在內），kPa；γ′i、γ′j為第i、j層土的有效重度，kn/m3；地下水位以下取γ′i＝γi-1。

ξn為負摩阻力與豎向有效應力的比例系數，ζnkgφ′，按土層類別取下數值：

粉質黏土、粉士：0.25～0.40；

淤泥、淤泥質土、黏土：0.15～0.25；

自重濕陷性黃土：0.2～0.35；

砂土：0.35～0.50。

負摩阻力計算深度ln（即中性點深度），根據樁沉降與樁側土沉降相等的條件確定；也可參照現有經驗確定：

式中：ls為樁頂至固結土層底部的深度，m；ξ為中性點深度系，根據樁側總阻力與樁極限承載力的比例QSn/Qn查表。

4.3 考慮負摩阻力驗算樁的承載力

（1）樁承載力的驗算可按下式進行

式中：Qn為由負摩阻力引起的下曳荷載，kn；Fd為作用于樁頂的長期設計荷載，kn；Kn為承載力安全系數，Kn可取1.2～1.3；Rpu、Rsu為樁端總極限阻力和樁側總正極限摩阻力，kn。

（2）樁身強度按下式驗算

式中：Ap為樁身橫截面面積，m2；Sp為樁身短期容許強度，kpn。

5 群樁負摩阻力計算

群樁的負摩阻力有以下兩個特征：（1）受樁間土體體積、重量的作用而使該力有所下降；（2）外圍樁對地面堆載附加應力起遮擋功能而使該力有所減小。

其極限負摩阻力quq：

式中：qu為單樁的極限負摩阻力，kPa；ηn為負摩阻力的群樁效應系數。

ηn＝Ar／Ae

Ar＝a×b（a,b為群樁的相鄰樁在x、y兩方向的樁心間距）

Ae＝πRe2其中Re為等效圓半徑：

6 結語

在工程中，引起負摩阻力的因素是多種的，應具體問題具體分析；解決負摩阻力除納入樁基承載力計算外，還可以采取一些構造措施加以解決，最終消除負摩阻力對建筑物的不利影響。