浅谈桩基负摩阻力

浅谈桩基负摩阻力
摘要：桩基工程中桩侧负摩阻力所产生的下拽力可能引起桩体破坏、桩基不均匀沉降等诸多工程灾害，严重影响着建筑物的安全，而桩的负摩阻力的大小受多种因素的影响，目前其准确数值很难计算。

本文简要介绍和阐述了桩侧负摩阻力产生的条件和机理，目前桩侧负摩阻力的计算方法，中性点的确定，防治和减少桩侧负摩阻力的方法。

关键词：负摩阻力中性点成因影响因素防治措施
引言：在地基处理工程中,因负摩阻力问题,造成工程事故屡有发生(建筑物出现沉降、倾斜、开裂)，负摩阻力问题在我国工程实践中已成为一个很普遍的问题。

下面对负摩阻力的问题进行分析、阐述。

1负摩阻力的成因
桩基工程中, 当桩体与桩周土产生相对位移时,桩侧就会产生摩阻力。

当桩体的沉降量大于桩周土的沉降量时, 摩阻力为正；当桩周土的沉降量大于桩体的沉降量时，摩阻力为负。

单桩负摩阻力作用机理如图1 所示[。

桩侧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拽力，称为分布于桩侧表面的荷载。

下拽力作用于桩体上, 可能会造成桩身破坏、桩端地基屈服或破坏, 以及上部结构不均匀沉降等问题。

图1单桩负摩阻力作用机理示意
单桩负摩阻力一般可能由以下原因或组合造成：
①未固结的新近回填土地基：桩基穿过欠固结土层后支撑在硬土层中，使得桩侧土因固结发生的沉降超过桩的沉降；
②地面超载：桩侧地面受到较大的地面荷载产生的沉降超过桩的沉降；
③孔隙水压力消散引起的固结沉降：群桩施工中敏感度较高的黏土受扰动，超孔隙水压力使得土体上涌，重塑后因超孔隙水压力消散而重新固结；
④地下水位降低；桩侧土层地下水位大幅下降，导致有效应力增加引起土层下沉；
⑤湿陷性地基：桩基穿过湿陷性土，湿陷性土因浸水湿陷导致土层发生沉降；
⑥地震液化：桩基穿过液化土层，地震液化引起桩侧土沉降；
⑦以压桩法沉桩后，桩身上部压力消失后发生回弹，产生负摩阻力。

影响负摩阻力大小的主要因素主要有：桩周土的特性、桩端土特性(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。

2单桩负摩阻力计算方法
目前国内外计算单桩负摩阻力的常用方法有极限分析法、荷载传递法、弹性或弹塑性理论法、剪切位移法、数值分析法等。

2.1极限分析法
Johanessen 和B jerrum 提出了利用有效应力法计算负摩阻力的方法；李光熠等利用滑移位移计对钢管桩负摩阻力进行了量测, 并用有效应力法进行了一些分析；张厚先从理论和实用角度出发, 对有效应力法和基于有效应力法的派生方法进行了改进和完善；陆明生基于对单桩的表面负摩阻力的模型试验研究及有限元分析, 在Kerisel 总应力法基础上提出了估算单桩下拉荷载的经验公式。

我国《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）采用的就是利用有效应力法计算单桩负摩阻力的方法。

规范规定:桩周土沉降可能引起桩侧负摩阻力时, 应根据工程具体情况考虑负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响；并给出了当缺乏可参照的工程经验时, 单桩负摩阻力标准值的验算公式。

2.2荷载传递法
A lonsoetal 采用一系列简化的荷载传递函数来求解单桩或群桩的负摩阻力；周国林基于桩的荷载传递函数概念, 建立了单桩负摩阻力传递机理的力学模型；赵明华等[ 7 ]对佐藤悟双折线模型进行改进, 以荷载传递法建立了桩基负摩阻力计算公式,并考虑了桩—土相互作用、土体的分层特性以及土体沉降的时间效应。

赵明华等建立了桩侧阻力的荷载传递模型。

2.3弹性或弹塑性理论法
弹性或弹塑性理论法假定土体为弹性或弹塑性连续体, 以Mindlin 解或以有限元格式为基础求解。

Poulos 和Mat tes 应用Mindlin 解获得了计算单桩负摩阻力的理论解；Poulos 和Davis[结合Terzagh i 一维固结理论考虑了桩侧负摩阻力与时间的关系, 并将计算结果同实测结果进行了对比；Sm all 应用B io t 固结理论对土体沉降模型进行改进, 以求解与时间相关的单桩负摩阻力的理论解；高绍武等[ 9 ] 提出了利用B io t 固结理论和F redho lm 积分方程并借助Laplace变换求解来计算成层土中单桩负摩阻力的方法。

这些均属于弹性或弹塑性理论法。

2.4剪切位移法
袁灯平等[利用Terzaghi 一维固结理论和Cookeetal 的剪切位移法, 并考虑了桩土相互作用, 得出地层沉降公式。

地层在沉降过程中, 因桩土界面阻力作用使桩侧土体产生剪切变形,
一般受荷桩周土体的剪切变形可理想地视为一同心圆柱体, 建立其竖向平衡微分方程，随着地层固结沉降的增加, 桩侧土的剪切变形也变大, 界面处土体的应力应变表现为明显的非线性, 采用双曲线模型作为土的本构模型。

桩端处荷载位移采用双曲线传递函数, 根据桩身周围土位移和桩端土位移变形相容, 可得桩侧摩阻力分布及桩轴力分布情况。

2.5数值分析法
Wong 和Teh 在桩土界面处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；Chowetal 建立了群桩负摩阻力的简化数值计算模型；屠毓敏利用Terzaghi 一维固结理论和土层分层总和法, 求得堆载作用下土层沉降随深度和时间变化规律, 用有限差分法研究了非均质地基土中的情况；Jeongetal 采用三维有限元法计算群桩负摩阻力, 并对桩土界面滑移对负摩阻力的影响进行了重点分析。

3中性点的确定
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。

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：
①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；
②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；
③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：
①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；
②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；
③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, 深度达到中性点, 而在中性点以下用打入或其它常规方法施工以保证桩的正摩阻力, 中性点以上则用膨润土泥浆填充, 从而消减负摩阻力；
④软基加固法。

为了消减桩基负摩阻力, 在基桩施工之前, 先对软土地基地段进行加固处理, 如进行预压、强夯、挤密, 甚至复合地基加固, 使之有效地加速地基固结, 降低浅层地基土的可压缩性, 从而达到消减负摩阻力的效果；
⑤分时段施工法。

该法可以缓解负摩阻力的作用；
⑥支承桩柱法。

尽量减少穿过产生负摩阻力区域的桩侧面积, 在可能的情况下采用细长桩, 而在桩端采用扩大桩头来提高端承能力, 这只适合于端承桩。

诚然, 在实际工程中, 应根据不同的工程情况, 选用相应的措施消减负摩阻力。

结论：
综上所述,地基问题是很复杂的,而理论研究往往又与工程实践相距甚远。

所以要依据理论,但不要完全依赖于理论,对具体工程作具体分析。

例如上面提到的负摩阻力的产生及计算方法,从理论上来说是对的,但要在工程实践中具体介定却很困难,估算可以作为参考,但不能作为定论。

又如采用隔离的方法,故然可以避开负摩阻力,但有用的正摩阻力也被“避开”了。

如果采用套筒,桩周又失去了侧限,反而不利。

生产实践中会遇到很多预料不到的问题,并不是想象的那么容易。

负摩阻力桩的桩土相互作用十分复杂。

尽管国内外对这个问题的研究持续了几十年,但许多问题还有待进一步的研究。

参考文献:
[1]《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）
[2]孔纲强, 杨庆, 郑鹏一, 栾茂田单桩负摩阻力计算方法比较分析防灾减灾工程学报
第28 卷第1 期。