考慮負(fù)摩阻力影響的樁土復(fù)合地基承載力計算

（水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

由于樁基礎(chǔ)具有承載力高、穩(wěn)定性高、便于機械施工等優(yōu)點，樁基礎(chǔ)近些年來在各工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。樁周土體因為濕陷、自重固結(jié)、場地填土、地面大面積堆載、降低地下水位等因素的影響會產(chǎn)生下沉，當(dāng)樁周土體的沉降量大于基樁的沉降量時，樁側(cè)土體將對樁產(chǎn)生與位移方向一致的摩阻力，該摩阻力被稱為負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力的存在會對樁產(chǎn)生下拉作用，使作用在基樁的荷載增加，荷載抗力減少，沉降增大。負(fù)摩阻力的影響嚴(yán)重時會導(dǎo)致建筑物不能正常使用，甚至危及結(jié)構(gòu)安全［1-3］。由于負(fù)摩阻力的存在，若在樁基設(shè)計時不予考慮，將會造成基樁的附加沉降。

本文結(jié)合新疆某擬建平原水庫工程，就供水兼退水涵洞坐落的軟黏土地基，進行了混凝土預(yù)制樁加固處理。在驗算樁土復(fù)合地基承載力特征值時，充分考慮了涵洞周圍大面積地面堆載（水庫大壩）給基樁帶來的負(fù)摩阻力問題。采用JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［4］相關(guān)公式，計算了考慮群樁效應(yīng)的基樁下拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值，將下拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值和單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值進行了疊加，根據(jù)疊加后的單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值進行樁土復(fù)合地基承載力特征值的計算。該方法可為今后類似地基處理工程提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

新疆某平原水庫依托山前洪積扇前沿天然地形，通過東、西、南、北四面筑壩而成。壩頂高程689m，最大壩高18m，壩軸線長度6.0km，總庫容2700萬m3。壩頂寬度8.0m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2.0。水庫主要組成包含水庫大壩、入庫建筑物、供水兼退水涵洞等。該水庫位于洪積扇前沿的洼地內(nèi)，庫區(qū)地形較平坦，地勢開闊，總地勢西高東低，地面高程672～688m，地下水位埋深2.5～11.8m。水庫庫盤內(nèi)覆蓋層巨厚，巖性主要為第四系全新統(tǒng)～上更新統(tǒng)洪積含土角礫和低液限黏土，夾中～粉細(xì)砂和粉土層。含土角礫和低液限黏土在庫盤內(nèi)分布不均一，其中含土角礫主要分布于西庫盤，低液限黏土廣泛分布于東庫盤。供水兼退水涵洞坐落于水庫東壩段低液限黏土地基上，黏土層巨厚，地勘資料顯示80m深鉆孔覆蓋層未揭穿。

2 涵洞軟黏土地基預(yù)制樁加固處理方案

供水兼退水涵洞坐落于水庫東壩段軟黏土地基上，地基承載力嚴(yán)重不足。為了避免涵洞地基出現(xiàn)過大沉降量及不均勻沉降情況的發(fā)生，從而影響涵洞過流能力，因而需對涵洞天然地基進行加固處理。

本工程涵洞地基加固處理采用預(yù)制樁方案。預(yù)制樁選取中等直徑樁，樁身斷面尺寸400mm×400mm，樁平面布置采用正方形布置，樁縱橫向中心距均為2m，樁長根據(jù)承載能力需要計算確定。軟黏土地基地勘建議地基允許承載力為120kPa，涵洞地面高程672m，涵洞建基面高程668.4m，地基埋深3.6m。 按JGJ79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》［5］規(guī)定，應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)寬度和埋深對地基允許承載力進行修正計算，修正后的地基允許承載力值248.9kPa?；炷令A(yù)制樁長度采用試算法，以疊加基樁下拉荷載后的單樁豎向承載力特征值進行樁土復(fù)合地基承載力計算，當(dāng)復(fù)合地基承載力大于涵洞地基最大應(yīng)力414.9kPa時的樁長作為最終樁長。初選涵基混凝土預(yù)制樁長15m。

3 涵洞基樁下拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算

3.1 中性點位置的確定

一般來說，中性點是指樁土相對位移為0的位置，這個位置既沒有負(fù)摩阻力也沒有正摩阻力。此位置受樁周土層性質(zhì)、樁端持力層剛度、樁身截面的影響比較大［6］。因此，在實際計算時，很難計算準(zhǔn)確。工程上一般使用經(jīng)驗公式進行計算，根據(jù)樁基持力層地基土的性質(zhì)，按JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中性點深度ln=0.5l0（ln和l0分別為自樁頂算起的中性點深度和樁周軟弱土層下限深度）。由于本工程涵洞坐落于水庫東壩段低液限黏土地基上，黏土層巨厚，地勘資料顯示80m深鉆孔覆蓋層未揭穿，因此l0取值等于初選基樁長度15m，進而得到自樁頂算起的中性點深度7.5m。

3.2 中性點以上樁周土層負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值計算

中性點以上樁周土層負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值可按式（1）進行計算：

當(dāng)?shù)孛娣植即竺娣e荷載時，則：

式中 qnsi為第i層土樁側(cè)負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值 （kPa），當(dāng)計算值大于正摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值時，取正摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值進行設(shè)計；ξni為樁周第i層土負(fù)摩阻力系數(shù)；σ′γi為由土自重引起的樁周第i層土平均豎向有效應(yīng)力（kPa）；σ′i為樁周第i層土平均豎向有效應(yīng)力（kPa），分別為第i土 層和其上第m土層的重度（kN/m3），ΔZi，ΔZm分別為第i層土和第m層土的厚度（m）；P為地面均布荷載（kPa）。

中性點以上樁周各土層負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果如表1。

表1 樁周各土層負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果

3.3 考慮群樁效應(yīng)的基樁下拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算

考慮群樁效應(yīng)的基樁下拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按式（3）進行計算：

式中 n為中性點以上土層數(shù)；li為中性點以上第i土層的厚度 （m）；ηn為負(fù)摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)，ηn=sax·，sax，say分別為縱橫向樁的中心距（m）；qns為中性點以上樁周土層厚度加權(quán)平均負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；γm為中性點以上樁周土層厚度加權(quán)平均重度。

考慮群樁效應(yīng)的基樁下拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果如表2。

表2 考慮群樁效應(yīng)的基樁下拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算

4 單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值及特征值計算

由于自樁頂算起的中性點深度7.5m，因此單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算樁長為中性點以下7.5m。單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算采用原位雙橋靜力觸探試驗成果，試驗成果如表3。

表3 地基雙橋靜力觸探試驗成果

4.1 單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算

單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算公式為：

式中 Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Qsk為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Qpk為總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值 （kN）；u為樁身周長 （m）；li為樁周第層土的厚度（m）；βi為第i層土樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)，黏性土、粉土βi=10.04（fsi）-0.55；砂土βi=5.05（fsi）-0.55；fsi為第i層土的探頭平均側(cè)阻力（kPa）；α為樁端阻力修正系數(shù)，對于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2；qc為樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d（d為樁徑）范圍內(nèi)按土層厚度的探頭阻力加權(quán)平均值（kPa），然后再與樁端平面以下1d范圍內(nèi)的探頭阻力（kPa）進行平均；Ap樁端面積（m2）。

中性點以下7.5m樁長的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果如表4。

表4 單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

4.2 單樁豎向承載力特征值計算

樁基豎向承載力特征值計算前先將樁基豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值和考慮負(fù)摩阻力影響的基樁下拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值進行疊加，然后根據(jù)疊加后的標(biāo)準(zhǔn)值計算單樁豎向承載力特征值，計算公式：

式中 Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值 （kN）；K為安全系數(shù)，取K=2。

考慮負(fù)摩阻力影響后的單樁豎向極限承載力特征值計算結(jié)果如表5。

表5 考慮負(fù)摩阻力影響的單樁豎向承載力特征值

5 復(fù)合地基承載力特征值計算

根據(jù)考慮負(fù)摩阻力影響后的單樁豎向承載力特征值計算結(jié)果和修正后的天然地基允許承載力進行樁土復(fù)合地基承載力特征值計算，計算公式：

式中 fsk為復(fù)合地基承載力特征值 （kPa）；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗取值，無經(jīng)驗時可取0.7～0.9；fsk為樁間土承載力特征值（kPa），應(yīng)按靜荷載試驗確定，無經(jīng)驗時可取天然地基承載力特征值；m為復(fù)合地基置換率，m=d2/d2e，d為樁身平均直徑；de為1根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，正方形布樁de=1.13s，s為樁間距；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗取值，無經(jīng)驗時可取0.9～1.0。

考慮負(fù)摩阻力影響后的樁土復(fù)合地基承載力特征值計算結(jié)果如表6。

根據(jù)表6結(jié)果可知，在考慮負(fù)摩阻力影響后計算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時，假設(shè)的15m樁長樁土復(fù)合地基承載力特征值達到了430.4kPa，大于涵洞最大基底應(yīng)力414.9kPa。因此，供水兼退水涵洞采用長15m的預(yù)制樁進行地基加固處理是合適的，并留有一定的安全余量。

表6 樁土復(fù)合地基承載力特征值

6 結(jié)語

（1）在樁基工程設(shè)計時，如果基樁周圍存在誘發(fā)基樁負(fù)摩阻力產(chǎn)生因素，那么在樁基礎(chǔ)設(shè)計時就應(yīng)當(dāng)考慮負(fù)摩阻力對基樁的影響。如果設(shè)計不予考慮，將會可能導(dǎo)致樁端地基的屈服或破壞、樁身破壞、結(jié)構(gòu)物不均勻沉降等情況的發(fā)生，從而影響建（構(gòu)）筑物的正常使用甚至結(jié)構(gòu)安全。

（2）在負(fù)摩阻力計算時，相對準(zhǔn)確的確定中性點位置對負(fù)摩阻力的計算十分重要，文章根據(jù)經(jīng)驗公式進行了中性點位置的計算。但對于重要樁基礎(chǔ)工程建議通過經(jīng)驗公式、三維數(shù)值仿真分析、現(xiàn)場試驗等進行多種方式綜合確定。

參考文獻：

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［5］JGJ79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

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