软土地区桩基础负摩阻力计算

［ 中图分类号］ ＴＵ７５３．３
［ 文献标识码］ Ａ ［ 文章编号］ １００７－ ７７２３（ ２００８） ０６－ ０１６１－ ０００３
一、引 言
在通常的桩基中， 桩的承载力是由桩身周围 土的摩阻力和桩端阻力共同组成的， 其中桩侧土 的摩阻力依据其对桩身的作用方向， 又可分为正 摩阻力和负摩阻力两种。当桩在外荷载作用下， 桩 相对于土体产生向下的位移时， 土表现为对桩体 的支承作用， 土对桩产生正的摩阻力； 反之， 产生 负的摩阻力。负摩阻力的产生增加了桩身负荷。负 摩阻力产生的基本原理可见图 １。
二、影响中性点位置的因素及中性点位 置的确定
在负摩阻力的计算中要考虑到中性点。所谓 中性点是指某一特定深度的桩断面， 在该断面以 上， 桩周土的下沉量大于桩， 桩承受负摩阻力； 在 该断面以下， 桩的下沉量大于桩周土， 桩承受正摩 阻力。因此， 该点就是正负摩阻力的分界点， 在该 断面， 桩土位移相等、摩阻力为零、桩身轴力最大。
７． 保护桩法： 即在桩群外设置保护性隔离桩。 这些桩支承于坚硬的地层， 但与基础脱离。当地基 土由于填土或堆载而下沉时， 首当其冲的保护桩 就充当了“ 隔 离 ”沉 降 和“ 抵 抗 ”负 摩 阻 力 的 作 用 。 这样一来， 处于内部的桩群所受的负摩阻力就很 小了， 工程实践表明该方法很有效。
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根据这三个特点便可判断中性点的位置。 （ 一） 影响中性点位置的因素主要有 １． 桩端持力层土的刚度： 持力层越硬， 中性点
越深； ２． 桩周土的压缩性和应力历史： 桩周土越软、
欠固结度越高、湿陷性越强、相对于桩的沉降越 大 ， 则中 性点 越 深 ； 而 且 ， 在 桩 、土 沉 降 稳 定 之 前 ， 中性点的深度 也是变动着的。
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二、计算实例
目前， 我国特高压输电线路已在研究筹建中， 对特高压输电线路绕击耐雷性能的评估成为亟待 解决的问题。在本文的算例中， 线路地线平均高度 为 ６１．８ｍ， 导 线 平 均 高 度 为 ２５．２ｍ， 保 护 角 为 ３０°， 为 ４８４７ｋＶ， 工作电压幅值为 ８９８ｋＶ。表 １ 列出了不同地面倾斜角下绕击跳闸率的大小。
［ 参考文献］ ［ １］ 肖俊华，袁聚云，亓兴军．有效应力迭代算法计算桩基负摩
擦力［ Ｊ］ ．山东建筑大学学报，２００６（， １０） ． ［ ２］ 公路桥涵地基与基础设计规范（ ＪＴＧ Ｄ６３－ ２００７）［ Ｓ］ ． ［ ３］ Ｊｏｈａｎｎｅｓｓｅｎ Ｉ．Ｊ．ａｎｄ Ｂｊｅｒｒｕｍ Ｌ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍ－
从表 １ 可知， 绕击跳闸率随着地面倾斜角的 增大而急剧增大， 当地面倾斜角增至 ３０°时， 绕击
跳闸率已达到 ４．０８５， 因此， 在山区必须采取相应的 措施来减小绕击跳闸率。
架设旁路地线是增强屏蔽能力减小绕击跳闸 率的有效手段。
［ 参考文献］ ［ １］ 解 广 润 ． 电 力 系 统 过 电 压［ Ｍ］ ． 北 京 ：水 利 电 力 出 版 社 ，
隙水消散， 隆起的土体逐渐固结下沉， 若桩尖持力 层较硬， 会引起负摩阻力；
５． 水下桩基建成后， 由于河床的大量冲刷和 随后的大量沉淀淤积， 形成欠固结的淤泥层回淤 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阻力；
６． 自重湿陷性黄土浸水下沉和冻土融化下沉 时。
一些设计人员认为， 桩的负摩阻力的影响仅仅 是一个沉降的问题， 而不是一个破坏的问题， 因而 忽视了它的影响。事实上， 桩基负摩阻力的影响不 仅仅是一个沉降的问题。对于具有负摩阻力的群 桩来说， 由负摩阻力导致的桩基不均匀沉降在上 部结构中产生次应力， 可能造成上部结构的破坏； 对于端承桩来说， 有可能使桩端产生压屈破坏。 《公路桥涵地基与基础设计规范》（ ＪＴＧ Ｄ６３－ ２００７） 中 ５．３．２ 条 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， 但未对桩的负摩 阻力的计算提出具体的计算方法。本文介绍桩基 负摩阻力中性点的确定方法及国内外几种计算桩 基负摩阻力的方法， 为有关规范中关于负摩阻力 的指导性建议提供简单而实用的计算思路。
３． 地面堆载： 堆 载越重、堆载 面积越大 ， 则 中 性点越深。
４． 降水幅度： 桩周土中地下水下降的幅度和 范围越大， 则中性点越深。
（ 二） 中性点位置的确定的实测方法 １． 通过量测桩各截面及可压缩土层在深度方 向的位移或沉降， 做出不同时间的桩土竖向位移 图 ， 图 中 桩 土 位 移 相 等 、位 移 曲 线 相 交 处 的 深 度 ， 即为中性点深度 。 ２． 通过埋设在桩身内的应力计， 量测桩身不 同深度处各截面的应力， 计算并绘出桩的轴向力 随其深度的变化曲线， 则桩身最大轴力处即为中 性点深度。 ３． 通过量测和计算， 得出桩的负摩擦力分布 曲线。桩侧摩擦力由负变正的转折点， 即为中性点 的位置。 中性点位置的确定的实测方法虽然可以得到 精确解， 但是该方法实际操作起来过于复杂， 只适 用于大型复杂工程， 对于中小型工程不够经济。根 据国内外相关实验的数据可以得出中性点的估算 方法， 对工程实践提供参考。 日本远藤等人对穿过深厚粉质黏土及粉土冲 击 层 的 四 根 钢 管 桩 进 行 的 实 测 （包 括 开 口 桩 和 闭 口 桩）表明， 在该土质条件下， 中性点深度都在（０．７３～ ０．７８） （ 为 桩 在 固 结 土 层 内 的 长 度）的 狭 小 范 围 内。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。例如上海宝钢某工 程， 根据实测地基沉降推算 ７１ｍ 长桩， 当荷载由 ２．７ｔ／ｍ２ 增值为 ８ｔ／ｍ２ 时， 中性点深度将由 － １６ｍ 变 为 － ６０ｍ， 即相当于（０．２２～０．８５） 。国内曾对 穿过 自重湿陷性黄土而落于非湿陷性土层的、长 １０ｍ 的人工挖土灌注桩进行浸水试验 ， 测得浸水 ４０ 天 时 中 性 点 深 度 为 （０．７４ ～０．９） ； ４６ 天 后 稳 定 于 ０．９ ； 而支撑于不可压缩土层（如基岩或密实卵石 层）时， ＝ 。软土中的端承桩试验也表明， ｌｎ＝ 即不 存在中性点。 由此可用下式估算中性点的深度： １６２
除了现场试验测定方法外， 国内外的学者提出 了多种负摩阻力的估算方法。下面重点介绍两种 在工程实践中取得良好效果的计算方法：
（ 一） 齐瓦特公式
齐瓦特假定桩为刚体， 桩端土为刚性层， 负摩 阻力是上覆荷载的函数且按静止土压力分布， 并 认为作用于桩上的负摩阻力（ 下拉力） 等于周围土 中竖向应力的减小值。 式中：
建议， 对正常固结黏土可取
（ 为静止土
压力系数） 。系数
主要由土质条件决定， 同时
与 桩 的 类 型 、沉 桩 方 法 、支 撑 情 况 等 因 素 有 关 ， 对桩基承载力产生的诸多不利
影响， 桩基设计中必须结合实际加以考虑， 并在工
程实践中采取一些行之有效的方法加以减小。
２００８ 年第 ０６ 期 （总第 ９７ 期）
沿海企业与科技 ＣＯＡＳＴＡＬ ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥＳ ＡＮＤ ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
ＮＯ．０６，２００８ （Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ ＮＯ．９７）
软土地区桩基础负摩阻力计算
张思瑜， 陈 明
［ 摘 要］ 文章通过对多个文献的归纳、推演， 就桩基负摩阻力的成因、机理及其发展进行分析， 并提供国内外几种常
１９８５．
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用桩基负摩阻力的计算方法， 提出在设计存在负摩阻力单桩时应注意的问题和改善措施。
［ 关键词］ 软土； 桩基； 负摩阻力； 计算
［ 作者简介］ 张思瑜， 广西城乡规划设计院助理工程师， 研究方向： 桥梁设计， 广西 南宁， ５３００２２； 陈 明 ， 广 西 大 学 土
木工程学院 ２００６ 级硕士研究生， 助理工程师， 广西 南宁， ５３０００４
— ——Ｚ 深度处作用于单桩的向下拉力； — ——群桩中一根桩所分担的沉降土 柱的截 面积（ｍ２）； — ——Ｚ 深 度 处 地 基 中 初 始 有 效 竖 向 应 力 （ｔ／ｍ２）；
— ——沉桩后负摩阻力充分发挥作用时， Ｚ 深 度处地基中的有效竖向应力（ｔ／ｍ２）。
（ 二） 有效应力法（ Ｂｊｅ ｒｒｕｍ 公式） Ｂｊｅｒｒｕｍ 根据试验得到的经验关系， 建议按下 式计算单位负摩阴力：
目前， 减少桩基负摩阻力的措施一般有以下
几种：
１． 支承桩柱法： 该法通过增大桩柱断面来承
受负摩阻力；
２． 群桩法： 该法通过增加桩数来体现群桩效
应， 以减小负摩阻力；
３． 涂层法： 若是预制打入桩， 打桩前在中性点
以上桩身涂 １ｍｍ 厚的沥青， 涂层产生剪应变， 降低
桩表面的负摩阻力；
４． 地基浸水法： 该法使地基先浸水， 增加孔隙
ｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｌｅ ｔｏ Ｒ ｏｃｋ ｄｕｅ ｔｏ Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｃｌａｙ， Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ６ｔｈ ＩＣＳＭＦＥ，１９６５，ＶＯＬ．１１， ｐ．２６１～２６４． ［ ４］ 顾 晓 鲁 ． 地 基 与 基 础［ Ｍ］ ． 北 京 ：中 国 建 筑 工 业 出 版 社 ， １９９３． ［ ５］ 马 时 冬．桩 身 负 摩 阻 力 的 现 场 测 试 与 研 究［ Ｊ］ ．岩 土 力 学， １９９７．
式中： — ——桩周土中的竖向有效应力， 由实测孔隙
水压力推算； 有效应力 随着土的固结过程而变 化， 可根据孔隙水压力的实测结果， 按下式计算：
其中 为自原天然地面算起的深度， 和
为该深度土的竖向有效应力和孔隙水压力。若无
实测 值， 可假定 值为零， 以估计负摩阻力的最
大值。
— ——水平的与竖向的有效应力之比 。有人
ｌｎ＝βｌ 式中： ｌ ： 为可压缩层深度（ｍ）； β： 为中性点的相对深度系数。国内外根据许 多实测资料得到 β 的经验值。对于摩擦桩， β 一 般取 ０．７８～０．８０。