如何考慮承壓樁基的負(fù)摩阻力問(wèn)題

陶鷹

（攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 攀枝花 617000）

很久之前，人類就已將樁基工程引入了河谷及洪積地等基土條件相對(duì)較差的區(qū)域。樁基礎(chǔ)是深基礎(chǔ)的重要組成部分，可以更加有效地滿足各種項(xiàng)目地質(zhì)條件、項(xiàng)目要求與荷載情況的需要。樁是豎直或微傾余的基礎(chǔ)構(gòu)件，其橫截面尺寸比長(zhǎng)度小得多，樁置于土中，上部結(jié)構(gòu)荷載作用其上，并通過(guò)它傳遞給地基土。一般來(lái)說(shuō)，由于受到豎向荷載的作用，樁頂會(huì)發(fā)生下沉，而其周圍土體會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的正摩阻力。當(dāng)樁周土體由于某些因素而發(fā)生下沉，且其沉降位移比樁的沉降位移要大的時(shí)候，此時(shí)，樁周土?xí)?duì)樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力。這個(gè)荷載不容忽視，作者在某江邊工程實(shí)踐中證實(shí)：對(duì)一幢中高層樓房，場(chǎng)地上表面近10m欠固結(jié)堆積土對(duì)樁的負(fù)摩阻力形成的下曳荷載接近樁頂受壓荷載；由此可見(jiàn)，存在負(fù)摩阻力的樁基，其下曳荷載必須定量計(jì)算。

1 負(fù)摩阻力的發(fā)生條件分析

一般情況下，樁基往往在下面的場(chǎng)景中會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。

（1）當(dāng)樁穿過(guò)新沉積的欠固結(jié)土層，或欠固結(jié)的松散填土而支承于硬度相對(duì)較高的土層中，樁側(cè)土由于固結(jié)所造成的沉降量高于樁的沉降時(shí)。

（2）樁側(cè)存在自重濕陷性黃土或可液化或季節(jié)性凍土層下，當(dāng)凍土融沉或黃土浸水濕陷時(shí)，或當(dāng)可液化土由于各種動(dòng)力荷載而發(fā)生液化，液化土再次固結(jié)之后造成明顯沉降時(shí)。

（3）當(dāng)樁側(cè)土層由于抽水或其他條件影響而造成大規(guī)模地下水位下降，土的有效應(yīng)力提高而造成地面產(chǎn)生沉降時(shí)。

（4）樁側(cè)地面由于大面積填土或堆載而造成明顯沉降時(shí)。

（5）飽和軟土中打入密度相對(duì)較高的樁群，導(dǎo)致超孔隙水壓力，土體大面積上涌，土體由于這一壓力失去而重新固結(jié)時(shí)。

2 負(fù)摩阻力對(duì)建筑物的危害

相關(guān)研究指出，該作用力對(duì)建筑物本身是不利的。對(duì)于摩擦樁，它將造成附加下沉，倘若下沉的土層不均勻，或建筑物基礎(chǔ)的某些樁基產(chǎn)生該作用力，在這種情況下，則將引起建筑物的不均勻下沉，這樣就會(huì)破壞其上部結(jié)構(gòu)。如果廠房大面積堆載，引起地面下沉，在樁基一側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，那么建筑物樁基將發(fā)生側(cè)傾，致使上部柱子對(duì)傾。對(duì)于端承樁，這一作用力使得樁身荷載有所提高，甚至?xí)茐臉抖顺至踊驑渡韽?qiáng)度。

3 樁基負(fù)摩阻力少的特性

3.1 中性點(diǎn)

即指在同一根樁上從負(fù)摩阻力向正摩阻力過(guò)渡時(shí)，必然存在一個(gè)摩阻力數(shù)0的斷面，此即我們所說(shuō)的中性點(diǎn)。它的上面樁周土下沉量高于樁下沉量，下面則恰恰相反。通常情況下，其所處位置能夠按照樁的沉降δ（z）以及樁周土沉降S（z）相等的條件確定：

δ（z）=S（z）

值得注意的一個(gè)問(wèn)題是，δ（z）主要由以下兩部分組成：樁端貫入沉降δp（z）與樁的彈性壓縮δe（z）。

3.2 時(shí)間效應(yīng)

正如上文所述，該作用力來(lái)自于樁側(cè)土層的固結(jié)沉降，所以，這一作用力的產(chǎn)生及其發(fā)展需要一定的時(shí)間，該時(shí)間的高低主要是由樁自身沉降完成的時(shí)間與樁側(cè)土固結(jié)完成的時(shí)間二者共同決定。當(dāng)后者比前者早結(jié)束，在這種情況下，那么該作用力在達(dá)到最高值以后接著會(huì)減?。划?dāng)前者早于后者結(jié)束，在這種情況下，那么該作用力在達(dá)到最高值以后將處于穩(wěn)定狀態(tài)。固結(jié)土層厚度越大，滲透性就越低，該作用力達(dá)到最高值使用的時(shí)間就越長(zhǎng)。

4 單樁負(fù)摩阻力計(jì)算

正如上文所述，該作用力受諸多因素影響，其計(jì)算甚為復(fù)雜；因此，需要適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。到現(xiàn)在為止，提出的算法只是局限在負(fù)摩阻力與下曳荷載的最大值的求解上。

4.1 單位負(fù)摩阻力qn的計(jì)算

（1）有效應(yīng)力法

ktgφ＇為與土質(zhì)、樁形、成樁工藝有關(guān)的系數(shù)，具體數(shù)值主要是通過(guò)實(shí)測(cè)或者試驗(yàn)方法來(lái)確定；有關(guān)資料給出了經(jīng)驗(yàn)值供查。K為水平和豎向有效應(yīng)力之比；取靜止土壓力系數(shù)值K0。

（2）單位負(fù)摩阻力按室內(nèi)、外測(cè)定的土的力學(xué)參數(shù)確定

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

對(duì)固結(jié)土層中的砂夾層：

其中，N為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)。

（3）負(fù)摩阻力經(jīng)驗(yàn)值

參考有關(guān)資料所載國(guó)外規(guī)范給出的經(jīng)驗(yàn)值及相應(yīng)的計(jì)算方法。

4.2 下曳荷載的計(jì)算

關(guān)于這個(gè)指標(biāo)的求解，本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法與效應(yīng)力法，將二者相結(jié)合，通過(guò)下面的公式進(jìn)行求解：

式中：第i層的負(fù)摩阻力。

式中：U為樁的周長(zhǎng)，m；△lni為第i層土的厚度，m；p0為作用于樁頂標(biāo)高的單位地面荷載（土重考慮在內(nèi)），kPa；γ′i、γ′j為第i、j層土的有效重度，kn/m3；地下水位以下取γ′i＝γi-1。

ξn為負(fù)摩阻力與豎向有效應(yīng)力的比例系數(shù)，ζnkgφ′，按土層類別取下數(shù)值：

粉質(zhì)黏土、粉士：0.25～0.40；

淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土：0.15～0.25；

自重濕陷性黃土：0.2～0.35；

砂土：0.35～0.50。

負(fù)摩阻力計(jì)算深度ln（即中性點(diǎn)深度），根據(jù)樁沉降與樁側(cè)土沉降相等的條件確定；也可參照現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)確定：

式中：ls為樁頂至固結(jié)土層底部的深度，m；ξ為中性點(diǎn)深度系，根據(jù)樁側(cè)總阻力與樁極限承載力的比例QSn/Qn查表。

4.3 考慮負(fù)摩阻力驗(yàn)算樁的承載力

（1）樁承載力的驗(yàn)算可按下式進(jìn)行

式中：Qn為由負(fù)摩阻力引起的下曳荷載，kn；Fd為作用于樁頂?shù)拈L(zhǎng)期設(shè)計(jì)荷載，kn；Kn為承載力安全系數(shù)，Kn可取1.2～1.3；Rpu、Rsu為樁端總極限阻力和樁側(cè)總正極限摩阻力，kn。

（2）樁身強(qiáng)度按下式驗(yàn)算

式中：Ap為樁身橫截面面積，m2；Sp為樁身短期容許強(qiáng)度，kpn。

5 群樁負(fù)摩阻力計(jì)算

群樁的負(fù)摩阻力有以下兩個(gè)特征：（1）受樁間土體體積、重量的作用而使該力有所下降；（2）外圍樁對(duì)地面堆載附加應(yīng)力起遮擋功能而使該力有所減小。

其極限負(fù)摩阻力quq：

式中：qu為單樁的極限負(fù)摩阻力，kPa；ηn為負(fù)摩阻力的群樁效應(yīng)系數(shù)。

ηn＝Ar／Ae

Ar＝a×b（a,b為群樁的相鄰樁在x、y兩方向的樁心間距）

Ae＝πRe2其中Re為等效圓半徑：

6 結(jié)語(yǔ)

在工程中，引起負(fù)摩阻力的因素是多種的，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析；解決負(fù)摩阻力除納入樁基承載力計(jì)算外，還可以采取一些構(gòu)造措施加以解決，最終消除負(fù)摩阻力對(duì)建筑物的不利影響。