關于帶負摩阻力的樁基礎探討

龍昊鵬（北京桑德環境工程技術有限公司北京101102）

0 引言

樁基礎在工程項目中已被廣泛應用。特別是在濕陷性黃土地區和軟土地區，樁基礎更為常見。負摩阻力作為特殊條件下樁基豎向承載力驗算的一項內容，筆者在進行《衢州市城東污水處理廠（三期）項目》樁基礎設計工作時發現，按照《樁基規范》進行負摩阻力有關計算時，取值選取標準有待完善、明確；進行樁基承載力檢測試驗時亦存在試驗標準不明晰、不合理的問題。本文從負摩阻力產生機理、條件及危害；負摩阻力的計算方法探討；帶負摩阻力樁的檢測取值標準與設計取值標準；減小負摩阻力的優化措施四個方面進行了闡述和探討，結合相關規范提出了解決此類問題的建議方法，供今后類似樁基礎項目設計研究參考。

1 負摩阻力的產生及危害

1.1 負摩阻力產生的機理及樁身受力特點

樁側摩阻力的分布可根據樁與周圍土的相對位移情況確定。樁基受荷后發生向下位移，包括樁身的彈性壓縮和樁端土的沉降。同時，樁周土體也會由于堆載或者固結發生位移，當樁身沉降量大于該位置樁側土體沉降量時，樁側摩阻力方向向上，其值為正；反之，樁側摩阻力方向向下，樁身承受負摩阻力作用。因此樁基出現負摩阻力的本質原因是樁周土體發生了大于樁身沉降的相對沉降位移。正、負摩阻力的分界點稱為“中性點”。圍繞中性點位置，樁身受力特點如下圖1所示：

圖1 樁身受力示意圖

該深度以上樁周土體的下沉量大于基樁，基樁承受負摩阻力；該深度以下基樁的下沉量大于樁周土體，樁受正摩阻力；該點處樁土位移相等、樁側摩阻力等于零；在該斷面處樁身軸力最大，而不是在樁頂處。樁基為摩擦型樁時，由于受摩阻力的影響，樁的沉降增大，中性點向上移動，負摩阻力、中性點與樁頂荷載處于動態平衡。樁基為端承型樁時，產生的負摩阻力對基樁沉降影響很小，樁土間相對位移變化很小，中性點位置不發生變化，故負摩阻力構成的下拉荷載須作為附加荷載考慮。此下拉荷載引起的樁身軸力增量往往很大，可能降低樁身強度的安全度，甚至影響樁身強度的設計。

1.2 負摩阻力產生的條件

學術界經過多年分析研究，提出了不唯一的計算樁側負摩阻力的計算假定與模型，通過試驗與實際工程的結果表明“有效應力法”與實際較為接近。我國現行規范也是采用有效應力法理論進行樁基負摩阻力的計算。《樁基規范》中也給出了計算基樁承載力時應計入樁側負摩阻力的幾個條件：

（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時；

（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）時；

（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[1]；

（4） 在飽和軟土中打入密集樁群，會引起超孔隙水壓力土體大量上涌，而后土體重塑過程中，超孔隙水壓力逐步消散，土體重新發生固結沉降，沉降量大于樁身沉降引起樁身負摩阻力產生。

1.3 樁基負摩阻力的危害

樁基負摩阻力及下拉荷載嚴重影響著工程的安全性。國內外研究人員做了大量的實驗，積累了寶貴的實測數據。表1為各種樁型對應的負摩阻力和下拉荷載實測數據[2]。

表1 各種樁型對應的負摩阻力和下拉荷載實測數據

可見樁基負摩阻力及其引起的下拉荷載明顯降低了樁基豎向承載能力，進一步發展還可能增加樁基的不均勻沉降、樁端地基屈服甚至造成樁身破壞等嚴重后果。在土體沉降較大的情況下，與不考慮樁基負摩阻力的樁基豎向承載力對比，負摩阻力的存在使樁基豎向承載能力數值下降可觀，因此在工程中必須充分考慮樁基的負摩阻力。

2 負摩阻力的計算方法探討

2.1 規范計算辦法介紹及存在問題分析

《樁基規范》根據極限分析理論，采用基于中性點位置的經驗方法，通過有效應力法來具體計算樁基負摩阻力值。極限分析理論方法計算簡單，便于應用，但也有局限性，計算所得的結果通常偏大。另外，計算中涉及到的中性點位置，采用按樁端持力層土體性質確定的經驗辦法，準確程度不佳。

《樁基規范》中第5.4.3～5.4.4給出了當缺乏可參照的工程經驗、實測資料時，帶負摩阻力樁基承載力的驗算辦法以及樁側負摩阻力的計算辦法。但存在2個問題值得探討：

（1）明確了摩擦型樁取樁身計算中性點以上側阻力為零驗算樁基豎向承載力；端承型樁區別于摩擦型樁，尚應考慮負摩阻力引起的樁基下拉荷載。但對于同時具有端承力與摩擦力的樁如何具體界定樁基類型，驗算樁身豎向承載力時是否計取下拉荷載，規范并無明確說明。

（2） 中性點深ln定義區間偏大，變化區間達0.1l0，不同的取值會導致結果有較大不同，影響計算結果一致性。

2.2 本文建議計算辦法

首先依據《樁基規范》5.4.2判定是否需要考慮樁側負摩阻力。如據上步結果判斷需要考慮樁側負摩阻力，則按照項目樁型、樁長、地勘報告等資料分別估算樁側阻力Qsk與樁端阻力Qpk數值（不考慮負摩阻力影響），樁側阻力大于兩者之和的50%則可判斷為摩擦型樁，反之判斷為端承型樁（在樁側阻與樁端阻相差不多時，判定樁型進而確定是否考慮下拉荷載計算樁基承載力將大大影響計算結果，出于對項目經濟性、適用性考慮，設計時應盡可能采取措施加大樁端阻，減小樁側摩阻力，將樁歸為摩擦型樁，減少無用投資）其次，計算中性點位置。本文提供兩種辦法計算中性點位置。

（1）在項目要求精確可靠分析樁基負摩阻力影響，驗算樁基豎向承載力時，可按照樁周土層沉降與樁沉降相等的條件計算中性點位置（樁基的沉降受到軟土沉降的影響，可根據Mindlin理論確定，土層沉降相對獨立也可以計算）。

（2） 按《樁基規范》表5.4.4-2中的經驗參數表確定中性點位置。筆者認為經驗參數法計算方法概念清晰，應用方便，從工程安全角度考慮，需取表中較大數值取值來進行計算。

最后，按《樁基規范》5.4.4條計算負摩阻力。摩擦樁：取中性點以下樁側阻力與樁端阻力之和；端承樁：取中性點以下樁側阻力與樁端阻力之和，再減去中性點以上負摩阻力（下拉荷載）。一般情況下，qsik較小，即使不考慮地面分布大面積荷載時，計算所得通常會大于qsik，偏于安全考慮可直接計，按（5.4.4-3）計算下拉荷載。這時

2.3 算例

《衢州市城東污水處理廠（三期）項目》工程擬采用PHC-AB500(100)預制樁基礎，樁頂標高-2.00m，平均樁長30m。基本地質情況詳見圖2，地基各巖土層樁基設計計算參數詳見表2：場地整平后±0.00相當于絕對標高4.00m，需新填土約1.50m厚。由于新填土層影響，樁基工作帶負摩阻力。

圖2 地基情況示意圖

表2 地基各巖土層樁基設計計算參數表

判斷樁類型：經計算Qsk=1 490.84kN，Qpk=1 570.80kN，Qpk＞50%(Qsk+Qpk)，可根據本文判定為端承樁，需考慮負摩阻力引起的下拉荷載。

確定中性點位置：持力層為卵石層，中性點深度ln=0.9×24.6=22.14m

計算負摩阻力及下拉荷載：

按《樁基規范》（5.3.5）以及（5.2.2）計算單樁承載力：

單樁豎向承載力特征值：Ra=1 530.820kN

考慮負摩阻力的單樁豎向承載力特征值：

考慮下拉荷載后，單樁豎向承載力特征值：

3 帶負摩阻力樁的檢測標準與設計標準

樁基工程除應在工程樁施工前和施工后進行基樁檢測外，尚應根據工程需要，在施工過程中進行質量的檢驗與檢測[3]。其中在施工前檢驗和施工后檢驗階段均需要對樁基進行豎向承載力檢驗。按照現行行業標準JGJ 106-2014《建筑基樁檢測技術規范》（以下簡稱《基樁檢測規范》）中規定，單樁豎向承載力檢驗分為單樁豎向抗壓靜載試驗和高應變法。高應變法不但可以檢驗樁基豎向抗壓承載力，還可以檢測樁身的完整性。由于其較靜載荷試驗更加經濟高效，在樁基條件滿足《基樁檢測規范》要求情況下，高應變法被更多的工程設計文件采用。比較兩種試驗過程和原理，不難發現無論是高應變法還是靜載荷試驗，負摩阻力的具體數值評估無法在試驗中實現。相關的各種規范中亦沒有特別提及帶負摩阻力樁基的檢測辦法。應該說帶負摩阻力的單樁豎向承載力檢驗無法與樁基受力模型及計算假定相符，尚需改進、提高和創新。

高、低應變法在樁基檢測工程中應用廣泛。低應變法用于檢測混凝土樁樁身是否完整，判定樁身缺陷的程度，檢測缺陷的位置。高應變法以重錘沖擊樁頂，克服樁側土的阻力使樁貫入土中。由于樁身產生變形，應變沿樁身向下傳播，通過收集的數據進行分析計算，得出作用在樁側土的阻力。不難發現，樁周土層的固結、沉降、變形需要一段時間，一個過程。重錘沖擊樁頂是一個很短的瞬間，樁側土的變形因素未考慮，樁基的負摩阻力也就無從評價和考慮。

在單樁豎向抗壓靜載試驗中，試壓荷載施加同樣是在較短的時間內完成，而樁側土體的變形需要相對很長的時間才能完成。由于時間上相差很多，所以在試壓時間段內，樁側土體的固結沉降變形幾乎可不考慮。也就是說，即使是在典型的負摩阻力工況下，單樁豎向抗壓靜載試驗過程中樁土相對位移與非摩阻力工況下相同。不存在中性點，所以計算分析中的中性點以上土層不會提供負摩阻力，還會表現為正常提供正摩阻力抵抗豎向荷載。這樣在試驗條件下是否考慮樁基負摩阻力并不影響試驗結果。

據此，高應變法和單樁豎向抗壓靜載試驗都無法正確評價帶負摩阻力樁的豎向承載力。在一般設計文件中不會明確樁的豎向承載力是否考慮了負摩阻力和下拉荷載因素。這樣使得樁的豎向承載力的評價標準不明確，結果明顯不合理。目前，常用的不區分是否考慮負摩阻力因素的設計承載力作為樁基豎向承載力檢驗標準是偏于不安全的。所以，本文建議在樁基檢測中，應當以不考慮負摩阻力因素的承載力作為樁基的豎向承載力檢驗標準；而在設計計算過程中，應以考慮負摩阻力、下拉荷載后的豎向承載力作為設計取值。上節算例中應以單樁豎向承載力特征值：Ra=1530.820kN作為樁基的豎向承載力檢驗標準；以考慮下拉荷載后單樁可提供的抵抗上部結構荷載的單樁承載力僅為為設計取值標準。可見兩者差值不可謂不大。

4 減小負摩阻力的優化措施

樁周負摩阻力的存在使結構安全可靠度降低，明顯提高工程造價。減小負摩阻力是保證工程質量和安全儲備的重要方面。因此，在工程設計階段和現場施工階段應盡可能采取措施，最大程度地消除負摩阻力的影響，使得工程項目安全可靠，經濟合理。借鑒已有工程項目經驗，需要針對不同的工程條件，本文歸納了以下幾種典型的方法措施：

（1） 對于新填土層或者欠固結軟土中的樁基，可先對土層進行預壓，降低土層的壓縮性，待地基沉降基本穩定再進行樁基施工。從而降低負摩阻力的影響。但一般施工周期較長，在工期允許的情況下可采用此辦法。

（2） 采用復合地基方法對可能產生負摩阻力的樁基礎周圍土體進行處理，可以有效地加固樁側地基，消減負摩阻力，提高樁基整體承載力。如對有地面大面積堆載的樁基，采用深層攪拌樁預先處理淺層地基土；對自重濕陷性黃土地基采用強夯、擠密土樁等辦法降低淺層地基土的沉降可能性，從而達到減少負摩阻力的效果。

（3） 盡可能減小穿過產生負摩阻力區域的樁側面積，在允許條件下采用小截面基樁，小截面基樁在減少了樁側負摩阻力同時也降低了豎向承載力，可能使樁基總數增加，這里面有一個經濟合理性的計算問題。

（4） 對樁身進行技術處理，如使用套管樁，即在中性點以上部分樁身加套管，樁與套管之間涂滿潤滑油；相對于造價較高的套管樁，也可在沉樁前對樁身中性點以上區域涂抹瀝青、油漆或其他能降低摩擦阻力的涂料減小樁側摩擦系數，減少樁基負摩阻力。此辦法操作簡單，技術安全可靠，應用也最為廣泛。

（5） 對于由地下水位下降引起的負摩阻力樁基礎，可停止降水，保持水位穩定；還可以采用止水帷幕注漿隔水，從而減少負摩阻力影響。

上述五種措施，對于減少樁側負摩阻力的效果有所不同。在工程的具體應用中，應區別對待。針對不同的措施，正確評價減小的負摩阻力效果，保證考慮負摩阻力的樁基豎向承載力取值合理安全。

5 結論

負摩阻力的存在降低了樁基承載能力，在工程中應得到重視并充分考慮。由于負摩阻力產生原因特殊，又受多個因素影響制約，導致快速準確計算、評價樁基負摩阻力顯得更為復雜和繁瑣。本文通過上述研究，得出以下建議：

（1）在帶負摩阻力樁基豎向承載力估算過程中，用樁身側阻力Qsk與樁端端承力Qpk的大小作為判斷樁基為摩擦樁或端承樁的依據，提供兩種算法確定中性點位置，計取進行負摩阻力計算并判斷是否考慮下拉荷載。

（2）在考慮負摩阻力的樁基設計文件中，應明確提出負摩阻力產生條件以及相應量值大小，并嚴格區分作為樁基檢測和基礎設計的豎向承載力標準。在樁基檢測時，以不考慮負摩阻力的承載力作為樁基的豎向承載力檢驗標準；而在設計過程中，以考慮負摩阻力的承載力作為樁基豎向承載力標準。

總之，在有可能產生樁側負摩阻力的樁基礎項目中，應對不同原因、不同條件下產生的負摩阻力進行分析，對不同項目采取有針對性的措施，并對采取不同措施時減小負摩阻力效果大小正確評價，設計階段、施工階段、檢測階段緊密配合，才能保證樁基礎全過程安全可靠，經濟合理。