淺談濕陷性黃土場(chǎng)地樁基的負(fù)摩阻力

胡靜靜

摘 要：根據(jù)濕陷性黃土的特點(diǎn)，初步論述了樁基負(fù)摩阻力產(chǎn)生的原因及基本特征，指出了其對(duì)樁基的不利影響，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范、規(guī)程介紹了樁基負(fù)摩阻力、中性點(diǎn)的計(jì)算方法和減小樁側(cè)負(fù)摩阻力采取的措施。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)；負(fù)摩阻力；中性點(diǎn)；濕陷性黃土

1 前言

我國(guó)分布有大面積的濕陷性黃土，以覆蓋廣、厚度大著稱于世。濕陷性黃土作為一種特殊性質(zhì)的土，其土質(zhì)較均勻、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育。在未受水浸潤(rùn)時(shí)，一般強(qiáng)度較高，壓縮性較小。當(dāng)在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)會(huì)迅速破壞，產(chǎn)生較大附加沉降，強(qiáng)度迅速降低。當(dāng)自重濕陷量的實(shí)測(cè)值Δzs或計(jì)算值Δzs小于或等于70mm時(shí)為非自重濕陷性黃土；大于70mm時(shí)為自重濕陷性黃土。

隨著高層建筑和大型工業(yè)建筑的發(fā)展，有些淺埋基礎(chǔ)與地基的承載力往往不能滿足設(shè)計(jì)要求，因而自20世紀(jì)90年代以來，在濕陷性黃土地區(qū)采用灌注樁和預(yù)制樁基礎(chǔ)的工程日益增多。在確定自重濕陷性黃土場(chǎng)地的樁基承載力時(shí)，除不計(jì)濕陷性土層范圍內(nèi)的樁周正摩阻力外，還要扣除樁側(cè)的負(fù)摩阻力。因此合理確定樁基負(fù)摩阻力是濕陷性黃土地區(qū)樁基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，決定了樁基設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 負(fù)摩阻力產(chǎn)生的原因和特征

樁基礎(chǔ)承載力是由樁周土的摩阻力和樁端阻力共同組成的。其中摩阻力又可以分為兩種，當(dāng)樁相對(duì)于土體產(chǎn)生向下的位移時(shí)，土主要表現(xiàn)為對(duì)樁的支撐作用，產(chǎn)生正摩阻力；反之，產(chǎn)生負(fù)的摩阻力，其分界點(diǎn)稱之為中性點(diǎn)。在該點(diǎn)，樁土相對(duì)位移為零，既沒有負(fù)摩阻力，又沒有正摩阻力。樁身軸力最大。中性點(diǎn)以上的負(fù)摩阻力總和稱為下拉荷載。

產(chǎn)生負(fù)摩阻力的原因，是由于樁周土的沉降變形大于樁的沉降變形而致。而造成樁周土沉降變形的原因是多方面的，因而產(chǎn)生負(fù)摩阻力的原因很多，主要有下列幾種情況：

（1）位于樁周的欠固結(jié)軟粘土或新近填土在其自重作用下產(chǎn)生新的固結(jié)；

（2）大面積地面堆載使樁周土層壓密固結(jié)下沉；

（3）自重濕陷性黃土浸水后產(chǎn)生濕陷；

（4）靈敏度較高的飽和粘性土，受打樁等施工擾動(dòng)（振動(dòng)、擠壓、推移）影響，附加孔隙水壓力增加，隨后又繼而產(chǎn)生新的固結(jié)下沉。

在上述各種情況下，土的自重和地面上的荷載都將通過負(fù)摩阻力傳遞給樁。樁的負(fù)摩阻力問題必定與地基內(nèi)軟弱土層或濕陷性土的存在有關(guān)。這種土層愈厚，負(fù)摩阻力的影響也就愈大。

3 負(fù)摩阻力對(duì)基樁的影響

樁表面負(fù)摩阻力的主要影響后果是增加樁內(nèi)軸向荷載，從而使樁軸向壓力和壓縮量增加，有效承載力降低，并且在摩擦樁情況下可能引起樁的沉降有較大的增加。

《濕陷性黃土建筑規(guī)范》（GB 50025-2004）5.7.2條規(guī)定：在濕陷性黃土場(chǎng)地采用樁基礎(chǔ)時(shí)，樁端必須穿透濕陷性黃土層，并應(yīng)符合下列要求：

（1）在非自重濕陷性黃土場(chǎng)地，樁端應(yīng)支承在壓縮性較低的非濕陷性黃土層中；

（2）在自重濕陷性黃土場(chǎng)地，樁端應(yīng)支承在可靠的巖（或土）層中。

4 樁基負(fù)摩阻力的計(jì)算

4.1 樁側(cè)負(fù)摩擦力的計(jì)算深度

目前國(guó)內(nèi)外，一般以樁身的中性點(diǎn)作為計(jì)算樁側(cè)負(fù)摩擦力深度的下部界限，而樁身的中性點(diǎn)取決于樁和樁周土層的相對(duì)位移均相同的位置。

圖1 樁周正、負(fù)摩擦力和中性點(diǎn)隨土層浸水深度的變化

一般來說，中性點(diǎn)的位置，在初期多少是有變化的，它隨著樁的沉降增加而向上移動(dòng)，并與土的濕陷性質(zhì)、浸水時(shí)間、浸入土層中的水量和浸濕范圍等因素有關(guān)，只有當(dāng)樁周的濕陷性黃土層充分浸水引起的下沉量完全穩(wěn)定后，樁身的中性點(diǎn)位置也將穩(wěn)定在某一固定的深度ln處。

中性點(diǎn)深度ln應(yīng)按樁周土層沉降與樁沉降相等的條件計(jì)算確定，也可參照表1確定。

注：1 ln、l0-分別為自樁頂算起的中性點(diǎn)深度和樁周軟弱土層下限深度

2 樁穿過自重濕陷性黃土層時(shí)，ln可按表列值增大10%（持力層為基巖除外）

3 當(dāng)樁周土層固結(jié)與樁基沉降同時(shí)完成時(shí)，取ln=0；

4 當(dāng)樁周土層計(jì)算沉降量小于20mm時(shí)，ln應(yīng)按表列值乘以0.4～0.8折減。

4.2 樁基負(fù)摩阻力大小計(jì)算

負(fù)摩阻力對(duì)基樁而言是一種主動(dòng)作用。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為樁側(cè)負(fù)摩阻力的大小與樁側(cè)土的有效應(yīng)力有關(guān)，不同負(fù)摩阻力計(jì)算式中也多反映有效應(yīng)力因素。大量試驗(yàn)與工程實(shí)測(cè)結(jié)果表明，以負(fù)摩阻力有效應(yīng)力法計(jì)算較接近于實(shí)際。

國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范中考慮樁基負(fù)摩阻力問題的計(jì)算方法總體上屬于經(jīng)驗(yàn)法的范疇，所給出的計(jì)算公式也簡(jiǎn)單易用。

（1）《濕陷性黃土規(guī)范》

在非自重濕陷性黃土場(chǎng)地，當(dāng)自重濕陷量的計(jì)算值小于70mm時(shí)，單樁豎向承載力的計(jì)算應(yīng)計(jì)入濕陷性黃土層內(nèi)的樁長(zhǎng)按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力。在自重濕陷性黃土場(chǎng)地，除不計(jì)自重濕陷性黃土層內(nèi)的樁長(zhǎng)按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力外，尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負(fù)摩擦力。樁側(cè)負(fù)摩阻力應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確有困難時(shí)，可按表2估算。

4.3 基樁考慮負(fù)摩阻力的設(shè)計(jì)驗(yàn)算

自重濕陷性黃土場(chǎng)地，樁周負(fù)摩阻力對(duì)基樁承載力和沉降的影響應(yīng)根據(jù)工程的具體情況進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)驗(yàn)算。當(dāng)驗(yàn)算不滿足時(shí)，可對(duì)場(chǎng)地自重濕陷性土層進(jìn)行預(yù)處理，消除自重濕陷性，也可采取其他減小樁側(cè)負(fù)摩阻力的措施。

（1）基樁承載力驗(yàn)算

計(jì)算基樁豎向承載力特征值Ra ，可取樁身計(jì)算中性點(diǎn)以上側(cè)阻力為零，樁身中性點(diǎn)以下，取飽和狀態(tài)下的樁側(cè)摩阻力及端阻力，對(duì)于摩擦型基樁，按下式驗(yàn)算基樁承載力。

Nk ≤Ra

對(duì)于端承型基樁除應(yīng)滿足上式要求外，尚應(yīng)考慮負(fù)摩阻力引起的下拉荷載Qgn，按下式驗(yàn)算基樁承載力。

Nk +Qgn≤Ra

（2）沉降驗(yàn)算

受負(fù)摩阻力或下拉荷載引起的建筑樁基沉降變形計(jì)算值不應(yīng)大于樁基沉降變形允許值?？赡馨l(fā)生局部性浸水而產(chǎn)生的相鄰基礎(chǔ)的沉降差不得大于樁基沉降變形允許值。具體計(jì)算方法可參照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

5 結(jié)語

在我國(guó)的工程實(shí)踐中，樁側(cè)負(fù)摩阻力已成為濕陷性黃土場(chǎng)地樁基設(shè)計(jì)的主要問題。目前，對(duì)于樁基負(fù)摩阻力的研究雖然在數(shù)值計(jì)算和理論研究方面均有了較多的成果，但仍存在一些問題：

（1）黃土地區(qū)進(jìn)行的樁基現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)研究數(shù)量依然偏少，導(dǎo)致我們對(duì)黃土地區(qū)樁基在浸水作用下的工作性狀始終不能有全面的認(rèn)識(shí)?！稘裣菪渣S土地區(qū)建筑規(guī)范》條文說明敘述到：“鑒于目前自重濕陷性黃土場(chǎng)地樁側(cè)負(fù)摩阻力的試驗(yàn)資料不多，本規(guī)范有關(guān)樁側(cè)負(fù)摩阻力計(jì)算的規(guī)定，有待于今后通過不斷積累資料逐步完善”。

（2）中性點(diǎn)問題是樁基負(fù)摩阻力問題的核心問題之一，已有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明中性點(diǎn)的位置和規(guī)范規(guī)定之間還存在差別，但怎么準(zhǔn)確計(jì)算中性點(diǎn)位置還沒有現(xiàn)成的方法。

（3）影響濕陷負(fù)摩阻力大小的因素，如濕陷量、實(shí)現(xiàn)速率、浸水面積、樁頂荷載、樁土相對(duì)剛度、樁長(zhǎng)等對(duì)其的影響不夠明確。

（4）在大厚度濕陷性黃土場(chǎng)地，按理論和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的樁基樁長(zhǎng)往往非常長(zhǎng)，偏于保守，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明樁長(zhǎng)仍有一定縮短的空間，但缺乏理論支持。

濕陷性黃土作為一種特殊性土，樁基的樁土相互作用與負(fù)摩阻力問題極其復(fù)雜，仍然有很多問題有待我們繼續(xù)深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1] GB50025-2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 邱祖全，陳默涵.自重濕陷性黃土場(chǎng)地樁周負(fù)摩阻力的計(jì)算方法探討[J].工程勘察，2010年增刊第1期

[4] 徐先坤，劉偉濤，葉鐵鋒.淺析樁基負(fù)摩阻力[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1004-9665/2008/16（Suppl）-0365-04