负摩阻力对桩基承载性能的影响研究

　　【摘要】目前，常有桩基承载力及桩身强度的安全度远低于正常状态下桩基安全度的问题，导致这一问题的主要原因是负摩阻力的存在。本文对负摩阻力的产生机理，工程计算，对桩基的影响作了总结，提出了减小负摩阻力的措施。 　　【关键词】负摩阻力；计算方法；桩基承载性能；措施 　　1. 引言 　　桩基布设在土体中，一般情况下上部荷载作用于桩端，桩土之间产生相对位移，桩周土的沉降速率将远远小于桩的沉降速率，此时桩所承受的侧摩阻力向上，即为正摩阻力也就是常说的桩侧摩阻力。然而在某些特殊情况下，桩周土的沉降速率远大于桩的沉降速率，此时桩所承受的侧摩阻力向下，即为负摩阻力。负摩阻力对桩基有严重的削弱作用，因此需对其进行研究并消除。 　　2. 负摩阻力计算方法探讨 　　（1）20世纪以来，桩基础在应用实践过程中，大量事故暴露出负摩阻力对桩基不可忽视的影响，引起诸多学者的高度重视，关于桩基的负摩阻力研究工作大量开展，并取得了诸多重要研究成果。但因为桩土体系的复杂多样，导致迄今工程设计中仍然使用半经验半理论的方法。 　　（2）目前在桩基设计中针对桩侧摩阻力问题的考虑，一般采取的方法是：将中性点以上部分或者整个桩身的负摩阻力全部略去，然后将单桩承载力根据现场实际情况并结合经验适当降低，或者根据经验适当提高安全系数。这些方法都是根据经验或理论计算来确定的，相比而言，因各个场地的地质情况不同最为可靠地还是现场在桩身布设测力元件测定桩基负摩阻力。精确地测定负摩阻力可以给设计者以明确的设计参数，有利于对桩基进行优化，节约总造价。但在很多情况下，由于时间、资金、管理思路等原因，无法进行现场试验。为此国内外诸多学者对施工经验进行详细研究，对理论计算进行更深层次的完善，发展了几种与实际情况更加符合的计算方法，如极限分析法、荷载传递法、弹性或弹塑性理论法、剪切位移法、数值分析法等[2]。 　　（3）在计算负摩阻力时，以上几种计算方法都有相应的不足和优点，在设计过程中，应对这几种计算方法进行综合考虑，选择最符合实际的结果供设计者参考[3]。 　　3. 负摩阻力对桩基的影响分析 　　负摩阻力对桩基性能的不利影响可以总结为以下三个方面：降低了桩的侧摩阻力，直接降低桩基有效承载力；增加了桩基沉降量，负摩阻力的出现使桩周土提供的荷载抗力大大减少了，桩的承载力仅依靠中性点以下的桩周土和桩尖土来提供，导致桩端土体沉降增加引起桩基沉降增加；降低了桩身强度的安全度，负摩阻力形成了对桩基的附加荷载，造成桩身轴力增加。 　　从桩基的工作状况来看，负摩阻力的影响对端承型桩和摩擦型桩有较大区别。 　　3.1摩擦型桩。 　　（1）在负摩阻力的作用下，摩擦桩会产生附加沉降，桩的附加沉降反而使得桩土之间的相对位移关系发生变化并使桩的中性点上移。中性点上移造成桩身受正摩阻力的部分桩身长度增加，从而引起正摩阻力总量的增加，负摩阻力减少。只有在桩周土和桩的沉降都稳定后，由负摩阻力导致的桩基下拉荷载、摩阻力沿桩身的分布以及桩基的中性点位置才能稳定下来。 　　（2）摩擦型桩的承载性能不受负摩阻力的直接影响，因此，除了上部结构对沉降要求特别严格的情况外，均可利用增加沉降的方法来减轻或者消除负摩阻力对桩基的影响。在软土地区桩周土的沉降需要很长时间才能稳定，桩与桩土间的相互作用也就需要很长时间才能稳定。自然条件的变化（如地下水位的变化等）也会对负摩阻力的发展产生影响。因此，对带负摩阻力的摩擦型桩而言，沉降是一个持续的过程，需要很长的时间才能稳定。 　　（3）在摩擦桩中，负摩阻力对桩身轴力的不利影响表现为变动的、可调节的。带负摩阻力的摩擦型桩中，桩身最大轴力的增幅和位置随着中性点位置的变化而变化，随着中性点位置的稳定而趋于稳定。不过，桩身最大轴力的增幅的调节是被动的，它只与桩周土的相对位移有关，而与桩身轴力大小本身无关。我国桩基规范（JGJ94-2008）规定，摩擦型桩不计中性点以上土层的下拉荷载，也不计这部分土层的正摩阻力。这一规定是建立在桩基产生附加沉降的基础上的。所以，对于沉降较敏感的上部结构，此规定是偏于不安全的。摩擦型桩中负摩阻力的影响应当根据上部结构对承载力和沉降的不同要求而作出相应的规定才更合理。 　　3.2端承型桩。 　　（1）对于端承型桩，由于桩端持力土层压缩模量较大，桩的沉降很小，并且负摩阻力产生的附加荷载作用下出现的附加沉降也很小，桩土间的相对位移关系也基本上不会变化，在土体沉降趋于稳定的过程中桩土共同作用而造成的中性点位置的变动也就很小。因此，负摩阻力对于端承型桩的影响比摩擦型桩要直接的多。对于端承型桩中桩土共同作用不明显，这部分附加荷载也就很难减少或消除，附加荷载对桩身强度和承载力有明显的不利影响。 　　（2）对于端承型桩，负摩阻力对桩身轴力的不利影响是长期稳定的。这就使得附加荷载等同于固定荷载一样对桩身长期作用，此时，负摩阻力应作为附加荷载与上部荷载叠加共同作用在桩身上，以保证桩身强度安全。 　　4. 减小负摩阻力的措施 　　（1）针对于负摩阻力对桩基的严重影响，在当前的设计施工中，都有相应的措施来减少桩基工程中的负摩阻力。 　　（2）目前的主要措施是将桩与桩周土在一定程度上隔离开来，即降低桩与桩周土间的负摩阻力系数。对于预制桩采用涂层的办法较为简单方便，即对预测的中性点以上的桩身侧面覆盖软沥青涂层，此法可以明显减少负摩阻力。当桩受到负摩阻力时，软沥青涂层将会产生剪应变，使桩土间的摩擦系数减小，已达到减小负摩阻力的目的。该法的工程效果比较明显。对灌注桩，工程中常采用以下两种措施：将比钻孔直径小5～10cm的预制混凝土桩段插入沉降土层范围内，用稠度较高的膨润土泥浆充填在预制桩外围预先形成隔离层。泥浆护壁成孔过程中，先将下端混凝土浇筑完，再填入高稠度膨润土泥浆，最后将预制混凝土桩段插入。在干作业成桩时，在钻孔沉降涂层范围内先安设双层，在筒形塑料薄膜内浇注混凝土，在桩身与孔壁之间形成可自由滑动的塑料薄膜隔离层。 　　（3）目前，除了改善桩土界面特性的方法外，还有改变桩身几何构造、对软土地基进行处理等多种方法来降低负摩阻力。比如利用强夯、 　　水泥土搅拌桩等方法对软基进行处理降低桩周土沉降，在满足桩的承载能力前提下，应尽量降低桩体刚度、减小桩径。随着地基处理新方法及诸多新型建筑材料的出现，更为有效、经济的降低负摩阻力的措施亟待开发。 　　参考文献 　　[1]JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008. 　　[2]赵明华，贺炜，曹文贵. 基桩负摩阻力计算方法初探[J].岩土力学. 　　[3]孔纲强，杨庆，郑鹏一，栾茂田. 单桩负摩阻力计算方法比较分析[J].防震减灾工程学报，2008（02）：98～103.