淺談鉆孔灌注樁負摩阻力的分析計算和處理措施

郭子婧 吳文龍

（安徽省水利水電勘測設計院 合肥 230088）

淺談鉆孔灌注樁負摩阻力的分析計算和處理措施

郭子婧 吳文龍

（安徽省水利水電勘測設計院 合肥 230088）

本文詳細介紹了鉆孔灌注樁樁側土體對樁基產生負摩阻力的發生機理和發生條件。并針對負摩阻力的特性，提出了相應的計算方法和加固處理措施。

鉆孔灌注樁 負摩阻力 承載力 下曳荷載

1 引言

近年來，鋼筋混凝土鉆孔灌注樁在工程建設中的應用越來越廣泛。在一般情況下，樁頂受豎向荷載作用而發生沉降，樁側土體對灌注樁產生向上的摩阻力，即正摩阻力。當樁側土體因某種原因而下沉，且其沉降量大于樁的沉降時，樁側土體對灌注樁產生向下的摩阻力，即為負摩阻力。負摩阻力對樁形成下曳荷載，相當于在樁頂荷載之外又附加了一分布于樁側的荷載。負摩阻力會導致樁身荷載增大，此外對于摩擦樁，負摩阻力還會引起地基及基礎進一步下沉，當建筑物的部分基礎或同一基礎中部分樁發生負摩阻力時，將出現不均勻沉降，甚至影響上部結構安全運行。

2 樁基負摩阻力的成因

樁基負摩阻力可能發生在施工過程、使用前或使用過程中，發生在使用過程中最為不利。一般在以下幾種條件下可能發生負摩阻力：

（1）樁穿過欠固結的松散填土或新沉積的欠固結土層而支撐于較硬土層中，樁側土因固結而產生的沉降大于樁的沉降時。

（2）樁側存在自重濕陷性黃土或季節性凍土層或可液化土層的條件下，當黃土浸水濕陷性或凍土融沉時，或當可液化土受地震或其他動力荷載而液化，液化土重新固結而出現大量下沉時。

（3）當樁側土層因抽水或其他原因而出現大面積地下水位下降，土的有效應力增加而導致地面下沉時。

（4）樁側地面因大面積堆載或大面積填土而大量下沉時。

（5）飽和軟土中打入密集的樁群，引起超孔隙水壓力，土體大量上涌，隨后重塑土體因超孔隙水壓力消散而重新固結時。

3 單樁負摩阻力的計算

3.1中性點深度的確定

樁基負摩阻力的分布范圍由樁與樁周土的相對位移確定。在樁的某一斷面上，樁與土的相對位移為零，該斷面稱之為中性點。因此中性點是樁和樁側土沉降量相等的斷面。中性點以上軸向壓力隨深度遞增，中性點以下軸向壓力隨深度遞減。

工程實踐表明，對穿過軟土或濕陷性黃土而支承于基巖或砂卵石層上的端承樁，其中性點接近于硬土持力層頂面；對于埋設于欠固結軟弱土中的摩擦樁，l=（0.7～0.8）ls（式中：l為中性點深度，ls為硬土持力層以上土層厚度）。

3.2單位負摩阻力的計算

3.2.1有效應力法

式中：σ'z—樁側土深度z處的豎向有效應力，σ'z=p0+；

po—樁頂平面以上的土重堆載（kPa）；

z—自樁頂至計算斷面的距離（m）；

uz—深度z處的超孔隙水壓力（kPa），若工程中不易測定時，可取uz=0，即認為有效應力達到最大值；

K—水平有效應力與豎向有效應力之比，可近似取靜止土壓力系數Ko；

3.2.2按室內、外測定的土力學參數確定

對粘性土：qn=0.5qu或qn=cu

對砂性土：qn=0.2N+3

式中：qu—土的無側限抗壓強度（kPa）；

cu—土的不排水抗剪強度（kPa），可用十字板現場測定；

N—標準貫入擊數。

3.3下曳荷載的計算

式中：qni—第i層土的負摩阻力；

U—樁的周長（m）；

Δlni—第i層土的厚度（m）；

γ'i、γ'j—第i、j層土的有效重度（kN/m3），地下水位以下γ'i=γi-10；

po—作用于樁頂標高的單位地面荷載（包括土重）（kPa）；

ξn—負摩阻力與豎向有效應力的比例系數，一般ξn=0.15～0.50，粘性土較小，而砂性土較大。

3.4考慮負摩阻力時，驗算樁的承載力

根據工程實踐經驗，對于考慮負摩阻力作用時樁承載力的驗算可按下式進行：

樁身強度按下式驗算：

式中：Fd—作用于樁頂的長期設計荷載（kN）；

Qn—由負摩阻力引起的下曳荷載（kN）；

Rsu、Rpu—分別為樁側總正極限摩阻力和樁端極限阻力（kN）；

Ap—樁身橫截面面積（m2）；

Sp—樁身短期容許強度（kPa）；

Kn—考慮負摩阻力的承載力安全系數，依據建筑物重要性和對沉降的敏感性而定，可取1.2～1.3。

4 群樁負摩阻力的計算

4.1負摩阻力的群樁效應

負摩阻力的群樁效應表現為兩個方面：（1）受樁間土體積、重量的限制影響而可能使群樁的負摩阻力降低。由于負摩阻力是由樁側土體的沉降引起，若樁群中各樁表面單位面積所分擔的土體重量小于單樁的負摩阻力極限值，則會導致群樁的負摩阻力降低，即顯示群樁效應。（2）外圍樁對于地面堆載附加應力起遮擋作用而使群樁的負摩阻力降低。可見，負摩阻力的群樁效應是使群樁所發生的負摩阻力降低，即小于相應的單樁負摩阻力。

4.2群樁負摩阻力的計算

假定單位長度的單樁負摩阻力由相應長度范圍內半徑re形成的土體重量與之等效，有：

式中：re—等效圓半徑（m）；

d—樁身半徑（m）；

qu—單樁平均極限負摩阻力（kPa）；

5 減小樁基負摩阻力的措施

對穿過欠固結等土層而支承于硬土層上的灌注樁，可采用兩種措施減小其負摩阻力：一是在沉降較大的土層范圍內插入比鉆孔直徑小5～10cm的預制混凝土樁段，預制混凝土樁段的外圍充填稠度較高的膨脹土泥漿，以形成隔離層，對于泥漿護壁成孔的情況下，可在澆注下段混凝土

后，填入稠度較高的膨脹土泥漿，然后插入預制混凝土樁段；二是采用雙層筒形塑料薄膜預先置于鉆孔沉降較大的土層范圍內，然后在其中澆注混凝土，使塑料薄膜在樁身與孔壁之間形成可自由滑動的隔離層。

6 計算實例

某跨河橋梁寬10 m，采用預制箱梁結構。共分3跨，中跨跨徑20m，兩側邊跨跨徑16m，橋墩底設兩根直徑1.0 m樁基，經計算知橋墩底豎向荷載1895kN，相應的承載力為241.2kPa，橋墩基礎均坐落在第③層重粉質壤土上，可見天然地基土質不能直接作為橋墩的持力層，需采用鋼筋混凝土灌注樁基礎。各土層物理力學指標見表1。

表1 交通橋各土層物理力學性指標建議值表

根據上述公式，考慮負摩阻力下拉作用時，計算得樁長為19.7m，不計時所得樁長為15.3m。由此可見，負摩阻力下拉作用對樁長的影響較大，在設計中應當予以重視。

7 結論

樁基負摩阻力是一個復雜的問題。隨著計算機技術的發展，三維數值分析將成為計算負摩阻力的研究趨勢，本文所提供計算方法及處理措施可為同類工程的設計與施工提供參考■