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考虑负摩阻力的桩基设计研究

2024-06-20 74 上传者：管理员

摘要：以广东省广州市南沙区的房屋建筑工程为例，对复杂地质情况下桩周负摩阻力的桩基设计进行研究，详细分析了桩侧阻力的计算方法、桩基静载试验检测要点，探讨了桩侧阻力成因和影响因素，并提出负摩阻力防治措施。经过在复杂地质条件下的工程应用，表明本工程所提出的方案具有良好的实践效果，证明未能正确考虑桩周负摩阻力的桩基设计存在较大的安全风险，必须全面掌握桩周负摩阻力的成因、计算方法，有效进行桩基静载试验检测，采取有效的防治措施，才能确保桩基设计的安全和良好的经济效益。

关键词：
成因
计算方法
负摩阻力
防治措施
静载试验检测
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桩周负摩阻力不仅不能为承担上部荷载作出贡献，反而产生作用于桩侧的下拉力，引起桩端地基的屈服或桩身破坏，造成建筑结构的整体沉降或不均匀沉降。因此，考虑桩基负摩阻力对桩基础的不利影响是不可忽视的。在复杂地质情况下的桩基设计中常因对桩基负摩阻力的认识不够，忽视其严重不利影响，造成了大量的工程事故和安全隐患。对此，以大型工程项目为基础，全面分析研究桩周负摩阻力成因、计算方法及检测要求，提高桩基础设计质量，避免设计失误，采取经济有效的防治措施和正确的检测，即可确保桩基设计的安全。

1、工程概况

本工程建设项目位于广东省广州市南沙区，由21栋高层住宅及公建配套房屋组成，主要建筑功能为住宅、商业。建筑抗震设防分类划分为标准设防类；场地地震设防烈度为7度，设计基本地震动峰值加速度值为0.125g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.45s。拟建场地土类型为软弱土，建筑场地类别为Ⅲ类；场地划分为对建筑抗震不利地段。实测已完成钻孔地下水稳定水位埋深0.20～1.10m，平均0.57m，相应标高3.82～5.33m（广州城建高程系），平均4.59m，地下室底板位于地下水位以下。

表1预制混凝土管桩阻力参数

根据地质情况，桩基设计等级为甲级，经综合考虑最终确定采用预应力高强混凝土管桩（简称PHC桩），采用柴油锤施打方式施工。预制混凝土管桩阻力参数如表1所示，各土层桩侧阻力或桩端承载力特征值：淤泥(2)1qsa=6k Pa、淤泥质土(2)3qsa=10k Pa、细砂(2)5qsa=11k Pa、粉质黏土(3)2qsa=25k Pa、细砂(3)5qsa=18k Pa、圆砾(3)9qsa=60k Pa、强风化粉质砂岩(7)2qsa=80k Pa,fa=450k Pa、中风化粉质砂岩(8)fa=1200k Pa。端承型基桩、桩端持力层为中风化（强风化(7)2）泥质粉砂岩(8)、中性点深度比Ln/lo=1.0，负摩阻力计算至细砂(2)5底、桩顶标高-7.100m（绝对标高0.700m）。

本工程采用得数量最多的桩号ZH1（桩外径600mm）和典型孔点JZ-XK-D59为例做计算演示，对桩位于淤泥段（在中性点以上的软弱土层区段）采用底子油两遍、沥青胶涂层300μm的技术措施，在增加防腐蚀性的同时减少负摩阻力，如表2所示。结果将其与不采取技术措施的情况进行对比分析。

表2单桩设计规格及设计要求

2、桩侧负摩阻力的计算方法

2.1计算方法

针对桩侧负摩阻力大小，多数学者认为与桩测土的有效应力有关。在不同负摩阻力计算过程中，也能够反映出负摩阻力大小与桩测土有效应力的相关性。因此，可将有效应力法作为负摩阻力计算方法，并且经过大量试验和实践证明，可以充分验证有效应力法的计算结果与实测值相近。本工程桩侧负摩阻力设计采用有效应力法计算，计算关键点如下：

2.1.1中性点深度Ln

在特定深度桩断面上，测定该深度以上土的下沉量，如果下沉量大于桩，桩承受的为负摩阻力；如果下沉量大于土，桩受的为正摩阻力；该桩断面的轴向力最大，且也是桩土位移相等、摩阻力为零的临界点，将其称为中性点。中性点深度也受多种因素的影响，包括桩的刚度、持力层的刚度、桩周土的压缩性和变形条件，且在桩、土沉降稳定前不是一成不变的。根据桩侧负摩阻力的计算，取中性点深度Ln时，需要注意以下几点：中性点以上各土层桩侧负摩阻力取值均不能大于其正摩阻力值；中性点以上各土层自重引起的竖向附加应力计算起始点：群桩外围桩自地面算起，群桩内部桩自承台底算起；当地面无大面积分布荷载P或大面积挖方卸载时，仅考虑湿陷土层、欠固结土层、液化土层，及其以上各土层负摩阻力即可；地下水位以上取天然重度，地下水位以下的土层重度取浮重度。

2.1.2负摩阻力系数ζn

负摩阻力系数（ξ）取决于土的类别和状态，负摩阻力系数（ξ）对桩侧负摩阻力标准值（q）具有直接影响。例如粗粒土中的负摩阻力系数，随着土力度和密实度的增加，负摩阻力系数也随之增大；细粒土中的负摩阻力系数，随着土的塑性指数、孔隙比、饱和度的增加，负摩阻力系数随之降低。在群桩中计算，需要考虑群桩效应系数η，合理计算基桩的下拉荷载，一般情况下群桩效应系数η小于1。负摩阻力系数ζn可根据桩基规范确定。地勘报告中，提供的不同土层的负摩阻力系数建议值，如表3所示。

表3负摩阻力系数建议值

除此之外，地勘报告第2.8.3条提及在发生7度地震的情况下，地面以下20m范围内饱和松散-稍密状细砂（(2)5层）会产生液化，故应考虑此层土的负摩阻力。

2.1.3负摩阻力的时间效应

在负摩阻力计算时，还需要考虑负摩阻力的时间效应，通常情况下，桩基负摩阻力产生和发展，主要与桩周土固结完成所需时间有关，通常情况下，土的渗透性随着固结土层厚度的增加而降低，此时，负摩阻力达到其峰值所需时间也随之增加。与此同时，桩身沉降完成的时间对负摩阻力也具有一定影响。在固结土层完成时，桩的沉降已经先完成，负摩阻力达峰值后就稳定不变，反之，负摩阻力达到峰值后会发生下降。另外,中性点的位置也存在时间效应，当桩身负摩阻力大小随着土体固结沉降的发展而增加时，中性点位置发生下移。桩土相对位移量随着时间的增加逐渐稳定时，桩身负摩阻力不再增长，中性点也逐渐稳定。

2.2计算过程

负摩阻力计算公式详见《建筑桩基技术规范》第5.4.4条。

2.2.1中性点以上的桩侧正摩

2.2.2中性点以下的桩侧正摩阻力

2.2.3单桩竖向承载力特征值的计算

采用《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008和广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2016)10.2.3条的计算公式进行计算。

中风化粉质砂岩桩端阻力：

单桩竖向承载力特征值：Ra=1474.23+989.10=2460.33k N（未考虑中风化粉质砂岩桩侧阻力）

2.2.4桩侧负摩阻力的计算

因为无地面分布大面积荷载，故采用《建筑桩基础技术规范》第5.4.4条的计算公式计算：

(1)淤泥(2)1土层的平均竖向有效应力：

(2)淤泥质土(2)3土层的平均竖向有效应力：

(3)细砂(2)5土层的平均竖向有效应力：

(4)负摩阻力群桩效应系数：

(5)考虑群桩效应的基桩下拉荷载：

3、桩基静载试验

当需要考虑桩侧负摩阻力时，与其他类型的桩基检测对比务必注意单桩竖向抗压静载试验的加载量的不同。由于桩基静载试验时间短，桩周软弱土层相对于桩的沉降来不及完成，对桩不产生负摩阻力；不仅如此，由于桩基静载试验时，桩相对于周边土层有向下的沉降，软弱土层对桩产生正摩阻力。依据《建筑基桩检测技术规范》第4.1.3条，工程桩验收检测时，加载量不应小于设计要求的单桩承载力特征值的2倍。为确保桩基的安全，可参考如下方法：(1)基桩的平均竖向作用力Nk一般为根据上部结构计算设定的值，故静载试验加载量可分为2种情况：1）对摩擦型桩不应小于2(Nk+1.5Qz），设计时可根据实际情况调整1.5系数，甚至可调整至1.0。2）对端承型桩不应小于2(Nk+Qgn+1.5Qz），设计时可根据实际情况调整1.5系数，甚至可调整至1.0。(2)根据桩静载试验检测结果计算基桩承载力特征值Ra(Ra为中性点以下部分的侧阻值和桩端阻值）：对摩擦型桩和端承型桩Ra=Qu/2-1.5Qz，设计人员如果有经验把握，也可将系数1.5改小，甚至为1.0[1]。Qu：静载试验所得的基桩桩顶竖向抗压极限承载力；Qz：中性点以上的桩侧正摩阻力特征值，可按桩基规范第5.2.2条式（5.2.2）和第5.3.6条式（5.3.6）计算确定。

在实际桩基静载试验开始之前，试验最小加载量分析：依据设计要求基桩竖向承载力特征值Nk不小于2400k N，端承型桩试验最小加载量Qmin>2 (Nk+Qgn+1.5Qz)=2×（2400+347.29+1.5×367.27)=6596.39k N；当采取在桩侧软弱土层区段涂刷沥青胶涂层的防治措施后，试验最小加载量Qmin>2(Nk+Qgn+1.5Qz)=2×（2400+0+1.5×0)=4800k N。可见采取负摩阻力防治措施后显著的降低了试验加载量。桩基静载试验后，对试验结果的判定:设计要求基桩竖向承载力特征值Ra不小于2400k N，下面以试验桩号B1-86为例分析（如表4）。

表4单桩竖向抗压试验汇总

根据桩体沉降曲线图（图1），在第7级加载过程中基桩桩顶总沉降量52.87mm>40mm，单桩竖向极限承载力取相应于陡降段起点的荷载值，故Qu=5130k N。试验所得基桩竖向承载力特征值Ra=Qu/2-1.5Qz=5130/2-1.5×367.27=2014.1k N<2400k N（不能满足要求）；当采取在桩侧的软弱土层区段涂刷沥青胶涂层的防治措施后，基桩竖向承载力特征值Ra=Qu/2-1.5Qz=5130/2-1.5×0=2565k N>2400k N（满足要求）；由此可见对桩侧采取防治措施后消除了负摩阻力，显著提高了桩基的承载力。

4、桩侧负摩阻力成因与防治措施

4.1桩侧负摩阻力的成因以及条件

当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，桩周土与基桩侧表面的相对位移（或者相对位移趋势）是形成摩擦力的原因，在计算基桩承载力时应计入桩侧负摩阻力[2]。对于桩基础，倘若桩身周围的土体给桩提供向上的摩擦力就称为正摩阻力；相反，就为负摩阻力。由于附加应力或土体自固结等因素引起地基土发生沉降，桩与土之间产生相对位移或移动趋势时，桩周土将对基桩产生向下的摩擦力（即：下拉荷载），使原来稳定的桩基变得不稳定，真实作用力可能超过原来设计考虑的桩基承载力和地基变形的要求。

负摩阻力形成条件有以下几种：(1)穿越欠固结松散填土或新沉积的欠固结土层时形成的负摩阻力。即桩体穿过此类土层中，并且支撑于坚硬土层中，对于桩体产生的沉降，若小于桩侧土因固结而产生的沉降，则会产生负摩阻力。(2)桩体穿越自重湿陷性黄土、季节性冻土层、可液化土层时形成的负摩阻力。桩体穿过此类土层中，受黄土浸水湿陷、冻土融沉等情况，会造成土层先固结后下沉，从而产生负摩阻力。(3)穿越饱和软土层时形成的负摩阻力。桩体打入该土层中，形成密集的桩群，会造成超孔隙水压力的增加，使得土体上涌，引起负摩阻力。(4)地下水位受抽水等因素的影响出现大面积下降，会增加土的有效应力，进而使得地面发生下沉。

图1桩体沉降曲线

4.2桩侧负摩阻力的影响因素

根据《建筑桩基技术规范》第5.4.4条关于负摩阻力的计算公式，主要因素有：(1)桩周各层土体的固有特性（扩散角、饱和度、密实度等），关系到桩与土之间作用力的大小；(2)桩端岩土层的固有特性，关系到桩基承载性状分类（摩擦型桩、端承型桩）和中性点深度比；(3)地面均布荷载，关系到土层的附加应力的大小；(4)桩体形状、直径，关系到桩身周长的大小；(5)土体压缩模量、桩身材料，关系到桩与桩周土之间的变形差；(6)成桩方法（挤土桩、非挤土桩、部分挤土桩）等等。

4.3桩侧负摩阻力防治措施

目前工程中常用的措施：桩基施工前，先预压新近填土地基或软弱土层，从根本上消除负摩阻力的产生；在产生负摩阻的桩段安装套筒或者把桩身与周围土体隔离，这种方法施工难度较大，较少采用；对于可能发生负摩阻力桩断，将低熔点沥青等润滑剂或其他化合物涂在桩侧，以此减少桩身摩擦，控制负摩阻力的产生，当前这种方法应用比较普遍；在地基和上部结构允许有相对较大沉降和沉降差的情况下，对沉降要求不严格、不敏感的建筑可考虑采用摩擦型桩；降低桩上部荷载，提高桩基承载力的安全储备，必须保证储备量大于负摩阻力的下拉荷载，此措施的经济性较差，较难控制在合理范围，一般不建议采用[3]；在桩位预先设置钻孔，插入桩体后，将膨润土混合浆灌入桩体，使得负摩阻力得到削减，通常在粘性土层中使用该方法；通过负摩阻桩群法来消除负摩阻力，即通过设置排桩形成桩群，用以更好的承受负摩阻力；加强不良地质土层的有效处理，对于松散土、欠固结的土层，可以采用预固结法、强夯法等，增加土层密实度，使得土层得到有效固结，对于湿陷性黄土，采强夯法，增加土层的密实程度；对于饱和软土层，可以采用非挤土桩或部分挤土桩，并且在实际桩体设置过程中，要采取适宜的方法，如适当增加桩距以及优化打桩流程，同时应对沉桩速率加以控制，打桩后，需要间隔一定的时间，在进行基础及上部结构的施工；对于地下水文大面积沉降情况，可以采用回灌方法，以此达到削减负摩阻力的目的。

5、结果分析

依据桩规第5.4.3.2条：

(1)在不采取负摩阻力防治措施的情况下，基桩平均竖向承载力Nk<Ra-Qgn=2460.33-347.29=2113.04k N。

(2)当在桩侧中性点以上的软弱土层区段涂刷沥青胶涂层后，可基本不考虑此区段内的桩侧阻力（正、负摩阻力），基桩平均竖向承载力Nk<Ra-Qgn=2460.33-0=2460.33k N。

基于此，本工程最终采取了在桩侧的软弱土层区段涂刷沥青胶涂层的防治措施的方案，提高了桩基承载力，减少了桩长，节省了基础的造价。

6、总结

通过以上的分析、研究和应用，在桩基设计过程中，应根据工程场地复杂的地质情况和桩基设计的基本流程，分析产生负摩阻力的原因，确定中性点的合理深度，计算分析桩周负摩阻力的下拉荷载；在桩基静载试验检测时，对待不同桩型只有选择合理的加载量才能验证桩基的安全性，否则桩基会存在较大的安全隐患。综合安全适用、经济合理、保护环境等方面的对比分析，确定负摩阻力防治措施的可行性，对预应力管桩在下拉荷载较大的情况下可优先考虑采取负摩阻力防治措施，既能确保桩基安全，又能取较好的经济效益。

参考文献:

[1]李国胜.基桩检测方法及静载试验加载量问题探讨[J].建筑结构,2020,50(07):118-129.

[2]王红霞.桩基负摩阻力效应及计算方法分析[J].福建建材,2018(09):18-20.

[3]刘智敏.厚填土地基强夯处理后的桩侧负摩阻力研究[J].城市建设理论研究(电子版),2024(10):195-197.

文章来源:李俊.考虑负摩阻力的桩基设计研究[J].价值工程,2024,43(17):79-82.