桩基负摩擦力的分析及相应处理措施

桩基负摩擦力的分析及相应处理措施
摘要：桩基负摩擦力的发生将使桩侧土的部分重力传递给桩，因此，负摩擦力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载。

容许承载力和设计桩基础时应该重视桩的负摩擦力的问题。

本文通过对桩基负摩擦力的产生条件及其特性进行分析研究，给出典型的计算方法，并根据实际情况提出相应的处理方法和防范措施。

关键词：负摩擦力中性点有效应力法
1 引言
在正常情况下，桩穿过软弱土层支撑在坚硬土层上的桩，一般说来桩受荷载作用后，地基土对桩的侧阻力是向上作用的。

但当软弱土层由于某种原因而发生地面沉降时，桩周土体对桩身产生相对的向下位移，这就使桩身承受向下作用的摩擦力，软弱土层通过作用在桩上的向下作用的摩擦力而悬挂在桩身上。

这部分摩擦力不但不是桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外加荷载。

这种由于地面沉降引起的在桩上向下的摩擦力，称为负表面摩擦力。

在桩的下沉比地基下沉量大的部分（桩的下部），桩身上仍为向上作用的正摩擦力，正、负摩擦力变换处的位置，称为中性点。

桩的负摩擦力问题，近年来在国内外普遍受到重视。

由于未注意到负摩擦力问题，也造成过一些工程事故。

因此在实际的工程设计时，应该充分考虑桩的负摩擦力的影响。

本文对桩的负摩擦力的产生条件及计算方法做了分析，并提出相应的处理方法和防范措施。

2 负摩擦力的产生
（a）（b）（c）（d）
图1 单桩产生负摩擦力时的荷载传递
（a）单桩；（b）位移曲线；1-土层竖向位移曲线；2-桩的截面位移曲线；
（c）桩侧摩擦力分布曲线；（d）桩身轴力分布曲线
桩侧负摩擦力的产生主要是由于桩土之间相对位移的方向，在土层相对于桩侧向下位移时，产生于桩侧的向下的摩擦力。

产生负摩擦力的情况有多种情况：
（1）在未固结的软土或新填土上，由于土层的自重固结而产生。

（2）由于大面积地面荷载所造成。

（3）场地地下水大量抽降，造成上部软弱土层下沉。

（4）湿陷性黄土及其他湿陷性土层湿陷引起。

桩的负摩擦力问题，实际上和正摩擦力一样，如果得知土与桩之间的相对位移以及负摩擦力与相对位移之间的关系，就可以了解桩侧负摩擦力的分布和桩身轴力和位移了。

图1（a）表示一根承受竖向荷载的桩，桩身穿过正在固结中的土层而达到坚实土层。

在图1（b）中，曲线1表示土层不同深度的位移；曲线2为该桩的截面位移曲线。

曲线1和曲线2之间的位移差（图中画上横线部分）为桩土之间的相对位移。

交点（O1点）为桩土之间不产生相对位移的截面位置，为中性点。

在O1点之上，土层产生相对于桩身的向下位移，出现负摩擦力fnz。

在O1点之下的土层相对向下位移，因而在桩侧产生正摩擦力f。

图1（c）、（d）分别为桩摩擦力和桩身轴力曲线。

其中Nnf为负摩擦力的累计值，称为下拉力；Nf为中性点以下正摩擦力的累计值。

从图中易知，在中性点处桩身轴力达到最大值（N+Nnf），而桩端总阻力则等于（N+Nnf-Nf）。

由于桩周土层的固结是随着时间而发展的，所以土层竖向位移和桩身截面位移都是时间的函数。

在一定的桩顶荷载Q作用下，这两种位移都是随时间而变，因此中性点的位置、摩擦力以及轴力都相应发生变化。

如果在桩顶荷载作用下的截面位移已经稳定，以后才发生桩周土层的固结，那么土层固结的程度和速率是影响摩擦力的大小和分布的主要因素。

固结程度高，地面沉降大，则中性点往下移；固结速率大，则负摩擦力增长快。

不过负摩擦力的增长要经过一定时间才能达到极限值。

在这个过程中，桩身在负摩擦力作用下产生压缩。

随着负摩擦力的产生和增大，桩端处的轴力增加，桩端沉降也增大了。

这就必然带来桩土相对位移的减小和负摩擦力的降低，而逐渐达到稳定状态。

3 负摩擦力的计算
桩的负摩擦力强度与基桩沉降及桩侧土压缩沉降、沉降速率、稳定历时等因素有关，且它随时间的变化和分布也较复杂。

为确定桩负摩擦力强度大小，就必须研究产生负摩擦力时桩与土共同工作特点、土沿桩身的抗剪强度特征及桩侧的应力状态。

为简便起见，计算负摩擦力时假定：桩周负摩擦力是均匀分布的，对于分层地基，也假定在同一土层内的负摩擦力是均匀分布的。

同时也假定：对于同一土类，作用于桩周单位面积的负摩擦力和正摩擦力在数值上大致相等。

对负摩擦力的计算有以下列两种方法：
(1)有效应力法。

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-94），推荐此方法，计算公式如下：
qnsi=ζnσi′ (1)
当降低地下水位时：σi′=ri′·zi
当地面有满布荷载时：σi′=p+ri′·zi
式中qnsi－第i层土桩侧负摩擦力标准值；
ζn－桩周土负摩擦力系数，可按表1取值；
σi′－桩周第i层土平均竖向有效应力；
ri′－第i层土层底以上桩周土按厚度计算的加权平均有效重度；
负摩擦力系数ζn 表1
zi－自地面起算的第i层中点深度；
p－地面均布荷载。

（2）按室内外测定的土的力学参数确定单位负摩擦力：
对于砂类土：qnsi=Ni/5+3 (2)
式中N i－桩周第i层土经钻杆长度修正的平均标准贯入试验击数。

在计算中最主要的是中性点的确定，中性点深度Ln应按照桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定，也可以参照《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-94）中对中性点的确定方法（如下表2）
中性点深度Ln 表2
4 减少负摩阻力的措施
4．1 预制混凝土桩和钢桩
对于预制混凝土桩和钢桩，一般采用涂层的办法以减少负摩擦力，即对中性点以上的桩身部分涂以软沥青涂层，这种办法可以大大降低负摩擦力值(降低负摩擦力值70％-80％)。

为了防止桩身侧面所涂的沥青在沉桩时被破坏，往往将桩
底做得比桩身稍大一些。

当桩沉入土中时，在桩身所涂沥青的外侧压注膨润土泥浆，既可有利于桩的顺利打入，又可保护桩壁沥青，还可有利于在桩沉入土中后，减少桩侧负摩擦力。

涂层所用沥青要求软化点较低，一般为50℃~65℃，在25℃时的针入度为40~7mm。

施工时，将沥青加热至l50℃~l80℃喷射或浇淋在桩表面上，喷浇厚度为6~10mm。

在涂层之前，应将桩表面清洗干净，喷浇时还应注意不要将涂层扩展到需利用桩侧正摩擦力的桩身部分。

4．2 灌注桩
穿过欠固结等土层而支承于坚硬持力层上的灌注桩，可采用以下两种措施：
(1)在沉降土层范围内插入比钻孔直径小5~10cm的预制混凝土桩段，预制桩段外围充填以稠度较高的膨润土泥浆以形成隔离层。

在泥浆护壁成孔的情况下，可在浇注完下段混凝土后，填入高稠度膨润土泥浆，然后插入预制混凝土桩段。

(2)在干作业成桩条件下，可采用双层筒形塑料薄膜预先置于钻孔沉降土层范围内。

然后在其中浇注混凝土，使塑料薄膜在桩身与孔壁之间形成可自由滑动的隔离层。

4．3 采用地基处理的方法加固桩周围的土体的措施
采用预压、强夯或者强夯置换法、砂石桩法、水泥粉煤灰碎石桩法和水泥搅拌桩法等，对地基基础进行处理。

通过以上几种方法来提高地基的承载力减小桩周围地基土的变形，但是桩的位移基本没有变化，致使桩四周土体的位移与桩的位移相等的位置提高（也就是将中性点位置提高）以达到减小负摩擦力影响的目的。

4．4 其它的处理措施
在需考虑桩体负摩擦时，采取较小的桩径满足桩身强度，扩大桩底直径满足桩的承载力，是有效减小负摩擦力影响的方法。

桩径相对较小产生的负摩擦力相对较小，正负摩擦力基本可以抵消，仅依靠扩大头的端承载力来抵抗建筑物的荷载。

5 结语
负摩擦力产生的后果主要反映在桩基下沉量的增加或发生基础不均匀沉降而影响结构物的使用。

文中通过对负摩阻力形成过程、机理及计算方法进行了深入分析，说明了基桩的负摩擦力是个复杂的问题，到目前为止，还没有完善和准确的理论方法和经验方法进行计算。

负摩擦力会对建筑物产生许多较隐蔽的危
害，作为设计、施工、勘察等相关人员应根据不同的地质条件采用既经济又合理的措施，以减少桩侧负摩阻力的不利影响。

参考文献：
【1】顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，汪时敏等；《地基与基础》。

中国建设工业出版社第三版，2003年4月。

【2】邱青云，张小敏；《对桩的负摩阻力的研究》。

石家庄铁路工程职业技术学院学报第2卷第4期，2003年12月。