淺談濕陷性黃土場地樁基的負摩阻力

胡靜靜

摘 要：根據濕陷性黃土的特點，初步論述了樁基負摩阻力產生的原因及基本特征，指出了其對樁基的不利影響，并結合相關規范、規程介紹了樁基負摩阻力、中性點的計算方法和減小樁側負摩阻力采取的措施。

關鍵詞：樁基礎；負摩阻力；中性點；濕陷性黃土

1 前言

我國分布有大面積的濕陷性黃土，以覆蓋廣、厚度大著稱于世。濕陷性黃土作為一種特殊性質的土，其土質較均勻、結構疏松、孔隙發育。在未受水浸潤時，一般強度較高，壓縮性較小。當在一定壓力下受水浸濕，土結構會迅速破壞，產生較大附加沉降，強度迅速降低。當自重濕陷量的實測值Δzs或計算值Δzs小于或等于70mm時為非自重濕陷性黃土；大于70mm時為自重濕陷性黃土。

隨著高層建筑和大型工業建筑的發展，有些淺埋基礎與地基的承載力往往不能滿足設計要求，因而自20世紀90年代以來，在濕陷性黃土地區采用灌注樁和預制樁基礎的工程日益增多。在確定自重濕陷性黃土場地的樁基承載力時，除不計濕陷性土層范圍內的樁周正摩阻力外，還要扣除樁側的負摩阻力。因此合理確定樁基負摩阻力是濕陷性黃土地區樁基設計的關鍵，決定了樁基設計的安全性和經濟性。

2 負摩阻力產生的原因和特征

樁基礎承載力是由樁周土的摩阻力和樁端阻力共同組成的。其中摩阻力又可以分為兩種，當樁相對于土體產生向下的位移時，土主要表現為對樁的支撐作用，產生正摩阻力；反之，產生負的摩阻力，其分界點稱之為中性點。在該點，樁土相對位移為零，既沒有負摩阻力，又沒有正摩阻力。樁身軸力最大。中性點以上的負摩阻力總和稱為下拉荷載。

產生負摩阻力的原因，是由于樁周土的沉降變形大于樁的沉降變形而致。而造成樁周土沉降變形的原因是多方面的，因而產生負摩阻力的原因很多，主要有下列幾種情況：

（1）位于樁周的欠固結軟粘土或新近填土在其自重作用下產生新的固結；

（2）大面積地面堆載使樁周土層壓密固結下沉；

（3）自重濕陷性黃土浸水后產生濕陷；

（4）靈敏度較高的飽和粘性土，受打樁等施工擾動（振動、擠壓、推移）影響，附加孔隙水壓力增加，隨后又繼而產生新的固結下沉。

在上述各種情況下，土的自重和地面上的荷載都將通過負摩阻力傳遞給樁。樁的負摩阻力問題必定與地基內軟弱土層或濕陷性土的存在有關。這種土層愈厚，負摩阻力的影響也就愈大。

3 負摩阻力對基樁的影響

樁表面負摩阻力的主要影響后果是增加樁內軸向荷載，從而使樁軸向壓力和壓縮量增加，有效承載力降低，并且在摩擦樁情況下可能引起樁的沉降有較大的增加。

《濕陷性黃土建筑規范》（GB 50025-2004）5.7.2條規定：在濕陷性黃土場地采用樁基礎時，樁端必須穿透濕陷性黃土層，并應符合下列要求：

（1）在非自重濕陷性黃土場地，樁端應支承在壓縮性較低的非濕陷性黃土層中；

（2）在自重濕陷性黃土場地，樁端應支承在可靠的巖（或土）層中。

4 樁基負摩阻力的計算

4.1 樁側負摩擦力的計算深度

目前國內外，一般以樁身的中性點作為計算樁側負摩擦力深度的下部界限，而樁身的中性點取決于樁和樁周土層的相對位移均相同的位置。

圖1 樁周正、負摩擦力和中性點隨土層浸水深度的變化

一般來說，中性點的位置，在初期多少是有變化的，它隨著樁的沉降增加而向上移動，并與土的濕陷性質、浸水時間、浸入土層中的水量和浸濕范圍等因素有關，只有當樁周的濕陷性黃土層充分浸水引起的下沉量完全穩定后，樁身的中性點位置也將穩定在某一固定的深度ln處。

中性點深度ln應按樁周土層沉降與樁沉降相等的條件計算確定，也可參照表1確定。

注：1 ln、l0-分別為自樁頂算起的中性點深度和樁周軟弱土層下限深度

2 樁穿過自重濕陷性黃土層時，ln可按表列值增大10%（持力層為基巖除外）

3 當樁周土層固結與樁基沉降同時完成時，取ln=0；

4 當樁周土層計算沉降量小于20mm時，ln應按表列值乘以0.4～0.8折減。

4.2 樁基負摩阻力大小計算

負摩阻力對基樁而言是一種主動作用。多數學者認為樁側負摩阻力的大小與樁側土的有效應力有關，不同負摩阻力計算式中也多反映有效應力因素。大量試驗與工程實測結果表明，以負摩阻力有效應力法計算較接近于實際。

國內相關規范中考慮樁基負摩阻力問題的計算方法總體上屬于經驗法的范疇，所給出的計算公式也簡單易用。

（1）《濕陷性黃土規范》

在非自重濕陷性黃土場地，當自重濕陷量的計算值小于70mm時，單樁豎向承載力的計算應計入濕陷性黃土層內的樁長按飽和狀態下的正側阻力。在自重濕陷性黃土場地，除不計自重濕陷性黃土層內的樁長按飽和狀態下的正側阻力外，尚應扣除樁側的負摩擦力。樁側負摩阻力應進行現場試驗確定。當進行現場試驗確有困難時，可按表2估算。

4.3 基樁考慮負摩阻力的設計驗算

自重濕陷性黃土場地，樁周負摩阻力對基樁承載力和沉降的影響應根據工程的具體情況進行專門的設計驗算。當驗算不滿足時，可對場地自重濕陷性土層進行預處理，消除自重濕陷性，也可采取其他減小樁側負摩阻力的措施。

（1）基樁承載力驗算

計算基樁豎向承載力特征值Ra ，可取樁身計算中性點以上側阻力為零，樁身中性點以下，取飽和狀態下的樁側摩阻力及端阻力，對于摩擦型基樁，按下式驗算基樁承載力。

Nk ≤Ra

對于端承型基樁除應滿足上式要求外，尚應考慮負摩阻力引起的下拉荷載Qgn，按下式驗算基樁承載力。

Nk +Qgn≤Ra

（2）沉降驗算

受負摩阻力或下拉荷載引起的建筑樁基沉降變形計算值不應大于樁基沉降變形允許值。可能發生局部性浸水而產生的相鄰基礎的沉降差不得大于樁基沉降變形允許值。具體計算方法可參照相關規范執行。

5 結語

在我國的工程實踐中，樁側負摩阻力已成為濕陷性黃土場地樁基設計的主要問題。目前，對于樁基負摩阻力的研究雖然在數值計算和理論研究方面均有了較多的成果，但仍存在一些問題：

（1）黃土地區進行的樁基現場浸水試驗研究數量依然偏少，導致我們對黃土地區樁基在浸水作用下的工作性狀始終不能有全面的認識。《濕陷性黃土地區建筑規范》條文說明敘述到：“鑒于目前自重濕陷性黃土場地樁側負摩阻力的試驗資料不多，本規范有關樁側負摩阻力計算的規定，有待于今后通過不斷積累資料逐步完善”。

（2）中性點問題是樁基負摩阻力問題的核心問題之一，已有現場試驗表明中性點的位置和規范規定之間還存在差別，但怎么準確計算中性點位置還沒有現成的方法。

（3）影響濕陷負摩阻力大小的因素，如濕陷量、實現速率、浸水面積、樁頂荷載、樁土相對剛度、樁長等對其的影響不夠明確。

（4）在大厚度濕陷性黃土場地，按理論和經驗設計的樁基樁長往往非常長，偏于保守，而現場試驗結果表明樁長仍有一定縮短的空間，但缺乏理論支持。

濕陷性黃土作為一種特殊性土，樁基的樁土相互作用與負摩阻力問題極其復雜，仍然有很多問題有待我們繼續深入研究。

參考文獻

[1] GB50025-2004，濕陷性黃土地區建筑計規范[S].

[2] JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].

[3] 邱祖全，陳默涵.自重濕陷性黃土場地樁周負摩阻力的計算方法探討[J].工程勘察，2010年增刊第1期

[4] 徐先坤，劉偉濤，葉鐵鋒.淺析樁基負摩阻力[J].工程地質學報，1004-9665/2008/16（Suppl）-0365-04