桩侧负摩阻力

桩侧负摩阻力

摘要：基桩负摩阻力是桩基础设计中必须考虑的重要问题之一。本文介绍了有关负摩阻力的一些基本概念、其影响因素、计算等。简要介绍了桩基负摩阻力问题的研究现状, 分析了当前负摩阻力研究中存在的问题, 对今后桩基负摩阻力的研究方向提出建议。

关键词：桩基负摩阻力时间效应防治研究问题

引言

自20世纪20年代以来，国外对桩基负摩阻力开展了大量的研究工作，国内对负摩阻力的研究起步稍晚。但至今国际上对负摩阻力的研究尚不深入，许多问题尚待解决。

理论研究方面：比较经典的是有效应力计算负摩阻力方法，但计算结果往往偏大。1969 年Polous 提出了基于Mindlin解的镜像法计算桩的负摩阻力大小，但该方法仅用于端承桩。1972 年在上述基础上并根据太沙基一维固结理论，导出了单桩负摩阻力随时间变化的关系。影响负摩阻力的因素很多，精确确定负摩阻力难度很大，因此很多学者从有效应力法出发，提出经验公式。目前多根据有关资料按经验公式进行估算。

原位测试方面：李光煜利用滑动测微计成功地量测了一根钢管桩的负摩阻力，并用有效应力法进行了一些探讨。陈福全、龚晓南等通过现场试验，给出了中性点的深度。随着计算机的发展，利用有限元计算桩基负摩阻力已经逐渐运用

到工程设计中。但是有限元的计算需要确定大量的参数，且参数不容易确定，同时需要占用较大的计算空间，因此在工程中很难得到广泛应用。

1. 负摩阻力及其成因

桩基础中，如果土给桩体提供向上的摩擦力就称为正摩阻力，有利于桩承载；反之，则为负摩阻力，不利于桩承载。桩侧负摩阻力产生的根本原因是，桩周土的沉降大于桩体的沉降。桩土的相对位移(或者相对位移趋势)是形成摩擦力的原因，地基土沉降过大，桩和土相对位移过大地基土将对桩产生向下的摩擦力拉力，使原来稳定的地基变得不稳定，实际荷载可能超过原来建议的地基承载力。

一般可能由以下原因或组合造成：

a. 固结的新近回填土地基；

b. 地面超载；

c. 打桩后孔隙水压力消散引起的固结沉降；

d. 地下水位降低，有效应力增加引起土层下沉；

e. 非饱和填土因浸水而湿陷；可压缩性土经受持续荷载，引起地基土沉降；

桩周负摩阻力非但不能为承担上部荷载作出贡献，反而要产生作用于桩侧的下拉力，而造成桩端地基的屈服或破坏、桩身破坏、结构物不均匀沉降等影响。因此，考虑桩侧负摩阻力对桩基础的作用是桩基础设计必不可少的问题之一。

2、负摩阻力的时间效应及其大小的影响因素

负摩阻力的发生和发展需要经历一个很缓慢的时间过程，即具有时间效应。大量工程实测结果表明，负摩阻力引起的基桩沉降在工后很长时间以内仍然持续发展，这将不利于建筑物的正常使用。

实际上，桩侧摩阻力随时间增长的过程总是伴随着超孔隙水压力消散的过程。出孔隙水压力最初阶段消散迅速，以后消散速度逐渐减慢，并持续较长时间。孔隙水压力消散过程比较复杂，孔隙水水压力的消散速度不仅与土的渗透系数和土的均匀程度有关，还和打桩区的边界条件有关。超孔隙水压力消散的过程是桩侧摩阻力随时间增长的过程，越来越多的实测资料表明这一过程是真实存在的，且具有一定的规律。

桩周土的特性当然是首当其冲的，其次桩端土特性也不可忽视( 因为其之间影响着中性点的位置问题)，桩体的形状、桩土模量比等都有影响。

3、桩侧负摩阻力的确定

当考虑桩侧负摩阻力影响时，桩基计算的首要问题是桩侧负摩阻力的确定及中性点位置的确定，然后对桩基承载力进行验算。

中性点——桩侧负摩阻力并不一定发生于整个软弱压缩土层中。桩周土的压缩与地表作用荷载及土的压缩性质有关，并随深度逐渐减小；而桩在外荷载作用下，桩底的下沉量为一定值，桩身压缩变形随深度相应减小。在特定的桩断面上，该深度以上土的下沉量大于桩的下沉量，则该断面以上的桩受负摩阻力；该深度以下土的下沉量小于桩的下沉量，则该断面以下的桩受正摩阻力；该点就是桩土位移相等、摩阻力为0的临界点，

则该断面的轴向力最大，称为中性点。中性点是摩阻力、桩、土相对位移和轴向压力沿桩身变化的特征点。中性点以上桩的位移小于桩侧土的位移，中性点以下桩的位移大于桩侧土的位移。因此，中性点是桩、土、位移相等的断面，中性点以上轴向压力随深度递增，中性点以下轴向压力随深度递减。负摩阻力计算一般仅考虑中性点以上部分。

3.1 单桩负摩阻力计算

负摩阻力的大小一般与桩周土层的性质，桩土之间的相对沉降，沉降的持续时间等有关，在计算过程中要考虑各种因素是不可能的，一般只简化地计算出负摩阻力的最大值。实际应用中，要根据具体情况进行分析和处理。根据现行桩基规范及有关规范、规程、资料，桩侧负摩力的计算方法有以下几种。

（1）有效应力法

单桩负摩阻力标准值按下式计算

当降低地下水位时：

当地面有均平荷载时：

表1 负摩阻力系数表

（2）标准贯入试验法

对于砂类土：

'/51n si q N =+

对于粘性土：

'/21n si q N =+

式中： N ’ ——桩周第i 层土经钻杆长度修正的平均标准贯入试验击数。

（3）无侧限抗压强度，不排水抗剪强度试验法

此法一般局限于粘性土

式中： q ui ——桩周第i 层土的无侧限抗压强度室内试验值；

C ui ——桩周第i 层土的不排水抗剪强度。

（4）经验值法

由于桩的负摩阻力的影响因素较大，确定较为复杂，同一场地条件，不同的方法得出的数值往往相差较大，实际工作中，可采用经验值法，见表2。

表2 负摩阻力标准值

3.2 群桩负摩阻力计算

和承受正摩擦力的群桩一样，承受负摩擦力的群桩也具有特殊的群桩效应。群桩中

平均每根桩负摩阻力比单根桩小，群桩中作用于边桩和角桩的负摩阻力大于中心桩上的负摩阻力，这就是负摩阻力的群桩效应。由于群桩—土体—承台的复杂的共同作用，使得中间桩桩土相对位移减少，从而使内部桩段上的负摩阻力大大减弱甚至消除，导致桩体的中性点上移，降低了群桩的总体负摩阻力。

以往的研究主要是借鉴承受正摩阻力群桩的做法而引入一个负摩阻力群桩效应系数η，而截至目前，国内外对承受正摩阻力的群桩效应问题还没有完全解决，再加上近年来大直径超长桩及超大规模群桩基础的出现，对承受正、负摩阻力的群桩的研究均提出了新的更高的要求和挑战。借鉴群桩效应系数的优点，通过对比室内单、群桩模型负摩阻力试验结果，通过数值计算方法进行复杂群桩的负摩阻力分布的研究。

4、负摩阻力对桩基的影响及防治措施

负摩阻力对于桩基性能的不利影响可以概括为三个方面：

a. 负摩阻力的存在造成桩侧正摩阻力减小，负摩阻力更是对桩身施加的附加荷载，从而引起桩基实际荷载的增加和有效承载力的降低；

b. 负摩阻力的出现大大地减少了桩侧土体提供的荷载抗力，使桩的承载力依靠中性点以下桩侧和桩端土体来提供，使得桩端土体沉降的增加而造成桩基沉降的增加；

c. 负摩阻力形成了对桩基的附加荷载，造成桩身轴力的增大并使得桩身最大轴力不出现在桩顶，而是出现在中性点处，从而降低了桩身强度安全度。对于摩擦桩，应着重考虑对基础沉降敏感的上部结构的不利影响；对端承桩，由于中性点在桩端底部，应着重考虑负摩阻力对桩身强度的不利影响。

可见，在工程中因为负摩阻力的存在一般都是有害的, 因此在工程实践中大家都希望能尽量降低负摩阻力。根据理论研究和实际应用, 减少桩基负摩阻力的措施可归纳为以下几种:

a. 涂层法。若是预制打入桩, 打桩前在中性点以上桩身涂1 mm 厚的沥青等能降低摩阻力的涂料或采用薄膜隔离层工艺, 降低桩表面的负摩阻力; 目前这种方法应用比较普遍，效果也不错；

b. 桩套管保护法。在中性点以上桩段的外面, 套上一段直径大于桩径的套管, 隔离负摩阻力, 此法需很多钢材, 会较大增加工程投资;这种方法会使施工难度加大；

c. 采用预钻孔法, 此方法是打入桩之前先钻孔, 其直径比桩径略大, 深度达到中性

点, 而在中性点以下用打入或其它常规方法施工以保证桩的正摩阻力, 中性点以上则用膨润土泥浆填充, 从而消减负摩阻力;

d. 软基加固法。为了消减桩基负摩阻力, 在基桩施工之前, 先对软土地基地段进行加固处理, 如进行预压、强夯、挤密, 甚至复合地基加固, 使之有效地加速地基固结, 降低浅层地基土的可压缩性, 从而达到消减负摩阻力的效果;

e. 分时段施工法。该法可以缓解负摩阻力的作用;

f. 支承桩柱法。尽量减少穿过产生负摩阻力区域的桩侧面积, 在可能的情况下采用细长桩, 而在桩端采用扩大桩头来提高端承能力, 这只适合于端承桩。

诚然, 在实际工程中, 应根据不同的工程情况, 选用相应的措施消减负摩阻力。

5、负摩阻力影响的桩基设计原则

《建筑桩基技术规范》JGJ94-94 中规定，对可能出现负摩阻力的桩基，宜按下列原则设计：

a. 对于填土建筑场地，先填土并保证填土的密实度，待填土地面沉降基本稳定后成桩；

b. 对于地面大面积堆载的建筑物，采取预压等处理措施，减少堆载引起的地面沉降；

c. 对位于中性点以上的桩身进行处理，以减少负摩阻力；中性点在桩身某一深度处的桩土位移量相等，该处称为中性点。中性点是正、负摩阻力的分界点。

d. 对于自重湿陷性黄土地基，采用强夯、挤密土桩等，先行处理，消除上部或全部土层的自重湿陷性；

e. 采用其他有效合理的措施。

地基问题是很复杂的，而理论研究往往又与工程实践相距甚远。所以要依据理论，但不要完全依赖于理论，对具体工程作具体分析。例如上面提到的负摩阻力的产生，从理论上来说是对的，但要在工程实践中具体介定却很困难，估算可以作为参考，但不要作为定论。又如采用隔离的方法，故然可以避开负摩阻力，但有用的正摩阻力也被“避开”了。如果采用套筒，桩周又失去了侧限，反而不利。

6.需研究的问题

结构性软土损伤对桩负摩阻力影响研究——从广义上讲，土都具有结构性。不同的

学者对黏性土的结构性研究表明：结构性强的原状黏性土具有明显的结构屈服压力Ps，且Ps均大于上覆有效压力。沈珠江(1998)、龚晓南(2000)等的研究表明：当黏性土的结构性被破坏即损伤后，其强度性质及固结系数均发生急剧降低，最后与重塑土的性质相同。因此结构性强的软土损伤将对地基沉降产生影响，进而直接影响桩土的相对位移，故对桩侧表面负摩阻力将产生根本性影响。可重点分析软土结构性破坏后对土体的力学及变形指标主要是土体压缩模量、内聚力、内摩擦角以及土体固结系数等的影响，从参数敏感性分析角度来研究软土结构性损伤对桩负摩阻力的影响。

水平荷载对负摩阻力的影响研究——建在软土地基上的高速公路桥涵工程以及港口高填土高桩码头中，桩基在承受下拉荷载的同时往往还要承受桩侧填土或者波浪力等产生的水平推力作用，以前的研究多集中于竖向荷载作用对桩基水平承载力的影响或者仅仅在竖向荷载作用下来讨论负摩阻力问题，而关于水平荷载对负摩阻力及下拉荷载影响的研究目前还未见有相关文献。可从水平荷载对桩土竖向变形及对桩侧摩阻力两方面的影响来着手研究。

负摩阻力的施工效应分析——施工因素将使得负摩阻力的产生与变化以及负摩阻力荷载和上部结构荷载的组合过程变得复杂。例如，打入桩基的负摩阻力及其对桩基沉降的影响，不仅涉及到桩与桩基几何尺寸、桩周土类型与渗透性，还涉及到群桩和上部结构施工等因素。对负摩阻力的施工效应仍需大力研究，目前仍以数值计算方法为主。[袁灯平. 软土地基桩侧表面负摩阻力的确定方法研究. 徐州，中国矿业大学，2002]利用三维有限元分析模型，分析了填土堆载作用下桩侧表面负摩阻力随上部结构施工过程的动态变化规律结果表明负摩阻力产生的下拉荷载随施工过程呈非线性变化软土流变效应对负摩阻力的影响研究——流变性实际上包含蠕变、黏滞、松弛、长期强度等方面，其主要的工程表现为变形的长期性，软土因具有大孔隙比、高含水量、高压缩性等特点，其流变性将更加明显]。若在设计中对软土的流变性认识识不足，则对软土地基中的各类建(构)筑物可能产生的下拉荷载预估不充分，必将导致一些工程隐患。利用合适的流变模型来计算桩、土体沉降量，进而确定桩基中性点深度，并通过负摩阻力与桩土相对位移的关系等最终确定下拉荷载的大小。

结论

目前，学术界对负摩阻力的研究已取得很多的进展。诸如桩侧负摩阻力的成因、其

影响因素，及它的计算方法等问题，根据这些研究成果，人们对负摩阻力有了进一步的认识，进而提出了很多消除其影响的措施。尽管如此，基于上述分析及实际工程中遇到的问题，有关负摩阻力尚有很多需要进一步研究的问题。

参考文献：

[1] 张忠苗主编桩基工程. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 孔纲强，杨庆，郑鹏一，栾茂田. 考虑时间效应的群桩负摩阻力模型试验研究. 岩土

工程学报.2009

[3] 李青峰. 关于桩侧负摩阻力的研究. 山西建筑.2010