(整理)2考虑负摩阻力的桩基设计需要注意的问题.
关于桥梁桩长计算中的负摩阻力探讨
关于桥梁桩长计算中的负摩阻力探讨摘要当遇到不良地质条件时，桥梁桩基础设计中桩侧负摩阻力对桥梁的安全性、可靠性和经济等方面都有着重要的影响，本文介绍了桩侧负摩阻力产生的原因，影响因素和计算方法。
关键词桩基负摩阻力产生原因计算方法桩基具有承载力高、地质适应性强、施工便捷、沉降小、工期短等优点，采用桩基作为桥梁基础日趋普遍。
桩的承载力是由桩底支承力与桩周土体的侧摩阻力两部分组成的。
当桩底穿过并支承在各种压缩性土层中时，桩主要依靠桩侧土的摩阻力支承竖向荷载。
因此，桩侧摩阻力的大小对结构基础的稳定性起着决定作用。
如果桩周土体与桩身表面发生负摩阻力，使桩侧土一部分重量传递给桩，不但不是桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，这是在软弱粘土和湿陷性黄土等地基确定单桩轴向容许承载力时应该注意的。
一、产生负摩阻力的条件和原因在桩顶竖向荷载作用下，当桩相对于桩侧土体向下位移时，桩侧土体对桩产生向上作用的摩擦力，称为正摩阻力（图1a），正摩阻力能抵抗桥梁上部结构及桥墩等产生的荷载。
但是，当桩侧土体因某种原因而下沉，且其下沉量大于桩的沉降（即桩侧土体相对于桩产生向下的位移）时，土对桩产生向下的摩擦力，称为负摩阻力（图1b），负摩阻力变成施加在桩上的外荷载，相当于增加了作用在桩基上的桥梁上部结构及桥墩等产生的荷载。
桩侧负摩阻力问题，本质上和正摩阻力一样，只要得知土与桩之间的相对位移或趋势以及负摩阻力与相对位移之间的关系，就可以了解桩侧负摩阻力的分布和桩身轴力与截面位移了。
产生负摩阻力的情况有多种：(1) 桩穿过欠固结的软粘土或新填土，由于这些土层在重力作用下的压缩固结，产生对桩身侧面的负摩擦力；(2) 在桩侧软土的表面有大面积堆载或新填土(桥头路堤填土)，使桩周的土层产生压缩变形；(3) 由于从软弱土层下的透水层中抽水或其它原因，使地下水位下降，土中有效力增大，从而引起桩周土下沉；(4) 桩数很多的密集群桩打桩时，使桩周土产生很大的超空隙水压力，打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉；(5) 在黄土、冻土中的桩基，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。
桩基负摩阻力的设计探讨
桩基负摩阻力的设计探讨作者：林凡伟祝红山来源：《科技资讯》 2015年第5期林凡伟祝红山(中南电力设计院湖北武汉 430071)摘要:在软弱地基上、湿陷性黄土地区或有地震液化土地区建造建筑物，采用桩基础，将可能产生负摩阻力，使桩身发生破坏或使地基屈服破坏。
因而了解负摩阻力产生的机理、条件及影响因素，探讨单桩及群桩设计中负摩阻力计算的方法对于搞好桩基设计尤为重要，该文分析了桩基负摩阻力产生的原因，及相关规范条文的规定，并列举了计算实例，提出了在不同地质条件上下减少摩阻力的相关工程措施和总结。
关键词:桩基负摩阻力设计地质条件中图分类号:TU473文献标识码:A文章编号:1672-3791(2015)02(b)-0066-02桩基作为地基处理的方法，在各工程领域得到普遍应用，它能把建筑物上部的荷载通过桩身传到下部土层中压缩性小，强度高的岩土层中，从而满足强度及变形要求。
在软土地区，桩基运用更广泛，桩基设计中由于各类软土等条件引起的负摩阻力，负摩阻力不但不是桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载。
如果未考虑，会对建筑物安全有较大影响，可能导致建筑较大的沉降和不均匀沉降。
1 桩负摩阻力产生的原因(1)桩穿过欠压密的软土或新近填土，而支承在坚硬土层(硬粘土、中密砂土、卵石层或岩层)时，桩侧土因固结产生的沉降大于桩身的沉降；(2)当桩侧非固结压缩软土上竖向荷载作用时；(3)由于地下水位下降(从软弱粘土下的透水层中的抽水或其他因素)，致使土的有效应力变大，引起桩周的土下沉；(4)在饱和粘土地基中，群桩施工完毕后，孔隙水消散，隆起的土体逐步固结下沉，若桩尖持力层较硬，则产生负摩阻力；(5)桩侧存在自重湿陷性黄土或季节性冻土或可液化土的条件下，当黄土浸水湿陷、冻土融沉时，或当可液化土受地震或动荷载而液化，液化土再次固结而出现大量下沉；(6)在饱和软土中打入较密的群桩，引起超孔隙水压力，土体大量上涌，这样重塑土体因超孔隙水压力消散再次固结。
浅析桩基础负摩阻力的防治对策
浅析桩基础负摩阻力的防治对策近几年来，部分地区的建筑物出现了裂损和倾斜现象，严重影响了建筑物的使用，若由此而引发建筑物倒塌事件，将会对居民的生命和财产造成巨大威胁。
根据相关调查发现，建筑物结构不稳定是由桩基础不稳固造成，因为桩基础自身存在负摩阻力，降低了桩基础的荷载承受能力，从而发生不均匀沉降，由此导致建筑物不稳。
一、防治桩基础负摩阻力的重要意义随着建筑事业的迅猛发展，桩基础被广泛应用于各类建筑施工中，特别是对于软弱地基的处理，桩基础施工技术非常关键。
桩基础不仅可以承受建筑物的各种荷载，像水平荷载、竖向荷载等，更具有较大的刚度和整体性，能够增强建筑物的整体稳定。
然而桩基础的负摩阻力却降低了其承受能力，对桩基础产生了负面的影响，由于桩基础存在负摩阻力，增加了桩基础的自重，从而相应的降低了对于外荷载的承受能力，若负摩阻力过大将导致桩基础发生不均匀沉降，不仅降低建筑物的使用寿命，严重者将威胁居民的人身安全。
基于此，防治桩基础的负摩阻力具有重要意义，减少负摩阻力对桩基础的影响，不仅可以提高建筑工程质量，增加建筑物使用年限，更為人们提供了安全稳定的居住环境[1]。
二、负摩阻力产生的原因分析由于桩基础会与土体进行直接接触，两者若存在相对位移，就会产生一定的摩擦阻力，而摩擦阻力的作用将由具体位移情况决定。
桩基础会因为建筑物给予的竖向荷载而发生下沉，同时建筑地基也会受到各方面因素发生下沉，如果两者的下沉速率相同，摩擦阻力将不会产生，但是在现实情况中该种现象极少或者根本不会发生，正是由于两者发生的下沉速率不同，而造成了摩擦阻力的产生。
摩擦阻力分为两种，一种是正摩阻力，即桩基础的下沉速度较快，由于两者存在相对位移，地基会对桩基础产生向上的作用力，对桩基础起到一定的支撑作用。
另一种是负摩阻力，它与正摩阻力的产生正好相反，是由于地基的下沉速度过快产生的，对桩基础将产生一定的抵抗作用，降低桩基础的承载能力。
通过以上分析，不难发现导致负摩阻力产生的原因，一般就是造成地基快速下沉的原因，对此进行具体的总结归纳。
软土地基桩侧负摩阻力亟待解决的几个关键问题
软土地基桩侧负摩阻力亟待解决的几个关键问题 1中性点的确定桩基负摩阻力产生的原因，但是如何正确计算负摩阻力导致的下拉荷载，需首先解决的一个关键问题就是中性点深度如何合理确定。
中性点深度受到桩土相互作用的各种因素的影响而呈明显的动态变化，考虑中如何反映施工过程以及以后使用过程中可能遇到的因素变化等，对于负摩阻力桩的合理设计等意义重大。
由于中性点是桩土相对位移为零的点，而桩的压缩变形较易确定，故从土体沉降量的准确计算方面来确定中性点深度。
（中性点唯一吗？不见得）2现场原位测试及测试技术由于桩土相互作用的复杂性、原位测试费用等原因，桩侧表面负摩阻力的现场原位测试仍然少见。
仅仅依靠那些层层简化的理论公式或者实测数据不多的经验公式是解决不了问题的，将来将会出现越来越多的负摩阻力问题，如城市中的环境岩土工程问题、沿海沿江超高填土码头、围海造陆工程等都不可避免遇到负摩阻力问题。
从规范角度强调应做一定比例的桩的负摩阻力原位试验，这对于验证并完善桩基负摩阻力的计算方法等具有重要意义。
另外，在存在负摩阻力的桩基中，桩基的静载试验如何反映负摩阻力的存在及大小一直是一个难点。
建议对重大工程应采用先进测试仪器做负摩阻力的长期测试观测，包括桩、土体各控制断面点的沉降以及桩身轴力测试等，同时应做好优化工作。
3桩侧负摩阻力的合理计算实际上桩侧表面负摩阻力的发挥及大小与桩土的相对位移密切相关，因此桩侧负摩阻力并不是都同时达到极限，即具有不同步性。
而目前的研究中，基本上都是采用理想弹塑性模型，即认为桩侧负摩阻力发挥到极限值后保持恒定，而实际情况远非如此，这主要是由桩土相互作用的复杂性所决定的。
特别是近年来各种大直径超长桩以及各种新型桩的出现，对桩侧表面负摩阻力的确定提出了新的课题与挑战。
对特定类型地基土体可通过室内模型试验，结合有关现场测试数据，建立起负摩阻力与桩土相对位移的关系以及负摩阻力与地表沉降量之间的关系，从而才能更科学地计算负摩阻力产生的下拉荷载。
桩基础负摩阻力的防治对策研究
桩基础负摩阻力的防治对策研究【摘要】随着人们居住环境的改善和土地价格的上涨，建筑物逐渐向高层建筑发展，对地基承载能力的要求也越来越高，因此，地基的处理显的十分重要。
在地基的处理过程中，负摩阻力是引起建筑物沉降、倾斜或开裂的重要原因，成为建筑行业工程实践中面临的重要问题。
由于桩基础负摩阻力的产生与大小受较多因素的影响，其计算也存在一定难度，本文就桩基础负摩阻力的产生原因和防治对策进行了研究，以供同行参考。
【关键词】桩基础；负摩阻力；防治对策桩基础是指将桩设置在土层中加固地基的结构，由桩和桩间土组成，建筑上部荷载通过桩基础传递至土层，达到稳定建筑的效果，整体性和刚性越强，桩基础所能承受的水平荷载与竖向荷载就越强。
随着高层建筑的增多，桩基础已成为软弱地基的重要处理手段，也是护岸、桥梁、码头、港口的主要基础形式。
然而，桩身所产生的负摩阻力问题也日渐突出，成为桩基础设计中的难点问题。
一、负摩阻力的成因地基中的桩和土体存在摩擦阻力，而作用于桩侧的阻力的方向则与桩周围土体的位移有关。
在正常情况下，桩顶受到竖向荷载而下沉，当桩的下沉速率超出地基土的下沉速率时，地基土则会对桩侧面产生反方向的摩擦阻力，作用在桩侧单位面积上的力即正摩擦阻力，具有支撑桩的作用。
当桩侧土地的下沉速率超过桩的下沉速率时，桩侧地基会对桩产生与其位移方向相同的摩擦阻力，这个力即负摩阻力。
负摩阻力不但不会抵抗桩的荷载，还会对桩的荷载产生下拽作用，成为分布在桩侧表面的荷载。
产生负摩阻力的环境有以下几种：穿过欠固结土层后支撑在硬土层中，使得桩侧土因固结发生的沉降超过桩的沉降；桩侧土层地下水位大幅下降，导致上覆土层自重增加，发生大范围下沉；桩侧地面受到较大的地面荷载（如填土或堆载）发生下沉；桩所在土层稳定性较差，易受环境因素（如解冻、地震、侵水等）影响，有因素发生时引起地基土下沉；桩群密度大，敏感度较高的粘土受扰动，超孔隙水压力使得土体上涌，重塑后又因超孔隙水压消失而重新固结；桩侧土膨胀性强，受季节、气候影响而导致膨胀变形；以压桩法沉桩后，桩身上部压力消失后发生回弹，产生负摩阻力；水下桩基，河床冲刷严重，沉淀淤积较多，桩周围存在未固结的淤泥，淤泥随时间固结沉降，产生负摩阻力。
浅谈桩的负摩阻力及实际工程中的处理
浅谈桩的负摩阻力及实际工程中的处理[摘要]：负摩阻力是桩基础设计时常见的问题，本文从负摩阻力的产生机理出发，探讨了负摩阻力的计算方法，给出了减小负摩阻力的措施；并结合实际工程分析了桩与承台共同作用机理在负摩阻力桩基础工程中的适用范围。
[关键字]：负摩阻力桩与承台共同作用1 前言桩基础是目前采用广泛的一种软弱地基处理方式，其承载力由桩侧土的摩擦力和桩端反力共同构成。
但是在有些地质条件下，由于某些原因，当桩周土体的沉降量大于桩本身的沉降时，桩侧表面的一部分面积上将产生负摩阻力。
负摩阻力对桩产生下拉作用，致使桩基的荷载增加，变相的降低了桩的承载力，使其沉降加大，严重时会导致建筑物的损害或破坏，由于设计人员忽略了负摩阻力的影响从而引起的工程事故不在少数。
本文对桩的负摩阻力的产生条件及其特性进行分析，探讨了桩负摩阻力的计算方法。
正常情况下，计算桩基础的承载力时，假定上部荷载通过承台传递给桩，然后再传给地基，并不考虑承台底部土的承载作用。
但是，在某些地基土层中，往往在1m左右的根植土下有2-5m的粉质粘土硬壳层，再往下则是10几米甚至20几米的淤泥层。
在这些场地的工程中，一般是采用桩基础进行地基处理，但是由于负摩阻力的存在，正常桩长的单桩承载力往往比较小，布桩很密而且造价比较高；如采用表层换土后作浅层基础，由于硬壳层厚薄不均，填土厚度及质量均难以控制，容易使基础沉降过大或沉降不均匀，影响正常使用。
对于这类场地，由于采用的桩基一般是摩擦型桩，桩与桩间土的变形是相互影响的，桩间土具有一定的承载力，而承台承担的荷载将是可观的。
因此本人认为，在这样的工程中，考虑桩与承台共同工作承担上部荷载是安全合理的，而且具有可观的经济效益。
2 负摩阻力产生机理、特性及其对桩基的影响分析布置在土体里的桩，正常情况下由于上部荷载的作用，桩的沉降速率（或沉降量）大于桩周土的沉降速率（或沉降量），桩周土对桩的侧表面产生向上的摩擦阻力，称之为正摩阻力；反之，当由于以下几种情况：1）桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层2）桩周存在软弱土层，临近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载3）由于降低地下水位，使桩周土中有效应力增大，并产生显著压缩沉降4）冻土融化使得桩周土的沉降速率（或沉降量）大于桩的沉降速率（或沉降量）时，桩周土将对桩产生向下的摩阻力，称之为负摩阻力。
桩基础负摩阻力的防治对策分析
桩基础负摩阻力的防治对策分析桩基础是建筑工程中常用的基础类型，其优点在于可以通过加深的方法抵消土壤反力的影响，具有较好的承载能力。
在桩基础的设计与施工过程中，负摩阻力是一个常见的问题。
本文将对桩基础负摩阻力的防治对策进行分析。
一、负摩阻力的原因桩基础负摩阻力又称为摩擦阻力，它的作用是接受上部荷载并将其传递到土体中。
负摩阻力的产生原因是由于桩身与周围土体之间的摩擦力，从而形成一个外形为椭圆形的摩擦带，带状区域内土体与桩壁之间的摩擦力与桩顶承载的力矩相等，从而形成一个与桩身都负向相反的阻力。
二、负摩阻力的危害由于负摩阻力的存在，可能会影响桩基础的承载能力和工程质量，进一步对工程的安全性产生风险。
具体表现如下：1、减小了桩基础的有效长，导致桩基础的承载能力降低。
2、负摩阻力发展速度快，对桩基础的稳定性造成影响。
3、负摩阻力的作用周期长，会增加桩基础的荷载变形，导致工程的整体结构变形。
三、负摩阻力的防治对策负摩阻力在桩基础建设中是无法避免的，但是在实践中可以采取有效的措施降低其负面影响，具体如下：1、正确的设计方案：在桩基础的设计阶段，应合理地选取桩身直径、长度和孔隙率等参数，争取降低摩擦带面积，从而减少负摩阻力的产生。
2、挖孔优化：桩基础的挖孔施工对桩身周围土体的影响很大，会直接影响负摩阻力的大小。
在实际工程中，可以采用泥浆壁型、套管等方式优化挖孔施工过程，使得周围土体的密实程度更高，从而减少负摩阻力的产生。
3、施工工艺优化：在桩基础施工过程中，采用预灌注法、振动沉桩等方法可以加强桩基础承载能力，同时减少负摩阻力的产生，从而达到提高工程质量的目的。
四、结论负摩阻力在桩基础建设中是无法避免的，但是可以通过优化设计方案、挖孔施工和施工工艺等手段控制其产生，降低其危害。
针对不同的工程需求，可以采取不同的对策，力求提高工程的安全性、稳定性和承载能力，确保工程质量。
桩基设计中桩侧土的负摩阻力问题
・
桥 梁 ・
桩基设计中桩侧土的负摩阻 力问题
方 根 男
（ 铁道第三勘察设计 院桥梁处 ，天津
摘 要 ： 绍 桩 基 设 计 中桩 侧 负摩 阻 力 的 产 生 条 件 以及 负摩 阻 介
力 的计 算方 法 。
３０ ４ ） ０ １２
照表 １ 定。 确
尸
桩侧摩 阻 力是通 过桩 与桩 周土 的相对 位移 而 产生 的 。一般 情况 基桩受 到 设 计 荷 载 时会 产 生 下 沉 ， 周 桩 土阻止桩 下沉 的摩 阻力 叫做 桩侧 正摩 阻力 ， 称 桩 侧 简 摩 阻力 。 当桩 周 的土因沉 陷或 固结 产生 大于桩 身 的沉 降， 桩侧 摩阻力 由阻止 桩下 沉变 成拽 着桩 下沉 的力 ， 这 就是桩侧 负摩 阻 力 。《 筑 桩 基 技 术 规 范 》（ Ｇ ９ — 建 Ｊ Ｊ４
收 稿 日期 ￣０ ５—１ —２ ２０ ２ ８ 作 者 简 介 ： 根 男 （９ ２ ） 男 ， 授 级 高 级 工 程 师 ．９ ３年 毕 业 于 同 方 １３ 一 ， 教 １５ 济大学 。
① 软 土地 区的摩 擦桩 ， 中性点 位 于软 土层 中 ， 考 应 虑 中性 点 以上软 土层 的桩 侧 负摩 阻力 ， 为荷 载作 用 。 作 中性 点 以下考虑 软 土层 和持 力层 的桩 侧正 摩阻 力 和桩 底支 承 力 ， 《 路 桥 涵 地 基 和 基 础 设 计 规 范 》 按 铁
２ ２ 负摩 阻 力的计 算 ．
（ ） 土地 区的桩 基 础 １软
从 上述条 件看 ， 非 所 有 软土 或 湿 陷 性 黄 土都 会 并
产生 负摩阻力 ， 只有桩 周 土 由于 自重 固结 、 自重 湿 陷 、
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考虑负摩阻力的桩基设计需要注意的问题
1 地表的大面积堆载对堆载区内的桩基和邻近桩基的影响
地表的大面积堆载对堆载区内的桩基和邻近桩基会产生很大的影响.首先,地表在沉降过程中,桩侧土体将会对桩身产生负摩阻力,致使桩身的轴力和桩端力增大,甚至导致桩身的破坏;其次,地面堆载引起地基土的侧向变形,邻近桩基的被动桩受到土体挤压会产生绕曲、水平移动,甚至断裂.因此,堆载作用下的桩基可能受到负摩擦和侧向力两种荷载的共同作用.
2 负摩阻力计算分析案例
在有关桥梁地基与基础设计规范中规定,在软土层较厚,持力层较好的地基中,桩基计算应考虑路基填土荷载或地下水位下降所引起的负摩阻力的影响。
事实上桥下大面积堆载是一种更危险的工况。
下面以一实际工程为例,对桥梁桩基负摩阻力计算作一分析。
该桥上部结构为30 m跨预应力混凝土连续箱梁,桥梁全宽25.5 m,采用分幅式布置。
桥梁下部结构半幅采用变截面墩配2根D 160
(D180)钻孔灌注桩基础,单排桩基础,桩基设计按摩擦桩设计,单桩桩顶最大设计反力为6 150~7 100 KN,上部结构计算时考虑基础不均匀沉降为1.0 cm。
桥址处现为鱼塘,地面标高为0.2~1.6 m之间,由于桥址位于城区,远期规划标高6.5 m左右,如按规划标高平整场地,需填土5.0~ 6.3 m。
设计时根据桥址处的地质情况,注意到负摩阻力对桩基的影响,考虑按以下2种方案进行场地平整,进行技术经济比较,以确定最终的设计方
案。
方案1：场地先不平整待桥梁施工完后再进行场地平整。
方案2：场地先平整到规划标高6.5 m(带状80m宽),半年后施工桥梁桩基。
桥址处土层各层分布情况按由上至下顺序描述如下:①人工填土;
②淤泥(Q4ml);③亚粘土(Q4ml);④粘土(Q1mc);⑤亚粘土(Q1al)。
场地地质中第四系覆盖层巨厚,地质勘探未能揭露。
2.1 中性点位置的确定
要确定桩身负摩阻力的大小,首先需要确定中性点的位置。
所谓“中性点”是指桩土位移相等、摩阻力等于零的分界点,该深度以上土的下沉量大于桩的下沉量,桩承受负摩阻力;该深度以下土的下沉量小于桩的下沉量,桩承受正摩阻力。
故确定中性点的位置,首先必须计算出桩基及各土层的沉降量中性点的深度与桩周土的压缩性和变形条件、桩和持力层土的刚度等特性有关。
在桩、土稳定前,它也是变动的。
当有地面堆载时,中性点的深度取决于堆载的大小,堆载越大则中性点越深。
2.1.1 桩基沉降计算
按桥梁规范公式,单桩沉降
S=P(L0+ξh)/(Ep×Ap)+P/(Co×Ao)
式中P———桩顶荷载;
L0———桩自由长度;
h———桩入土长度;
ξ———系数,与桩侧土的摩阻力分布形式有关,对于钻孔摩擦ξ=1/2;
Ep———桩身的受压模量;
Ap———桩身的横截面积;
C0———桩底平面土的竖向地基系数;
A0———桩顶外力扩散至桩底平面的面积。
本桥中:L0=0,h=45,ξ=1/2,P=7 100 KN,
Ep×Ap=5.7×104MPa
Co=L×mo=45×4 000=180×103Pa
Ao=12.5
计算出S=0.0028+0.0031=0.0059 m (即5.9mm)。
2.1.2 土体沉降计算
(1)方案1:场地先不平整,待桥梁施工完后再进行场地平整。
土层顶面大面积堆载,由此荷载产生的附加应力不随深度修正。
这一点与有限宽度范围内作用荷载(如路堤填土)等荷载工况有很大的不同。
根据土力学知识,在有限宽度范围内作用荷载的情况下,土体中的附加应力会随深度的增加而减小,相应土层压缩量会小很多。
此方案中场地堆载的荷载:P=100 KPa(5.5 m高堆土),以上述钻孔为例,根据地质资料,依据分层总和法计算各土层的沉降△S。
土层沉降量:△S=ms·∑ni=1σiEsi·hi
式中ms———沉降经验系数;
σi———第i层土附加应力的平均值;
Esi———第i层土的压缩模量;
hi———第i层土的厚度。
计算结果如表1。
沉降计算表明:在桩基施工完后进行堆载平整,中性点位于第5层土层中,中性点的深度约35 m。
(2)方案2:场地先平整到规划标高6.5 m(带状80 m宽),半年后施工桥梁桩基。
本方案由于先填土,待半年后再施工桩基,故地层的瞬时沉降及部分固结沉降已完成,剩余沉降为完成的部分固结沉降△Hc及次固结沉降△Hs,各土层的2两个沉降量会影响桩基的负摩阻的分布深度。
以同一钻孔资料为例,计算各土层半年后剩余沉降量。
剩余固结沉降量计算公式为:△Hc=(1-U)×St,式中U为固结度,根据时间因素Tv可查表求得:
时间因素Tv=Cv×t/H2,Cv为固结系数,由室内固结(压缩)实验确定;St为各土层的固结沉降,见表1。
本桥中,第3层粘土半年后剩余固结沉降量:根据实验资料Cv=8.4×10-7m2/s,Tc=Cv×t/H2=0.05,查表得:U=0.25,总沉降量St=0.065 cm,故剩余固结沉降△Hc=(1-0.25)×0.065=0.048 m,大于桩基沉降
S=0.0059 m。
可见第1、2、3层土层的沉降量大于桩基沉降量,这3层土层会产生负摩阻力。
第4层以下土层压缩量很小,桩基不会产生负摩阻力。
按此结论判断中性点位于第4层土层的层顶。
2.2 桩基负摩阻力计算
如前所述,影响负摩阻力的因素很多,所以精确计算负摩阻力是很困难的。
在地基与基础设计规范中未有明确规定,各参考文献中单桩负摩阻力计算主要有以下2种易于计算的公式:
f=qu/2 (1)
式中qu———无侧限抗压强度。
f=K×tgφ′×(p+r′×z-u) (2)
式中Ktgφ′———由土质条件决定,同时与桩型、沉桩方法、支承情况等因素有关,一般由实验确定,国内外有实验资料可供参考;
p———作用于地面的分布荷载;
r′———浮容重;
z———土层深度;
u———该深度处的孔隙水压力。
2.3 方案比较
方案1:根据以上负摩阻力计算公式及前述中性点位置,如采用此方案,为保证桩基承载能力,桩长比不考虑负摩阻须加长30 m。
同时由于各墩地质的差别,会造成桩基不均匀沉降量的增加,从而影响上部结构的使用;且桥梁造价增加很大,故可以否定此方案。
方案2:同理根据以上计算,如采用此方案,虽然比方案1桩基负摩阻深度短,但桩长仍比不考虑负摩阻须加长18 m。
采用此方案,需有足够的施工时间,同时工程造价也增多,经本工程业主综合考虑,此方案也被否定。
需要说明的是,地质勘探时,土层未作高压缩性实验,各土层压缩模量按经验取值,第4、第5层压缩模量取值可能偏大,如补充做一些土工试验,方案1和方案2桩基长度可能会继续加长。
最后通过与规划部门协调,采用了在桥下80 m宽度范围内不填土的方案,以避免负摩阻力对桥梁结构的影响。
由以上分析可知,在软土地基上修建桥梁时,如遇到桥下大面积堆载的情况,对负摩阻力的计算分析一定不能忽视,负摩阻力的大小甚至能够影响方案的取舍。
3 结论
(1)在桥下大面积堆载时,由堆载所引起的附加荷载不会随着土层深度的增加而减少;当地基软土层较厚时,会对桩基产生较大的负摩阻
力。
如在实际工作中被忽视或考虑不周,将会使桩基承载力严重不足,桩基产生较大的向下位移,从而影响上部结构的使用,甚至发生严重事故。
(2)在桥梁使用期内,当地基软土层较厚时,尤其是桥梁桩基按摩擦桩设计时,应控制桥下堆载,以避免对桩基产生较大的负摩阻力影响结构的使用。
(3)现有的《公路桥梁地基与基础设计规范》中,未对桩基负摩阻力的设计计算作出详细的规定,摩擦桩的设计安全系数统一定为2.0。
我们认为,由于桩身的弹性变形、桩端持力层的压缩变形会引起桩基一定沉降,中性点上移,导致负摩阻力小于理论最大值,因此桩基在负摩阻力作用的工况下,可考虑将设计安全系数适当降低,以节约工程造价。
(4)现有的工程地质勘查,一般进行100 KPa~400 KPa的压缩实验,绘制e-p曲线,求出压缩模量;而当软土层较厚时,由于自重应力已超出400KPa,导致无法得到下层土体较准确的压缩模量,无法计算土层的沉降量,而难以求出正负摩阻力的中性点。
因此,在此类情况下,在工程地质勘察时应注意进行原状土体的高压缩性实验。