樁基負摩阻力的影響因素分析

湯永鋒

0 引言

當樁周土體沉降大于樁基沉降時,樁周將產生負摩阻力。負摩阻力對樁產生下拉作用,使作用在基樁的荷載增加,荷載抗力減少,沉降增大。負摩阻力的影響嚴重時還會使建(構)筑物不能正常使用,甚至危及結構安全。

某北方沿海地區360 m2燒結工程場地屬于華北平原東部濱海平原地貌,海相與陸相交互沉積,地形平坦。埋深約2.30 m～15.70 m段為第四系全新統中組海相沉積層,其中埋深約2.30 m～4.00 m段為粉質黏土,土質尚可;埋深約4.00 m～11.00 m段以典型的沿海淤泥質軟土為主,該層土屬高壓縮性土,是本場地主要不良地質條件;埋深約11.00 m～15.70 m段土質漸好,為中組海相沉積層下部粉質黏土。

工程地質報告提出樁的負摩阻,本場地埋深 4.00 m～11.00 m段有厚層淤泥質軟土,屬欠固結土層,雖其表面有“硬殼層”,但承載力低且厚度薄,因此,在地面堆載較大和大面積抬高現地坪以及強震作用下,埋深11.00 m以上淤泥質軟土將會對樁產生負摩阻力,建議在樁基設計時適當考慮。本文就此問題,分析影響樁負摩阻力的因素。

1 樁負摩阻力設計的關鍵

當土體在其自重作用下尚未完成固結,或者由于其他原因造成土體的沉降繼續發展,當土體沉降大于樁的沉降時,置于這些土層中的樁會不同程度地受到負摩阻力的影響。負摩阻樁設計的關鍵是沉降特性。就負摩阻力及其引起的下拉力本身來說,它不會使樁突然破壞。當樁下沉速度比周圍土下沉速度快時,摩阻力就會從負號變為正號。對一根受土的位移作用且軸向受荷至破壞的樁來說,極限荷載的大小不受土的位移作用的影響,其主要差別在于受土向下位移作用時,樁在某一軸向荷載下的沉降通常會增大很多,如圖1所示。因此設計受負摩阻力包圍的樁時,就要限定某一容許沉降值來確定對樁施加多大的荷載,負摩阻樁的合理設計就必須要考慮樁的沉降。

土的位移主要有兩個來源：樁受荷時土—樁界面產生各種應力,以及外部的(或“自由場”)土的移動而引起負摩阻力。沿樁各點在樁與土位移之間引入相容性就可得到一系列方程式,它們與豎向平衡方程式一起可解得樁—土界面的應力以及沿樁各點位移。在大多數涉及到黏性土的情況下,由于孔隙壓力的消散以及土隨之固結的緣故,沉降的分布會隨時間而變。

2 負摩阻力樁的荷載與沉降的關系

圖2為以土面位移S0在0 mm～300 mm變化時所得到的樁的荷載—沉降性能曲線,從圖2中可以看出,土的位移影響著樁的位移,這效應隨S0或荷載P的增大而越為明顯,樁的極限軸向荷載約為3.17 MN,與S0值無關,但S0越大,要達到極限荷載就需要產生更大的沉降。施加荷載較小時(例如小于0.8 MN),不論土的位移為多少,樁的沉降也會達到極限值,即樁的沉降達到穩定狀態;但如荷載超過1.5 MN,樁的位移隨土的位移增加而不斷增大,即樁處在一個非穩定的狀態。荷載較小時,“中性點”(即剪應力由負轉正點)靠近穩定的密砂層面,出現這一情況時,樁頭便不再移動。但加上較大的荷載1.57 MN,則中性點便靠近地面,且要求更大土的位移才能使中性點下移至穩定層頂面,所以在樁的性能達到穩定之前,樁頭會有相當大的位移。

3 涂層對樁負摩阻力的影響

工程中,通常在插入會固結土層中的樁身抹上涂層(例如涂瀝青),涂層的作用是減小負摩阻區內的極限表面摩阻力。圖3給出了有涂層樁的荷載—沉降曲線,作用于樁的荷載由3.17 MN減小到2.59 MN,但這時的外部土的位移影響較小,與沒有涂層的樁相比,由負摩阻力導致樁頭位移的增加非常小,且在土面位移很小(一般小于25 mm)時,樁的沉降性能便達到穩定狀態。

4 樁長對樁負摩阻力的影響

圖4給出了有涂層和無涂層兩種情況下樁長與容許荷載的關系,從圖4中可以看出,樁越長則作用于樁的容許荷載越大,對無涂層樁,把樁長從20 m增長至24 m(增大20%),就可使樁的容許荷載從0.9 MN增大至1.28 MN(42%)。對于有涂層樁,若增加的樁長全部插入密實砂層中,既增長了其插入穩定層內的長度,其容許承載力也會相應地增大。

5 結語

1)負摩阻樁設計的關鍵是樁的沉降特性。2)樁極限軸向荷載受負摩阻力的影響很小,但負摩阻力對樁沉降性能影響較大。3)樁受負摩阻力作用時,使用涂層可以提高樁的容許荷載。

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