浅谈桩的负摩阻力及实际工程中的处理

浅谈桩的负摩阻力及实际工程中的处理

[摘要]：负摩阻力是桩基础设计时常见的问题，本文从负摩阻力的产生机理出发，探讨了负摩阻力的计算方法，给出了减小负摩阻力的措施；并结合实际工程分析了桩与承台共同作用机理在负摩阻力桩基础工程中的适用范围。

[关键字]：负摩阻力桩与承台共同作用

1 前言

桩基础是目前采用广泛的一种软弱地基处理方式，其承载力由桩侧土的摩擦力和桩端反力共同构成。但是在有些地质条件下，由于某些原因，当桩周土体的沉降量大于桩本身的沉降时，桩侧表面的一部分面积上将产生负摩阻力。负摩阻力对桩产生下拉作用，致使桩基的荷载增加，变相的降低了桩的承载力，使其沉降加大，严重时会导致建筑物的损害或破坏，由于设计人员忽略了负摩阻力的影响从而引起的工程事故不在少数。本文对桩的负摩阻力的产生条件及其特性进行分析，探讨了桩负摩阻力的计算方法。

正常情况下，计算桩基础的承载力时，假定上部荷载通过承台传递给桩，然后再传给地基，并不考虑承台底部土的承载作用。但是，在某些地基土层中，往往在1m左右的根植土下有2-5m的粉质粘土硬壳层，再往下则是10几米甚至20几米的淤泥层。在这些场地的工程中，一般是采用桩基础进行地基处理，但是由于负摩阻力的存在，正常桩长的单桩承载力往往比较小，布桩很密而且造价比较高；如采用表层换土后作浅层基础，由于硬壳层厚薄不均，填土厚度及质量均难以控制，容易使基础沉降过大或沉降不均匀，影响正常使用。对于这类场地，由于采用的桩基一般是摩擦型桩，桩与桩间土的变形是相互影响的，桩间土具有一定的承载力，而承台承担的荷载将是可观的。因此本人认为，在这样的工程中，考虑桩与承台共同工作承担上部荷载是安全合理的，而且具有可观的经济效益。

2 负摩阻力产生机理、特性及其对桩基的影响分析

布置在土体里的桩，正常情况下由于上部荷载的作用，桩的沉降速率（或沉降量）大于桩周土的沉降速率（或沉降量），桩周土对桩的侧表面产生向上的摩擦阻力，称之为正摩阻力；反之，当由于以下几种情况：

1）桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层2）桩周存在软弱土层，临近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载3）由于降低地下水位，使桩周土中有效应力增大，并产生显著压缩沉降

4）冻土融化

使得桩周土的沉降速率（或沉降量）大于桩的沉降速率（或沉降量）时，桩周土将对桩产生向下的摩阻力，称之为负摩阻力。在桩身某一深度处，桩周土与桩的沉降一致，该处称为中性点。中性点是正、负摩阻力的分界点，且在该处桩身轴力最大。

负摩阻力的存在对桩基性能的不利影响可以概括为3个方面：负摩阻力的存在造成桩侧正摩阻力减小，从而引起桩基有效承载力的降低；负摩阻力的出现大大减少了桩周土提供的荷载抗力，使桩的承载力依靠中性点以下的桩周土和桩尖土来提供，使得桩端土体沉降增加从而引起桩基沉降增加；负摩阻力形成了对桩基的附加荷载，造成桩身轴力增加，降低了桩身强度的安全度。从桩基的工作状况来看，负摩阻力的影响对摩擦型桩和端承型桩有所区别

（一）摩擦型桩。在负摩阻力的作用下，摩擦桩会产生附加沉降，而桩的附加沉降使得桩土之间的相对位移关系发生变化并使桩的中性点上移。中性点上移导致使得桩身下部出现正摩阻力的桩身长度增加和正摩阻力总量增加，出现负摩阻力的桩身长度减少和负摩阻力总量减少。在桩和土的沉降都稳定的情况下，负摩阻力引起的桩基的下拉荷载、桩的中性点位置和摩阻力沿桩身的分布才能稳定下来。

负摩阻力对摩擦型桩承载力的影响不是直接的，当上部结构对于沉降或者不均匀沉降要求不太严格时，桩可以通过沉降的增加来减轻甚至消除负摩阻力的不利影响；而当上部结构对于沉降或者不均匀沉降要求比较严格时，负摩阻力带来的不利影响可能会造成建构筑使用上的问题。另外，由于软土的沉降需要很长时间才能稳定，桩土间的相互作用也就需要很长时间才能稳定。此外，自然条件的变化（如地下水位的变化等）也会对负摩阻力的发展产生影响。因此，对带负摩阻力的摩擦型桩而言，沉降是一个持续的过程，需要很长的时间才能稳定。

在摩擦桩中，负摩阻力对桩身轴力的不利影响表现为变动的、可调节的。带负摩阻力的摩擦型桩中，桩身最大轴力的增幅和位置随着中性点位置的变化而变化，随着中性点位置的稳定而趋于稳定。不过，桩身最大轴力的增幅的调节时被动的，它与桩周土的相对位移有关，而与桩身轴力本身无关。桩基规范（JGJ94-2008）中规定，对于摩擦型桩，不计中性点以上土层的下拉荷载，也不计这部分土层的正摩阻力。这一规定时建立在桩基产生附加沉降的基础上的。所以，对于沉降（不均匀沉降）敏感的上部结构，这样的规定是偏于不安全的。笔者认为，摩擦型桩中负摩阻力的影响应当根据上部结构对承载力和沉降的不同要求而作出相应的规定才是合理的。

（二）端承型桩。对于端承型桩，由于桩端持力土层压缩模量较大，桩的沉降很小，并且负摩阻力产生的附加荷载作用下出现的附加沉降也很小，桩土间的相对位移关系也基本上不会变化，在土体沉降趋于稳定的过程中桩土共同作用而造成的中性点位置的变动也就很小。因此，负摩阻力对于端承型桩的影响比摩擦型桩要直接的多。对于端承型桩中桩土共同作用不明显，这部分附加荷载也就很难减少或消除，附加荷载对桩身强度和承载力有明显的不利影响。

对于端承型桩，负摩阻力对桩身轴力的不利影响表现为稳定的、长期的。这样的特点使得附加荷载如同固定荷载一样长期作用在桩身上。附加荷载必须与上部荷载叠加作为桩身强度的设计荷载，才能保证桩身强度的安全度不至于降低，这是在带负摩阻力桩基的设计中应当重视的一个问题。

3 负摩阻力的计算

自20世纪以来，国内外对桩基的负摩阻力开展了大量的研究工作，取得了很多研究成果，但由于桩土体系是一种非常复杂的力学体系，其工程设计方法迄今仍然时半理论半经验的。目前设计上对摩阻力问题的考虑主要采取的措施为：把中性点以上或整个桩的正摩阻力略去不计、适当降低单桩承载力或者提高安全系数。但这些办法多是从理论计算或者是按照经验确定的，最可靠的方法还是现场测定桩基负摩阻力。但是，由于时间、资金等原因，不是每个工程在设计前都能够进场测定。国内外的学者结合施工进行经验研究，进一步完善理论计算，探求出了一些切合实际的计算方法。 目前，对负摩阻力计算主要有以下几种方法：

（一）有效应力法。有效应力法是计算负摩阻力最常用的方法，也是最接近实际情况的，其计算方法如下：

n 00f k tg tg δϕβϕ==

其中，β为土的负摩阻力系数，β=0.2~0.5α。系数β主要有土质条件确定，同时与桩型