易塌陷土地基樁基礎負摩擦力的研究

江 宇

(北京華剛礦業股份有限公司，北京 100039)

1 引言

贊比亞謙比希銅礦礦區擬建尾礦充填攪拌站，充填攪拌站荷載很大[1]，我提出了采用樁基礎的方案。根據充填攪拌站現場的工程地質勘探報告，濕陷系數大于 0.015[2]，地基土壤為易塌陷土，由于易塌陷土壤在發生活動沉陷時，會對樁基礎表面產生逆向摩擦，即引起樁基礎向下沉降的負摩擦力，我在計算樁基礎地基荷載時，需要考慮樁周圍土壤塌陷產生在樁表面的負摩擦作用。我咨詢了南非有關土建專家，參閱了國外有關資料[3]，結合現場工程地質情況的基礎上，對易塌陷土壤地基樁基礎負摩擦力進行了研究和計算。

2 工程地質概況及評價

從充填攪拌站的現場勘探揭示的情況[4]看，(地質柱狀圖見表1)，擬用場地的表層較薄，第二層至第五層均易于塌陷，而不適合做地基層。地下水位在地表下6.1m左右。充填攪拌站的現場地基土壤活動沉陷的特點是:土壤不排水，卻吸水，從而漸漸失去強度而發生活動沉陷。如果不飽和土壤從外部吸收了大量水分，在不改變外部壓力條件下，沉陷或塌陷還會再次發生。當土壤呈飽和狀態時，活動與沉陷將不會發生。人工挖孔樁深度處于或接近于地下水位，便于人工開挖，且地下水位處的易塌陷土壤處于極為飽和狀態，不會發生塌陷，地基承載力也較高。適合做地基層。

經過定性分析和論證，我建議采用深6000mm、直徑800mm、帶直徑1600mm擴大端的現澆鋼筋混凝土人工挖孔樁方案。但我需要計算出樁周圍土壤塌陷引起的樁表面負摩擦力和樁基礎的垂直工作荷載，以驗證這一方案的可行性。

表1 地質柱狀圖

3 樁的負摩擦力分析

在土層相對于樁側向下位移時，產生于樁側的向下的摩擦力稱為負摩擦力。產生負摩擦力的情況有多種，如:位于樁周的欠固結軟粘土或新填土在自重作用下產生固結;大面積地面堆載使樁周土層壓密;在正常固結或稍為超固結的軟粘土地區，由于地下水位全面降低(例如抽取地下水)，致使有效應力增加，因而引起大面積沉降;以及自重濕陷性黃土浸水后產生濕陷等。在這些情況下，土的自重和地面上的荷載將通過負摩擦力傳遞給樁。

一根承受豎向荷載的樁，樁身穿過正在固結中的土層而達到堅實土層，該樁在產生負摩擦力時的荷載傳遞見圖1[5]。曲線1表示土層不同深度的位移;曲線2表示該樁的截面位移曲線，曲線1與曲線2之差(畫橫線部分)為樁、土之間的位移。曲線2和曲線1的交點(O1點)為樁、土之間不發生相對位移的截面位置，稱為中性點。在O1點之上，土層產生相對樁身的向下位移，在這部分樁長范圍內出現負摩擦力fn。在O1點之下，樁截面產生相對于土層的向下位移，在這部分樁長范圍內，在樁側產生正摩擦力f。從圖1可以看出，在中性點處樁身軸力達到最大值(P+Pnf)，而樁端總阻力則等于[P+(Pnf－Pf)]。

圖1 單樁在產生負摩擦力時的荷載傳遞

由于樁周土層的固結是隨時間而發展的，所以土層豎向位移和樁身截面位移都是時間的函數。在一定的樁頂荷載P作用下，這兩種位移都隨時間而變，因此中性點的位置、摩擦力以及軸力都相應發生變化。據國內有關資料介紹:當樁側主要為產生固結的土層時，中性點的位置至樁頂的距離大多為樁長的70%～75%;支承在巖層上的樁，中性點接近巖層頂面。也有文獻[6]介紹:當樁側主要為產生固結的土層時，采用有限單元法確定中性點的位置，結果，中性點的位置與樁頂的距離約為樁長的50%。

在南部非洲國家，普遍存在與我國西北地區自重濕陷性黃土特征相似的易塌陷土，這些國家尤其是南非的土建專家，對易塌陷土地基樁的負摩擦力長期研究后指出，當樁側主要為松散型物料 (無粘性物料)時，只考慮負摩擦力而忽略正摩擦力。當樁支承在處于極度飽和的易塌陷土層 (地下水位處的土層)時，中性點的位置接近地下水位頂面。

4 考慮負摩擦力的樁承受力計算

充填攪拌站現場的地下水位為6.1m深，如果我采用深6000mm、直徑800mm的樁基礎，樁支承在處于極度飽和的易塌陷土層，且樁側主要為松散型物料 (無粘性物料)。根據南非土建專家的理論，計算樁端總阻力時，只考慮負摩擦力而忽略正摩擦力，中性點的位置接近地下水位頂面 (即樁底)。圖2表示該樁在產生負摩擦力時的荷載傳遞。

圖2 單樁在產生負摩擦力時的荷載傳遞

從圖2可以看出，樁端總阻力PS=(P+Pnf)。

在確定樁的承受力時可忽略表面摩擦力，在無粘性土壤中樁的極限承受力按下式計算:

式中，QS極限端頭承受力強度，AB為樁橫斷面積或樁端放大的基礎面積，PV為有效垂直應力，NQ為承受力系數。

澳大利亞標準協會發布的“AS－2159，Piling標準”建議，在無粘性土壤中樁基礎采用表2中的承受力系數。

表2 無粘性土壤中樁基礎承受力系數

已知現場樁周圍土壤松散，體積密度w=14Kn/m3，樁深6米時，有效垂直應力按下式計算:

因現場6米深處土壤的粘稠度為松散型，極限端頭承受力強度QS按下式求出:

按下式，求出在6米深松散物料中800毫米直徑樁的極限承受力:

根據南非土建專家計算樁極限承受力及地基承載力的經驗，采用3為1安全系數，在6米深松散物料中800毫米直徑樁的樁基承載力PA為:

但以上公式忽略了樁基上方土壤中可能存在的活動沉陷效應，包括樁表面負摩擦力或“下拖力”。當確定樁基承載力時，應考慮這種效應。假定樁基以上所有物料都具活動顆粒構造，如上所述，樁基有效垂直應力可按下式求出:

則平均有效垂直應力為42kPa。實驗測得這種土壤的有效內摩擦角為30°，根據南非土建專家的經驗，水平面壓力與平均有效垂直應力之比約為0.5，那么，800毫米直徑樁的下拖力Pnf按下式計算:

采用3為1安全系數，則極限承受力及樁基承載力PA按下式計算:

如果我采用深6000毫米、直徑800毫米、帶直徑1600毫米擴大端的樁時，按下式計算，樁的極限承受力及樁基承載力為:

考慮負摩擦力后，采用3為1安全系數，按下式求出，極限承受力及樁基承載力PA為:

在考慮了樁基礎表面的負摩擦力因素后，經以上計算驗證，我采用深6000毫米、直徑800毫米、帶直徑1600毫米擴大端的現澆鋼筋混凝土人工挖孔樁方案完全可行。

5 國內對濕陷性黃土地基樁承受力的計算方法

國內對濕陷性黃土地基樁承載力的計算方法，認為樁的端頭擴大部分產生的承載力加上樁基礎表面的正摩擦力，足以抵消樁基礎表面的負摩擦力，并已包含了安全系數，只以樁身直徑作為端頭大小，計算樁基礎極限承受力。即在6米深松散物料中，800毫米直徑、帶直徑1600毫米擴大端的樁極限承受力為:

6 計算結果的對比及使用效果

按南非等國專家的經驗，考慮易塌陷土地基樁基礎負摩擦力后，計算所得的樁極限承受力為1346kN，比按國內對濕陷性黃土地基樁承載力計算所得的樁極限承受力1055kN，大了約20%，也就是減少了樁基礎數量的20%。為了節省工程費用，同時也考慮到擬建的尾礦充填攪拌站位于非洲，這種計算負摩擦力的方法已有較普遍的工程實踐，我們采用了按南非等國家計算易塌陷土地基樁基礎極限承受力的結果。贊比亞謙比希銅礦礦區尾礦充填攪拌站建成使用以來，基礎沉降完全符合設計要求。

7 結論

雖然易塌陷土的地基樁基礎負摩擦力的計算，帶有很多經驗性質，但在工程實踐中不可忽視。我對易塌陷土壤地基樁基礎負摩擦力的分析和計算研究，對國內土建工程師在濕陷性黃土地基樁基礎負摩擦力方面的研究，相信會有一定的參考作用。

[1]謙比希銅礦項目部.贊比亞謙比希銅礦恢復建設基本設計書.北京:中國有色工程設計研究總院.2001，157－160.

[2]秦曉棟，薛維俊.濕陷性黃土地基濕陷機理濕陷性評價及地基處理方法.內蒙古石油化工，2009，(2):38－39.

[3]Braatvedt，Everett.筑樁及基礎系統指南.約翰內斯堡:Frankipile南非有限公司，1986，(2):31－33.

[4]謙比希銅礦工程部.謙比希銅礦充填攪拌站工程地質勘探報告.基特韋:中色建設非洲礦業有限公司.2001，13－23.

[5]華南工學院，南京工學院等.地基及基礎.北京:中國建筑工業出版社出版，1985，301－302.

[6]徐初來，蘇達.負摩擦樁中性點的確定方法研究.路基工程，2010，(01):69－71.