淺談樁基負(fù)摩阻力的計算方法及中性點位置的選擇

顧云佳

(西華大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610039)

樁基礎(chǔ)的使用歷史悠久，在史前人們就開始使用木樁來支撐房屋，而隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，樁的材質(zhì)、分類、施工方法都有著日新月異的發(fā)展。如今，樁基礎(chǔ)已成為在土質(zhì)不良地區(qū)修建各類建筑所采用的最普遍的基礎(chǔ)形式之一，而且在高層、超高層建筑、橋梁、近海結(jié)構(gòu)等工程中使用更為廣泛。

如果使用樁作為支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式，那么負(fù)摩阻力將是設(shè)計工作者不可逃避的名詞。它廣泛存在于樁基工程中，在自重濕陷性土層、欠固結(jié)土層等不良土質(zhì)地區(qū)體現(xiàn)得尤為明顯，若處理不當(dāng)將導(dǎo)致嚴(yán)重的樁基功能失效。因此，深入探討樁基的負(fù)摩阻力分布規(guī)律及計算方法，對實際工程來說具有重要的意義。

1 負(fù)摩阻力產(chǎn)生的原因及影響

在樁頂豎向荷載作用下，樁和地基土之間產(chǎn)生相對位移時，樁的側(cè)面產(chǎn)生摩阻力，當(dāng)樁相對于側(cè)面土體向下位移時(既樁沉得比土快)，土對樁產(chǎn)生向上作用的摩阻力，稱為正摩阻力。反之，樁相對于側(cè)面土體向上位移時(土沉得比樁快)，土對樁產(chǎn)生向下的摩阻力，稱為負(fù)摩阻力。

當(dāng)樁穿越軟弱土層到達(dá)堅硬的持力層時，樁上部的土體因為欠固結(jié)或者浸水濕陷等種種原因沉降得比樁快，故產(chǎn)生負(fù)摩阻力。樁下部的土較為堅硬，他們往往沉降得比樁慢，所以產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)有益的正摩阻力。由正轉(zhuǎn)負(fù)的臨界點既稱為中性點，其示意圖見圖1。

圖1 軟土地基樁側(cè)表面負(fù)摩阻力作用特性示意

根據(jù)上述的負(fù)摩阻力產(chǎn)生的原因，我們得出負(fù)摩阻力對樁基性能的不利影響:

(1)樁基的承載能力由側(cè)摩阻力和樁端承載力組成，而負(fù)摩阻力的產(chǎn)生不但無法成為樁基承載力的一部分，反而會成為土體對樁身的附加荷載。

(2)由于負(fù)摩阻力成為了附加荷載，那么樁的承載力不得不只能依靠中性點以下的樁側(cè)土體和樁端來提供，使得樁的最大軸力點并不在樁頂而是在中性點處，從而造成樁端土體沉降的增加以及樁基沉降的增加，并且降低了樁身強(qiáng)度的安全可靠度。

2 負(fù)摩阻力的計算

負(fù)摩阻力的計算又分為單樁負(fù)摩阻力和群樁負(fù)摩阻力的計算兩種，在此我們只討論單樁的情況。首先確定中性點的位置;然后計算負(fù)摩阻力強(qiáng)度;最后是下拉荷載的計算。第一步中性點位置ln的確定會在下一個小節(jié)著重分析，在這節(jié)里暫時只討論負(fù)摩阻力強(qiáng)度以及下拉荷載的計算。

2.1 負(fù)摩阻力的強(qiáng)度fn 大致有5 種方法

(1)在軟土或者中等強(qiáng)度黏土地區(qū)，可以按太沙基的方法。

式中:qu為土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa;Cu為土的不排水抗剪強(qiáng)度。

(2)也可采用有效應(yīng)力法［1］。

式中:fni為第i 層土樁負(fù)摩阻力強(qiáng)度;σvi為第i 層土平均豎向有效覆蓋應(yīng)力;Ki為樁周第i 層土側(cè)壓力系數(shù)，可近似取靜止土壓力系數(shù);φi為第i 層土的有效內(nèi)摩擦角。

但是在地下水位降低或者地面荷載增加時，σvi會有所增加，其算法如下:

地下水位降低時:σvi=γmzi

地面有均布荷載增加時:σvi= p+γmzi

式中:γm為第i 層土以上，土樁周的加權(quán)平均重度，地下水以下取有效重度;zi為從地面算起的第i 層土中點深度;p為地面均布荷載。

(3)對于砂類土，可以按下列經(jīng)驗公式計算負(fù)摩阻力強(qiáng)度。

式中:N為N63.5平均貫入試驗錘擊數(shù)。

(4)采用數(shù)值分析法。

這種方法是通過計算機(jī)軟件(如ABAQUS)建立單樁負(fù)摩阻力計算模型［2］來模擬樁土界面的滑移對負(fù)摩阻力的影響并進(jìn)行分析。這方法的好處是能同時考慮樁基負(fù)摩阻力的各種因素，得出的結(jié)論較為精確。不過因為條件限制等原因，所以在某些普通的實際工程中使用起來并不方便。

(5)按經(jīng)驗估計。

在缺乏試驗資料的情況下，一些設(shè)計工作者可以根據(jù)工程經(jīng)驗直接對負(fù)摩阻力進(jìn)行取值。經(jīng)驗公式如下:

式中:h為產(chǎn)生負(fù)摩阻力的深度;H為可壓縮層的深度;K為經(jīng)驗系數(shù)，可取0.7 到1.0 之間。

不過這種方法得出的結(jié)果一般來說都偏大，較為保守。

2.2 下拉荷載Fn的計算

在得出中性點位置ln以及l(fā)n范圍內(nèi)各層土的負(fù)摩阻力強(qiáng)度fni，就可以將其累計起來，其最后值就是下拉荷載Fn.具體公式如下:

其中:up為樁截面周長;n為中性點以上的土層數(shù);lni為中性點以上第i 層土的厚度。

3 中性點的選擇方案

中性點位置的確定實際是比較復(fù)雜的一個問題，它取決于樁與樁側(cè)土的相對位移。在原則上，樁沉降和樁周土沉降相等的那個點即是中性點。在一般情況下，樁上部周圍欠固結(jié)土層越厚，欠固結(jié)程度越大，樁底部持力層越堅硬，那么中性點的位置越深。但是中性點并不是一個固定的點，它會隨著樁沉降的增加而向上移動，直到最后整個沉降過程開始穩(wěn)定，中性點才到其固定的深度ln處。所以目前來說，精確計算中性點位置十分困難，規(guī)范上采用的是估算的方法，具體方法是根據(jù)不同的持力層性質(zhì)來估算中性點深度ln與樁長l0的比值。

表1 中性點深度與樁長比值的估算

以下用一個實際的例子來進(jìn)行分析:此例用的是一種叫做荷載傳遞法［3］的分析法來計算，并用其結(jié)果與實測的結(jié)果做對比。

某公路一橋臺樁基工程現(xiàn)場實測負(fù)摩阻力［4］，該基樁為直徑1.5 m 的鋼筋混凝土的灌注樁，樁長28 m，樁段嵌入中風(fēng)化二長花崗巖。

試樁樁側(cè)及樁端土參數(shù)如表2 所示。

表2 土性參數(shù)

圖2 和圖3 則給出了實測樁周土體沉降和樁身軸力變化曲線。

圖2 土體沉降計算值與實測結(jié)果比較

圖3 樁身軸力計算值與實測結(jié)果比較

由圖2可以看出，實測與計算的土體沉降量基本吻合。

4 減小負(fù)摩阻力的措施

降低負(fù)摩阻力造成的下拉荷載Fn的方法很多，但原理無外乎兩種:一種是減小中性點以上土體和樁的接觸面積，其具體做法是在樁的承載能力允許范圍內(nèi)，盡量減小樁徑，降低樁體的剛度;另外一種是降低負(fù)摩阻力的摩擦系數(shù)來減小負(fù)摩阻力。如果是預(yù)制樁，那么可以通過涂以軟瀝青涂層的辦法來達(dá)到這種效果，瀝青層越軟越厚，那么效果越好。國際上采用的SL 瀝青復(fù)合材料，其收效甚好;如果是灌注樁，那么可以在沉降土范圍內(nèi)插入比鉆孔直徑小50～100 mm 的預(yù)制混凝土樁段，再用高稠度膨潤土泥漿來填充，從而制造一個與樁側(cè)土的隔離層。

另外，從施工方法上也能達(dá)到降低負(fù)摩阻力影響的方法。比如采用合理的施工順序、施樁的速度、在回填土及上部結(jié)構(gòu)采取分段施工等措施，都能達(dá)到減小負(fù)摩阻力引起的下拉荷載的效果。

5 結(jié)束語

目前因為試驗條件、科技手段等種種因素，要對負(fù)摩阻力進(jìn)行精確的計算還是一個較為復(fù)雜的問題。但隨著各種理論的發(fā)展和測試水平的提高，各種先進(jìn)的樁側(cè)表面的負(fù)摩阻力的反演分析法將逐步走向成熟并被加以應(yīng)用。而在大型復(fù)雜的巖土工程中，三維負(fù)摩阻力仿真試驗也會越來越被重視，到時候設(shè)計精度會更高。另外各種新型材料也會被研究工作者發(fā)現(xiàn)，到那時，減小負(fù)摩阻力的手段也會有突破性的進(jìn)展。

［1］陸明生.樁基表面負(fù)摩阻力的現(xiàn)場測試與研究［J］.巖土力學(xué)，1997，18(1):8－15

［2］wong K S .The C I.Negative skin friction on plies in layered soil deposits［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1995，121(6):457－465

［3］趙明華，賀煒，曹文貴.基樁負(fù)摩阻力計算方法初探［J］.巖土力學(xué)，2004，25(9)

［4］馬時冬.樁身負(fù)摩阻力的現(xiàn)場測試與研究［J］.巖土力學(xué)，1997，18(1):8－15