关于桩基负摩阻力的探讨_赵敏燕

[收稿日期]2010-02-25

[作者简介]赵敏燕，南京工业大学，硕士研究生，研究方向为岩土力学。

由于桩基础具有承载力高、稳定性高、便于机械施工等优点，桩基础在土木工程中的应用越来越广泛。当桩侧土体因某种原因而下沉，且其沉降量大于桩的沉降量时，桩侧土体将对桩产生与位移方向一致的摩阻力，称为负摩阻力[1]。

Fellenius(1984)在桩基负摩阻力和沉降分析报告中指出，产

生负摩阻力所需的桩土相对位移是非常小的。由于负摩阻力的存在，若在桩基的设计时不考虑负摩阻力，将会造成桩的附加沉降。

1桩基负摩阻力的形成机理

《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)[2]第3.4.1.2条中规

定，“桩周围软土因自重固结、场地填土、地面大面积堆载、降低地下水位、大面积沉桩等原因而产生的沉降大于基桩的沉降时，应视具体工程情况分析计算桩侧负摩阻力对基桩的影响”。同时，当软土地区由于密集桩群施工造成土的隆起和随后的再固结，也会产生桩基负摩阻力[3]。

桩基负摩阻力的分布范围由桩与桩周土的相对位移确定。在桩的某一断面上，桩与土相对位移为零，该断面称为中性点。中性点是作用于桩身所有向下的力和所有向上的力的平衡点。向下的力包括桩顶荷载和负摩阻力产生的下拽荷载，向上的力包括正摩阻力和桩端反力，如图1所示。

中性点M 是摩阻力、桩－土相对位移和轴向压力沿桩身变化的特征点，中性点是桩－土相对位移为0的点（Sp=

Sa ），如图1-b 所示。中性点以上土的下沉量大于桩的沉降

量，桩周土对桩的作用力为向下的负值，即负摩阻力，而中性点以下为正摩阻力，如图1-c 所示。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，如图1-d 所示。

目前，中性点位置的确定一般都是由室内或现场试验所确定的。国外一些研究人员通过负摩阻力试验认为中性

关于桩基负摩阻力的探讨

赵敏燕，周峰，王嘉

（南京工业大学，江苏南京210009）

[摘要]

介绍了桩基负摩阻力的形成机理、影响因素及国内外的研究现状，采用有限元软件ABAQUS 对算例进行计算分

析，分析了不同的固结时间对负摩阻力的影响。结果表明，在堆载条件下桩基负摩阻力随着固结时间的增长而不断增长，中性点也随之不断下降。

[关键词]

桩基负摩阻力；中性点；ABAQUS 软件

[中图分类号]TU473.12[文献标识码]A [文章编号]1005-6270（2010）05-0091-03

Study on Negative Skin Friction of Pile Foundation

ZHAO Min-yan ZHOU Feng WANG Jia

(Nanjing University of Technology ，Nanjing Jiangsu 210009China)

Abstract:This article introduced the formation mechanism,influence factors and the present research status at home and abroad of negative skin friction of pile foundation.The calculation and analysis on examples based on finite element software Abaqus to analyze the effect of different consolidation time on negative skin friction of pile foundation.The results show that negative skin friction of pile foundation increases by the consolidation time under heaped load,and the neutral point decreased thereupon.

Key words:negative skin friction of pile foundation;the neutral point;Abaqus software

图1桩基负摩阻力分析原理图

注：（a ）桩及桩周土受力、沉降示意图；（b ）各断面深度的桩、土沉降及相对位移；

S p —桩身各断面的沉降；S a —各深度桩侧土的沉降；

（c ）摩阻力分布及中性点；（d ）桩身轴力

Q n －负摩阻力产生的轴力，即下拉力；Q b －端阻力

点位置开始是变化的，但最后稳定在某一点处，一般为桩长的0.73～0.78倍，且认为正负摩阻力关于中性点位置对称是偏于安全的[4]。

2桩基负摩阻力的研究现状

2.1负摩阻力的影响因素

桩侧负摩阻力的大小受各因素的影响，主要包括：(1)桩侧土和桩端土的有效应力、强度、变形性质、应力历史及其它们的变化；(2)排水条件、堆载、降水、浸水等外界条件和桩设置的先后及桩顶荷载施加的时间等时间因素；(3)桩的类型、尺寸、刚度和设置方法。

由于负摩阻力受到众多因素的影响，因此负摩阻力的分析计算非常复杂。在分析和计算中，一般是考虑其中某几个关键因素的变化，以此来进行简化计算。

2.2负摩阻力的计算方法

目前对于负摩阻力及下拉荷载的大小的计算方法，主要由有效应力法、土工参数法、数值分析法等。

(1)有效应力法

有效应力法的基本假定是桩和桩周土之间的相对位移足够大能使负摩阻力得到充分的发挥。挪威Jahannessen和Bjerrum(1965)提出了负摩阻力与土的有效应力的关系。《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)中推荐使用有效应力法确定桩基负摩阻力。具体公式为：

f n=kσ′z tanφ′=βσ′z(1)式中，f n为桩的负摩阻力(kPa)；σ′z为桩侧土深度处的竖向有效应力(kPa)，σ′z=p0+γ′z z-μz；k为侧压力系数；φ′为土的有效负摩擦角。

令β=k tanφ′，β为负摩阻力系数，与土的性质、桩型、成桩工艺等有关。日本远腾(1969)建议取值为：对开口端承桩取β=0.20；对闭口端承桩取β=0.35；对摩擦桩取β=0.3，即β的变化范围处于0.20~0.35之间。而J.B.Burland以及W. Starke建议，对于粘性土来说，β的变化范围处于0.15~0.35之间[5]。《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)中给出的β值见表1。

有效应力法假定了桩侧负摩阻力完全发挥，不考虑桩顶荷载施加时间与负摩阻力随时间发展的关系，即有效应力法计算得到的是桩侧负摩阻力的极限值，为保守计算。

(2)土工参数法

桩侧单位负摩阻力也可按室内、外测定的土的力学参数来确定[6]。

对于粘性土：

f n=

1

q u或f n=c u(2)式中，q u为土的无侧限抗压强度；c u为土的不排水抗剪强度，可用十字板现场测定。

对于固结土层土中的砂夹层或上复砂层[7]：

f n=

N

+3(3)式中，N为标准贯入击数。

(3)数值分析方法

在国外，Wong&Teh(1995)在桩土界面出引入双曲线弹簧来表征桩土之间的相互作用，建立了成层地基土体单桩负摩阻力数值计算模型[8]；Chow et al(1996)建立了群桩负摩阻力简化的数值计算模型[9]；Jeong et al(1997)采用三维有限元法计算群桩负摩阻力[10]，其中土体采用扩展的Druck-er2Prager屈服准则，并采用非关联流动法则，后来Jeong et al(2004)又采用大型有限元软件ABAQUS对桩土界面滑移对负摩阻力的影响进行了重点分析[11]。

国内研究中，周国林(1991)利用传递函数法提出了计算单桩负摩阻力的力学模型[12]，未考虑单元之间土体位移存在的相互影响。

赵锡宏(1999)利用半理论—半经验的桩基沉降计算公式，通过简单迭代计算对承受负摩阻力的桩基的中性点、桩基沉降等进行了分析[13]，由于其仅采用分层总和法来计算桩周土体沉降，得出的为最大中性点深度，未考虑负摩阻力随时间发展变化的动态过程。

王建华等(2000)提出应用Biot固结理论和Fredholm积分方程方法研究桩的负摩阻力问题[14]。应用积分变换、Laplace变换、数值逆变换等，求得了单桩在表面圆形荷载作用下的桩的变形、轴力以及桩侧摩阻力随时间的变化情况。

彭劼、施建勇等(2003)采用空间轴对称固结有限元结合修正剑桥模型[15]，设置了古德曼的接触面单元对单桩的负摩阻力进行了研究，计算结果与实测结果较吻合。

赵明华等(2004)提出了基于佐藤悟双折线模型的改进模型[16]，以荷载传递法建立出桩基负摩阻力的基本微分方程，导出了考虑土体分层性质的桩侧正、负摩阻力的分段解析解。

肖俊华等(2006)采用有效应力迭代算法来计算桩基负摩阻力[17]。该算法是一种半经验的方法，不能确切描述负摩阻力随时间、深度、相对位移速率变化而产生的变化。

赵明华、刘思思(2008)从能量平衡和静力平衡角度对桩身单元的应力与应变情况进行分析[18]，计算多层地基土中单桩的桩侧摩阻力。但实际上桩周土并不仅仅与桩身发生能力传递，桩身变形能的产生也不完全是由桩侧土的竖向摩阻力引起的，其计算结果与实际情况有一定差距。

2.3负摩阻力的时间效应

桩基负摩阻力的产生和发展这一时间过程的长短首先

表1负摩阻力系数β

土类β

饱和软土

粘性土、粉土

砂土

自重湿陷性黄土0.15~0.25 0.25~0.40 0.35~0.50 0.20~0.35