桩侧负摩阻力

桩侧负摩阻力

摘要：基桩负摩阻力是桩基础设计中必须考虑的重要问题之一。本文介绍了有关负摩阻力的一些基本概念、其影响因素、计算等。简要介绍了桩基负摩阻力问题的研究现状, 分析了当前负摩阻力研究中存在的问题, 对今后桩基负摩阻力的研究方向提出建议。

关键词：桩基负摩阻力时间效应防治研究问题

引言

自20世纪20年代以来，国外对桩基负摩阻力开展了大量的研究工作，国内对负摩阻力的研究起步稍晚。但至今国际上对负摩阻力的研究尚不深入，许多问题尚待解决。

理论研究方面：比较经典的是有效应力计算负摩阻力方法，但计算结果往往偏大。1969 年Polous 提出了基于Mindlin解的镜像法计算桩的负摩阻力大小，但该方法仅用于端承桩。1972 年在上述基础上并根据太沙基一维固结理论，导出了单桩负摩阻力随时间变化的关系。影响负摩阻力的因素很多，精确确定负摩阻力难度很大，因此很多学者从有效应力法出发，提出经验公式。目前多根据有关资料按经验公式进行估算。

原位测试方面：李光煜利用滑动测微计成功地量测了一根钢管桩的负摩阻力，并用有效应力法进行了一些探讨。陈福全、龚晓南等通过现场试验，给出了中性点的深度。随着计算机的发展，利用有限元计算桩基负摩阻力已经逐渐运用

到工程设计中。但是有限元的计算需要确定大量的参数，且参数不容易确定，同时需要占用较大的计算空间，因此在工程中很难得到广泛应用。

1. 负摩阻力及其成因

桩基础中，如果土给桩体提供向上的摩擦力就称为正摩阻力，有利于桩承载；反之，则为负摩阻力，不利于桩承载。桩侧负摩阻力产生的根本原因是，桩周土的沉降大于桩体的沉降。桩土的相对位移(或者相对位移趋势)是形成摩擦力的原因，地基土沉降过大，桩和土相对位移过大地基土将对桩产生向下的摩擦力拉力，使原来稳定的地基变得不稳定，实际荷载可能超过原来建议的地基承载力。

一般可能由以下原因或组合造成：

a. 固结的新近回填土地基；

b. 地面超载；

c. 打桩后孔隙水压力消散引起的固结沉降；

d. 地下水位降低，有效应力增加引起土层下沉；

e. 非饱和填土因浸水而湿陷；可压缩性土经受持续荷载，引起地基土沉降；

桩周负摩阻力非但不能为承担上部荷载作出贡献，反而要产生作用于桩侧的下拉力，而造成桩端地基的屈服或破坏、桩身破坏、结构物不均匀沉降等影响。因此，考虑桩侧负摩阻力对桩基础的作用是桩基础设计必不可少的问题之一。

2、负摩阻力的时间效应及其大小的影响因素

负摩阻力的发生和发展需要经历一个很缓慢的时间过程，即具有时间效应。大量工程实测结果表明，负摩阻力引起的基桩沉降在工后很长时间以内仍然持续发展，这将不利于建筑物的正常使用。

实际上，桩侧摩阻力随时间增长的过程总是伴随着超孔隙水压力消散的过程。出孔隙水压力最初阶段消散迅速，以后消散速度逐渐减慢，并持续较长时间。孔隙水压力消散过程比较复杂，孔隙水水压力的消散速度不仅与土的渗透系数和土的均匀程度有关，还和打桩区的边界条件有关。超孔隙水压力消散的过程是桩侧摩阻力随时间增长的过程，越来越多的实测资料表明这一过程是真实存在的，且具有一定的规律。

桩周土的特性当然是首当其冲的，其次桩端土特性也不可忽视( 因为其之间影响着中性点的位置问题)，桩体的形状、桩土模量比等都有影响。

3、桩侧负摩阻力的确定

当考虑桩侧负摩阻力影响时，桩基计算的首要问题是桩侧负摩阻力的确定及中性点位置的确定，然后对桩基承载力进行验算。

中性点——桩侧负摩阻力并不一定发生于整个软弱压缩土层中。桩周土的压缩与地表作用荷载及土的压缩性质有关，并随深度逐渐减小；而桩在外荷载作用下，桩底的下沉量为一定值，桩身压缩变形随深度相应减小。在特定的桩断面上，该深度以上土的下沉量大于桩的下沉量，则该断面以上的桩受负摩阻力；该深度以下土的下沉量小于桩的下沉量，则该断面以下的桩受正摩阻力；该点就是桩土位移相等、摩阻力为0的临界点，

则该断面的轴向力最大，称为中性点。中性点是摩阻力、桩、土相对位移和轴向压力沿桩身变化的特征点。中性点以上桩的位移小于桩侧土的位移，中性点以下桩的位移大于桩侧土的位移。因此，中性点是桩、土、位移相等的断面，中性点以上轴向压力随深度递增，中性点以下轴向压力随深度递减。负摩阻力计算一般仅考虑中性点以上部分。

3.1 单桩负摩阻力计算

负摩阻力的大小一般与桩周土层的性质，桩土之间的相对沉降，沉降的持续时间等有关，在计算过程中要考虑各种因素是不可能的，一般只简化地计算出负摩阻力的最大值。实际应用中，要根据具体情况进行分析和处理。根据现行桩基规范及有关规范、规程、资料，桩侧负摩力的计算方法有以下几种。

（1）有效应力法

单桩负摩阻力标准值按下式计算

当降低地下水位时：

当地面有均平荷载时：

表1 负摩阻力系数表

（2）标准贯入试验法

对于砂类土：

'/51n si q N =+

对于粘性土：

'/21n si q N =+

式中： N ’ ——桩周第i 层土经钻杆长度修正的平均标准贯入试验击数。

（3）无侧限抗压强度，不排水抗剪强度试验法

此法一般局限于粘性土

式中： q ui ——桩周第i 层土的无侧限抗压强度室内试验值；

C ui ——桩周第i 层土的不排水抗剪强度。

（4）经验值法

由于桩的负摩阻力的影响因素较大，确定较为复杂，同一场地条件，不同的方法得出的数值往往相差较大，实际工作中，可采用经验值法，见表2。

表2 负摩阻力标准值

3.2 群桩负摩阻力计算

和承受正摩擦力的群桩一样，承受负摩擦力的群桩也具有特殊的群桩效应。群桩中

平均每根桩负摩阻力比单根桩小，群桩中作用于边桩和角桩的负摩阻力大于中心桩上的负摩阻力，这就是负摩阻力的群桩效应。由于群桩—土体—承台的复杂的共同作用，使得中间桩桩土相对位移减少，从而使内部桩段上的负摩阻力大大减弱甚至消除，导致桩体的中性点上移，降低了群桩的总体负摩阻力。

以往的研究主要是借鉴承受正摩阻力群桩的做法而引入一个负摩阻力群桩效应系数η，而截至目前，国内外对承受正摩阻力的群桩效应问题还没有完全解决，再加上近年来大直径超长桩及超大规模群桩基础的出现，对承受正、负摩阻力的群桩的研究均提出了新的更高的要求和挑战。借鉴群桩效应系数的优点，通过对比室内单、群桩模型负摩阻力试验结果，通过数值计算方法进行复杂群桩的负摩阻力分布的研究。

4、负摩阻力对桩基的影响及防治措施

负摩阻力对于桩基性能的不利影响可以概括为三个方面：

a. 负摩阻力的存在造成桩侧正摩阻力减小，负摩阻力更是对桩身施加的附加荷载，从而引起桩基实际荷载的增加和有效承载力的降低；

b. 负摩阻力的出现大大地减少了桩侧土体提供的荷载抗力，使桩的承载力依靠中性点以下桩侧和桩端土体来提供，使得桩端土体沉降的增加而造成桩基沉降的增加；

c. 负摩阻力形成了对桩基的附加荷载，造成桩身轴力的增大并使得桩身最大轴力不出现在桩顶，而是出现在中性点处，从而降低了桩身强度安全度。对于摩擦桩，应着重考虑对基础沉降敏感的上部结构的不利影响；对端承桩，由于中性点在桩端底部，应着重考虑负摩阻力对桩身强度的不利影响。

可见，在工程中因为负摩阻力的存在一般都是有害的, 因此在工程实践中大家都希望能尽量降低负摩阻力。根据理论研究和实际应用, 减少桩基负摩阻力的措施可归纳为以下几种:

a. 涂层法。若是预制打入桩, 打桩前在中性点以上桩身涂1 mm 厚的沥青等能降低摩阻力的涂料或采用薄膜隔离层工艺, 降低桩表面的负摩阻力; 目前这种方法应用比较普遍，效果也不错；

b. 桩套管保护法。在中性点以上桩段的外面, 套上一段直径大于桩径的套管, 隔离负摩阻力, 此法需很多钢材, 会较大增加工程投资;这种方法会使施工难度加大；

c. 采用预钻孔法, 此方法是打入桩之前先钻孔, 其直径比桩径略大, 深度达到中性