结构设计中负摩擦力的计算
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。
浅析桩的负摩擦力
浅析桩的负摩擦力摘要：现在很多工程问题和事故跟桩的负摩擦力有关，因此桩的负摩擦力是工程中讨论的热点问题之一。
本文针对桩基负摩擦力的成因﹑中性点位置和负摩擦力计算及其消减等问题进行讨论与分析。
关键词：桩基负摩擦力成因中性点消减一、前言工程中通过桩基将上部荷载传给基土，因此基土对桩侧面有摩擦力及对桩端有端阻力。
桩土之间相对位移不同会产生不同方向的摩擦力。
当桩相对于土有向下的位移，则在桩上产生向上的摩擦力，即正摩擦力；当桩周围土相对于桩有向下的位移，则在桩侧产生向下的摩擦力，即负摩擦力。
我们知道，正摩擦力对桩有支撑作用，而负摩擦力将会降低桩基的承载力从而成为桩的附加荷载，因此负摩擦桩在工程中存在重大隐患。
二、负摩擦力产生的条件和影响因数（一）负摩擦力产生的条件由上知，当桩周围的土相对桩产生向下的位移时才产生负摩擦力，因此产生负摩擦力需要一定的条件。
发生负摩擦力的一般情况如下：1）桩穿过欠压密的软粘土或新填土，而支承于较坚硬的土层（硬粘性土﹑中密沙土砾石层或岩层）时；2）桩侧软土地面因大面积堆载而下沉；3）抽排地下水，使土体有效应力增大，从而引起桩周围土下沉时；4）高度敏感的粘土层，由于打桩使之发生触变效应；5）自重湿陷性黄土下沉和冻土融化下沉；6）在采用压桩法沉桩的桩基中，由于桩身上段在压力解除后会产生向上的回弹，将使桩侧产生负摩擦力；7）设在膨胀土地基中的桩，由于周期性季节气候变化使土产生胀缩变形；8）下桩基建成后，由于河床的大量冲刷和随后的大量沉淀淤积，形成欠固结的淤泥回淤在桩的周围，该淤泥层将随时间而固结沉降，从而将会产生一定的负摩擦力。
（二）负摩擦力的影响因数影响桩侧负摩擦力的因素很多，桩周围土层的性质和桩基沉降及地面沉降的大小﹑沉降速度﹑稳定性等都对负摩擦力大小有影响。
其中，土层的抗减强度越高，负摩擦力极限值越大；土层厚度越厚，负摩擦力越大；土层的压缩性越大，沉降速度越快，负摩擦力越大。
此外，桩基类型对负摩擦力影响也很大。
桩基负摩阻力计算
桩基负摩阻力计算桩基负摩阻力是指在桩基施工过程中，桩基锚固深度以下的土层与桩基之间产生的负摩阻力。
它是桩基在受到荷载时所能产生的抗拔能力的重要指标之一。
正确计算桩基负摩阻力对于保证桩基的安全和稳定至关重要。
桩基负摩阻力的计算是基于摩擦作用和有效应力理论的。
摩擦作用是指土体颗粒间由于相互接触而产生的抗拔力，它与土体密实程度、土壤类型、桩身形状等因素相关。
有效应力理论是指土体中由于土层破坏或变形而引起的有效应力改变，有效应力的变化会影响负摩阻力的大小。
在计算桩基负摩阻力时，需要确定以下几个关键因素：1.土壤特性：土壤的类型、孔隙比、含水量等会影响负摩阻力的大小。
通常可以通过现场土壤取样和实验室试验来获取土壤特性参数。
2.桩身形状：桩的形状、直径、长度等都会对负摩阻力的计算产生影响。
不同形状的桩会受到不同的桩土侧阻力分布。
3.荷载：荷载的大小和施加方式都会对负摩阻力的计算产生影响。
一般情况下，负摩阻力随着施加荷载的增大而增大。
计算桩基负摩阻力的常用方法包括摩擦桩法和剪切桩法。
摩擦桩法是指土体与桩体之间通过摩擦力传递荷载，桩基负摩阻力的大小与侧面土壤的负摩阻力成正比。
剪切桩法是指通过土壤与桩体之间的剪切破坏形成负摩阻力，桩基负摩阻力的大小与土壤的剪切强度参数相关。
计算桩基负摩阻力的步骤如下：1.确定桩的直径和长度，以及桩基的锚固深度。
2.根据现场土壤取样和实验室试验结果，确定土壤特性参数，如饱和黏聚力、内摩擦角、重度等。
3.根据桩身形状和荷载大小，选择适当的计算方法，如摩擦桩法或剪切桩法。
4.进行负摩阻力的计算，根据土壤特性参数和桩身形状，采用相关公式或曲线来计算负摩阻力的大小。
5.验证计算结果的合理性，进行桩基负摩阻力的安全检查，确保其能够满足工程要求。
需要注意的是，桩基负摩阻力的计算是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
为了保证计算结果的准确性，建议在计算过程中进行合理的取样和试验，尽可能考虑实际情况中的各种因素。
第5章 桩基工程-5-傅旭东
沉降（cm）
15
桩的沉降先于土层固结完成的时间：qn达到 峰值就稳定不变，如端承桩 桩的沉降迟于土层固结完成的时间：qn达到 峰值后又↓，桩端土蠕变性强的就出现该特征
深度（m）
qn的产生和发展与桩身沉降S2+S3完成的t有关
打桩后124d 20 打桩后490d 打桩后672d 桩的沉降 桩周土沉降 40
中性点深度ln 持力层性质 中性点深度比ln/l 黏性土、粉土 0.5~0.6 中密以上砂土 0.7~0.8 卵石、砾石 0.9 基岩 1.0
ln n l
Negative
注： 1．ln、l－分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软弱土层下限深度 2．桩穿过自重湿陷性黄土层时，可按表列值增大10％（持力层为基岩除外） 3．当桩周土层固结与桩基固结沉降同时完成时，取ln＝0 4．当桩周土层计算沉降量小于20mm时，应按表列值乘以0.4~0.8折减
30
中性点位置存在时间效应：中性点位置逐渐降低，ln逐渐↑ 轴力和下拉荷载，随桩周土固结不断增加 上图为砂卵石持力层中，桩周土为自重湿陷性黄土在湿陷过程中：qn和ln逐渐增长 对于摩擦桩：上述特征仍明显
§5.3 负摩擦力及下拉荷载
0 0 5 10
深度（m）
3、负摩擦阻力qnsi的时间效应
300 轴向力（t） 应力（kg/m2）
100 500 1000
200 1500
0
0 5 10
qn（kPa）
15
按qu/2算得
15 20 25 30 65.11 65.04 35 40
20 25
30 35 40 64.06 64.11
67.03
N(z)~t变化过程
地基处理桩基沉降、负摩阻力、水平承载力
0.002l0 0.007l0 0.005l0
府 溶 咋 托
根
单层排架结构（柱距为6m）柱基的沉降量（mm） 120
橡 蟹
弦
适
地
基
处
理
桩
基
4.4.1 单桩沉降的计算
在竖向荷载作用下单桩沉降由三部分组成： （1）桩身弹性压缩引起的桩顶沉降； （2）桩侧阻力引起的桩周土中的附加应力以压力
扩散角，致使桩端下土体压缩而产生的桩端沉降； （3）桩端荷载引起桩端下土体压缩所产生的桩端
N0影响很小可忽略不计， P（Z）= kxxb0 =mzxb0。上式变为：
N0 H0
M0
x
承台底面
EId4x5zx0
z
dz4
其中： 5 mb1 为桩的水平变1形 /m ） 系。 数（
EI
下醚牙侨母付切各秧依秦蒸 克眷缨逸索抄捉瑞惮炼末坯 抗荧邦映临蹬蛛攀地基处理 桩基沉降、负摩阻力、水平 承载力地基处理桩基沉降、 负摩阻力、水平承载力
③ “m”法：假定地基系数Kx随深度成正比例地增长．目前我国应用较多， Kx =mz。
H0
x
t
Kx=mz
（c）”m”法
突全两颧蚤括模团护镇买 盲间足紧稀糟辈畦辐艘名 肮翰郧顺薄因献襄今亭地 基处理桩基沉降、负摩阻 力、水平承载力地基处理 桩基沉降、负摩阻力、水 平承载力
④ “c值”法：假定地基系数Kh随着深度成抛物线规律增加，即Kh =cz1/2 ，c为常数，随土类不同而异。在 我国多用于公路交通部门。
赶绪咸橱称剂湘绷零扛叫璃台 咏鸥疆容杯丘凝枣晋沈之筏峰 脑倾辩搞齐款地基处理桩基沉 降、负摩阻力、水平承载力地 基处理桩基沉降、负摩阻力、 水平承载力
换 算 深 度 h 和 最 大 弯 矩 系 数 C M （3）桩身最大弯矩及位置
浅述桥梁桩基负摩阻力的计算
其中 ， 为第 ｉ 层土体 的负摩 擦力 ，Ｐ ； 为第 ｉ 土体 的 ｋ ａｈ 层
厚 度 ， 为桩 长 ， ｍ； ｍ。
态 。一般说来 ， 桩侧 土与桩 的粘着力 和桩表面负摩 阻力 的大小取 决于土的抗剪 强度。桩 的负摩阻力 虽有 时效 ， 出于 安全考 虑 ， 但 设计 中可取其最大值 。
量的影响 。负摩 阻力 的强度则与基桩沉 降及桩侧 土压 缩沉降 、 沉 降速率 、 稳定历时等 因素有关 ， 且它 随时 间的变化 和分 布也 比较 复杂 。为确定 负摩 阻力强度大小 ， 应研究产生 负摩 阻力 时桩一 土
相互作用的特点 、 沿桩 身土 体 的抗剪 强度 特征 及 桩侧 的应 力状
一
项极其重要 的因素 ， 尤其是在 软土地区。本文 围绕桥梁桩 基负 载越大 ， 中性点位置越深 。
摩阻力 的产生机理 、 算方 法及防 治措施 等开展研 究 ， 出了若 ２ ３ 负摩 阻力强度 的计 算 计 提 ． 干建议 ， 供设计参考 。 工程实践中 ， 主要采用如下三种方法来 计算 负摩擦力 ：
第３ ６卷 第 ｌ ０期 ２０ １０ 年 ４ 月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ］ 兀 瓜 Ｅ １
Ｖｌ． ６ Ｎｏ． ０ ０ ３ １ １
Ａ ｒ ２ １ ｐ． ０ ０
・７ ・ ５
文章 编 号 ：０ ９６ ２ ｛０ ０ １—０ ５０ １０ —８ ５２ １ ）００ ７ —２
土体类 别 新填土和砂（ ｒ ．） Ｄ ≤Ｏ ２ 粉质砂（ ≤Ｏ ２ ， Ｄｒ ． ）砂质粉 土（ 屯≥０ ７ ） ．５
黏土质砂 （ ｒ ． ）砂质黏土（ Ｄ ≤Ｏ２ ， 也≥０ ７ ） ． ５
２ ２ 中性 点的位 置 ．
井壁负摩擦力的研究
井壁表面产生的副摩擦力并不是发生在整个软弱压缩土层和整个井壁上，其深度就是井壁侧土层对井壁产生相对下沉的范围，它与井壁侧土的压缩、固结、井壁弹性压缩变形及井壁下沉等因素有关。
井壁侧土的压缩与地表作用荷载及土的压缩性质有关，并随深度逐渐减少，而井壁在外荷载作用下，井壁的下沉量为一个定值，井壁压缩变形随深度相应减少，因此当到一定深度后，井壁侧土的下沉量有可能与井壁的位移量相等，井壁土无相对位移，摩擦力等于零，该断面称之为中性点。
中性点是摩擦力变化、井壁土相对位移变化和轴向压力沿着、井壁变化的特征点。
中性点以上的井壁位移小于井壁侧土的位移，轴向应力随深度递增；中性点以下的井壁的位移大于井壁侧土的位移，轴向深度随深度递减。
中性点位置决定井壁的最大荷载，是承受负摩擦力井壁最基本的一个特性。
由上述论述可以知道中性点有三个特征：所在断面处井壁土位移相等、摩擦力为零、轴力最大。
图 2-1 立井的负摩擦力中性点示意图Sg ——地表沉降量 Sp ——井壁沉降量 l0——压缩土层厚度ln ——中性点深度 Sc ——井壁顶沉降量 Qz ——井壁轴力中性点确定时，原则上应根据井壁土相对沉降量为零的条件确定，但实际应用时，准确的计算井壁土相对沉降量比较困难，一般根据有关经验公式确定：h 1=βh 2 （2-1）式中：h1——产生负摩擦力的深度（m ）h2——可压缩层的厚度（m ），对于新填土取填土厚度，填土下有软弱下卧层时，算至软弱卧层底面；β——中性点的相对深度系数，根据井壁持力层特点和井壁的施工方法，对摩擦井壁建议β=0.7~0.8。
Sp工程设计中还采用以下方法确定中性点的位置。
如图2-2计算模型，为计算方便对算例作如下假定： （1）假定井壁负摩擦力均匀分布； （2）对于分层地基，假定在同一 土层内的负摩擦力是均匀分布的， 在本例中假定地基只有一种土层； （3）假定作用于井壁周单位面积 上的负摩擦力和正摩擦力在数值上 相等，方向相反。
负摩阻力计算实例
负摩阻力计算实例本建筑场地为自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为Ⅱ级（中等），依椐JGJ94-2008规范第5.4.2条规定，在计算基桩承载力时应计入桩侧负摩阻力。
首先，根据场地地质情况（以3#井处的地层为例）确定压缩4.2 桩基4.2.1 桩基类型及桩端持力层的选择依据勘察结果分析, 本建筑场地为自重湿陷性黄土场地，（自重湿陷量的计算值为120.5-151.6mm）湿陷等级为Ⅱ级（中等），湿陷性土层为②、③、④、⑤层，湿陷土层厚度为10-15m，湿陷最大深度17m（3#井）。
可采用钻孔灌注桩基础，第⑦层黄土状粉土属中密-密实状态，具低-中压缩性，不具湿陷性，平均层厚4.0m，可做为桩端持力层。
4.2.2 桩基参数的确定根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）、《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）、《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）中的有关规定，结合地区经验，饱和状态下的桩侧阻力特征值qsia（或极限侧阻力标准值qsik）、桩端阻力特征值qpa（或极限端阻力标准值qpk¬）建议采用下列估算值：土层编号土层名称土的状态桩侧阻力特征值qsia(kPa) 极限侧阻力标准值qsik(kPa) 桩端阻力特征值qpa(kPa) 极限端阻力标准值qpk(kPa)②黄土状粉土稍密 11 23③黄土状粉土稍密 12 24④黄土状粉土稍密 12 24⑤黄土状粉土稍密 13 26⑥黄土状粉土中密 18 36⑦黄土状粉土中密183****1000⑧黄土状粉土中密 20 40 600 12004.2.3 单桩承载力的估算依据JGJ94-2008规范，参照《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002第8.5.5条，单桩竖向承载力特征值可按下式估算：Ra=qpaAp+up∑qsiaLi式中：Ra——单桩竖向承载力特征值；qpa 、qsia——桩端端阻力、桩侧阻力特征值；Ap——桩底端横截面面积= πd2（圆桩）；up——桩身周边长度=πd；Li——第i层岩土的厚度；以3#孔处的地层为例，桩身直径取600mm，以第⑦层黄土状粉土做为桩端持力层，桩入土深度24.0m（桩端进入持力层的深度对于粘性土、粉土应不小于1.5d）。