考慮負摩阻力影響的樁土復合地基承載力計算

（水利部新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

由于樁基礎具有承載力高、穩定性高、便于機械施工等優點，樁基礎近些年來在各工程領域得到了廣泛的應用。樁周土體因為濕陷、自重固結、場地填土、地面大面積堆載、降低地下水位等因素的影響會產生下沉，當樁周土體的沉降量大于基樁的沉降量時，樁側土體將對樁產生與位移方向一致的摩阻力，該摩阻力被稱為負摩阻力。負摩阻力的存在會對樁產生下拉作用，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會導致建筑物不能正常使用，甚至危及結構安全［1-3］。由于負摩阻力的存在，若在樁基設計時不予考慮，將會造成基樁的附加沉降。

本文結合新疆某擬建平原水庫工程，就供水兼退水涵洞坐落的軟黏土地基，進行了混凝土預制樁加固處理。在驗算樁土復合地基承載力特征值時，充分考慮了涵洞周圍大面積地面堆載（水庫大壩）給基樁帶來的負摩阻力問題。采用JGJ94—2008《建筑樁基技術規范》［4］相關公式，計算了考慮群樁效應的基樁下拉荷載標準值，將下拉荷載標準值和單樁豎向極限承載力標準值進行了疊加，根據疊加后的單樁豎向承載力標準值進行樁土復合地基承載力特征值的計算。該方法可為今后類似地基處理工程提供借鑒。

1 工程地質概況

新疆某平原水庫依托山前洪積扇前沿天然地形，通過東、西、南、北四面筑壩而成。壩頂高程689m，最大壩高18m，壩軸線長度6.0km，總庫容2700萬m3。壩頂寬度8.0m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2.0。水庫主要組成包含水庫大壩、入庫建筑物、供水兼退水涵洞等。該水庫位于洪積扇前沿的洼地內，庫區地形較平坦，地勢開闊，總地勢西高東低，地面高程672～688m，地下水位埋深2.5～11.8m。水庫庫盤內覆蓋層巨厚，巖性主要為第四系全新統～上更新統洪積含土角礫和低液限黏土，夾中～粉細砂和粉土層。含土角礫和低液限黏土在庫盤內分布不均一，其中含土角礫主要分布于西庫盤，低液限黏土廣泛分布于東庫盤。供水兼退水涵洞坐落于水庫東壩段低液限黏土地基上，黏土層巨厚，地勘資料顯示80m深鉆孔覆蓋層未揭穿。

2 涵洞軟黏土地基預制樁加固處理方案

供水兼退水涵洞坐落于水庫東壩段軟黏土地基上，地基承載力嚴重不足。為了避免涵洞地基出現過大沉降量及不均勻沉降情況的發生，從而影響涵洞過流能力，因而需對涵洞天然地基進行加固處理。

本工程涵洞地基加固處理采用預制樁方案。預制樁選取中等直徑樁，樁身斷面尺寸400mm×400mm，樁平面布置采用正方形布置，樁縱橫向中心距均為2m，樁長根據承載能力需要計算確定。軟黏土地基地勘建議地基允許承載力為120kPa，涵洞地面高程672m，涵洞建基面高程668.4m，地基埋深3.6m。 按JGJ79—2012《建筑地基處理技術規范》［5］規定，應根據基礎寬度和埋深對地基允許承載力進行修正計算，修正后的地基允許承載力值248.9kPa。混凝土預制樁長度采用試算法，以疊加基樁下拉荷載后的單樁豎向承載力特征值進行樁土復合地基承載力計算，當復合地基承載力大于涵洞地基最大應力414.9kPa時的樁長作為最終樁長。初選涵基混凝土預制樁長15m。

3 涵洞基樁下拉荷載標準值計算

3.1 中性點位置的確定

一般來說，中性點是指樁土相對位移為0的位置，這個位置既沒有負摩阻力也沒有正摩阻力。此位置受樁周土層性質、樁端持力層剛度、樁身截面的影響比較大［6］。因此，在實際計算時，很難計算準確。工程上一般使用經驗公式進行計算，根據樁基持力層地基土的性質，按JGJ94—2008《建筑樁基技術規范》中性點深度ln=0.5l0（ln和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）。由于本工程涵洞坐落于水庫東壩段低液限黏土地基上，黏土層巨厚，地勘資料顯示80m深鉆孔覆蓋層未揭穿，因此l0取值等于初選基樁長度15m，進而得到自樁頂算起的中性點深度7.5m。

3.2 中性點以上樁周土層負摩阻力標準值計算

中性點以上樁周土層負摩阻力標準值可按式（1）進行計算：

當地面分布大面積荷載時，則：

式中 qnsi為第i層土樁側負摩阻力標準值 （kPa），當計算值大于正摩阻力標準值時，取正摩阻力標準值進行設計；ξni為樁周第i層土負摩阻力系數；σ′γi為由土自重引起的樁周第i層土平均豎向有效應力（kPa）；σ′i為樁周第i層土平均豎向有效應力（kPa），分別為第i土 層和其上第m土層的重度（kN/m3），ΔZi，ΔZm分別為第i層土和第m層土的厚度（m）；P為地面均布荷載（kPa）。

中性點以上樁周各土層負摩阻力標準值計算結果如表1。

表1 樁周各土層負摩阻力標準值計算結果

3.3 考慮群樁效應的基樁下拉荷載標準值計算

考慮群樁效應的基樁下拉荷載標準值可按式（3）進行計算：

式中 n為中性點以上土層數；li為中性點以上第i土層的厚度 （m）；ηn為負摩阻力群樁效應系數，ηn=sax·，sax，say分別為縱橫向樁的中心距（m）；qns為中性點以上樁周土層厚度加權平均負摩阻力標準值；γm為中性點以上樁周土層厚度加權平均重度。

考慮群樁效應的基樁下拉荷載標準值計算結果如表2。

表2 考慮群樁效應的基樁下拉荷載標準值計算

4 單樁豎向極限承載力標準值及特征值計算

由于自樁頂算起的中性點深度7.5m，因此單樁豎向極限承載力標準值計算樁長為中性點以下7.5m。單樁豎向極限承載力標準值計算采用原位雙橋靜力觸探試驗成果，試驗成果如表3。

表3 地基雙橋靜力觸探試驗成果

4.1 單樁豎向極限承載力標準值計算

單樁豎向極限承載力標準值計算公式為：

式中 Quk為單樁豎向極限承載力標準值（kN）；Qsk為總極限側阻力標準值（kN）；Qpk為總極限端阻力標準值 （kN）；u為樁身周長 （m）；li為樁周第層土的厚度（m）；βi為第i層土樁側阻力綜合修正系數，黏性土、粉土βi=10.04（fsi）-0.55；砂土βi=5.05（fsi）-0.55；fsi為第i層土的探頭平均側阻力（kPa）；α為樁端阻力修正系數，對于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2；qc為樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d（d為樁徑）范圍內按土層厚度的探頭阻力加權平均值（kPa），然后再與樁端平面以下1d范圍內的探頭阻力（kPa）進行平均；Ap樁端面積（m2）。

中性點以下7.5m樁長的單樁豎向極限承載力標準值計算結果如表4。

表4 單樁豎向極限承載力標準值

4.2 單樁豎向承載力特征值計算

樁基豎向承載力特征值計算前先將樁基豎向極限承載力標準值和考慮負摩阻力影響的基樁下拉荷載標準值進行疊加，然后根據疊加后的標準值計算單樁豎向承載力特征值，計算公式：

式中 Quk為單樁豎向極限承載力標準值 （kN）；K為安全系數，取K=2。

考慮負摩阻力影響后的單樁豎向極限承載力特征值計算結果如表5。

表5 考慮負摩阻力影響的單樁豎向承載力特征值

5 復合地基承載力特征值計算

根據考慮負摩阻力影響后的單樁豎向承載力特征值計算結果和修正后的天然地基允許承載力進行樁土復合地基承載力特征值計算，計算公式：

式中 fsk為復合地基承載力特征值 （kPa）；λ為單樁承載力發揮系數，宜按當地經驗取值，無經驗時可取0.7～0.9；fsk為樁間土承載力特征值（kPa），應按靜荷載試驗確定，無經驗時可取天然地基承載力特征值；m為復合地基置換率，m=d2/d2e，d為樁身平均直徑；de為1根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，正方形布樁de=1.13s，s為樁間距；β為樁間土承載力發揮系數，宜按當地經驗取值，無經驗時可取0.9～1.0。

考慮負摩阻力影響后的樁土復合地基承載力特征值計算結果如表6。

根據表6結果可知，在考慮負摩阻力影響后計算單樁豎向極限承載力標準值時，假設的15m樁長樁土復合地基承載力特征值達到了430.4kPa，大于涵洞最大基底應力414.9kPa。因此，供水兼退水涵洞采用長15m的預制樁進行地基加固處理是合適的，并留有一定的安全余量。

表6 樁土復合地基承載力特征值

6 結語

（1）在樁基工程設計時，如果基樁周圍存在誘發基樁負摩阻力產生因素，那么在樁基礎設計時就應當考慮負摩阻力對基樁的影響。如果設計不予考慮，將會可能導致樁端地基的屈服或破壞、樁身破壞、結構物不均勻沉降等情況的發生，從而影響建（構）筑物的正常使用甚至結構安全。

（2）在負摩阻力計算時，相對準確的確定中性點位置對負摩阻力的計算十分重要，文章根據經驗公式進行了中性點位置的計算。但對于重要樁基礎工程建議通過經驗公式、三維數值仿真分析、現場試驗等進行多種方式綜合確定。

參考文獻：

［1］劉金礪.樁基礎設計與計算［M］.北京：中國建筑工業出版社，1990.

［2］湯永鋒.樁基負摩阻力的影響因素分析［J］.山西建筑，2010（36）：90-91.

［3］趙敏燕，周峰，王嘉.關于負摩阻力的探討［J］.江蘇建筑，2010（5）：91-93.

［4］JGJ94—2008，建筑樁基技術規范［S］.

［5］JGJ79—2012，建筑地基處理技術規范［S］.

［6］倪正田，詹金林.軟土地區臨近堆載對樁基影響的數值模擬研究 ［J］.山西建筑，2010（35）：89-90.