軟土地基樁側負摩阻力研究

王鳴宇

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司上海分公司，上海200030）

1 引言

隨著我國基礎交通網的完善，公路與城市橋梁工程的建設規模日益擴大，施工質量控制也更加嚴格。樁基礎由于承載性能較好，在橋梁基礎工程中得到了廣泛的應用。但是，樁基礎在穿過軟弱土層時，受到大面積堆載、地下水下降等因素的影響，非常容易出現負摩阻力，從而降低樁基礎的承載能力，對橋梁工程的安全性產生較大隱患。鑒于此，許多學者也通過現場監測、數值模擬等手段來研究了軟土地基樁基負摩阻力的計算，并提出一些有價值的研究成果，如田兆陽[1]利用OpenSees有限元平臺研究了地震加速度對軟土地基樁基礎負摩阻力的分布形態，并對中性點位置進行了研究；楊曉美[2]分析了沿海地區軟土的工程特性，并依托某工程橋梁，探討了軟土強度參數和彈性模量對樁基礎負摩阻力的影響規律，并在此基礎上對樁基的樁徑和樁長進行了優化，取得了很好的經濟效益。因此，研究軟土地基樁側摩阻力具有十分重要的工程意義。

2 軟土地基樁側負摩阻力的產生機理及特性

2.1 負摩阻力的產生機理

一般情況下，樁基礎在受到上部結構等傳來的豎向力后，存在向下位移的趨勢，樁側土對樁基礎產生1個向上的正摩阻力。如果橋梁樁基礎穿過壓縮性較高的軟弱土層時，在地表荷載、地下水下降、土層固結度不足等因素的影響下，軟弱土層會產生較大沉降（大于樁基礎本身位移），則樁基礎相對于周圍巖土體的位移將是向上的，土層對樁側產生的摩阻力是向下的，此時摩阻力稱之為負摩阻力，它可等效于作用在樁基礎上的向下附加荷載，將降低樁基礎的承載能力。

綜上，軟土地基樁側產生負摩阻力的原因可能包括以下幾個方面[3]：（1）橋臺填土質量大或橋下大面積堆截，增加軟弱土層中的附加應力；（2）地下水位的下降也會引起樁側土體自重應力增加；（3）樁基礎施工期間周圍土體被擾動，使其發生再固結；（4）距離樁基較近的構造物或建筑物向樁側土體中傳遞了較大的附加應力。

2.2 中性點位置計算

“中性點”的位置直接關系到軟土地基樁側負摩阻力的大小和分布規律。橋梁樁基中性點指的是摩阻力等于0的位置，此時樁基礎與周圍的位移速度相同，不存在相互運動發生位移的趨勢。并且在中性點所在的斷面處，樁基軸向力達到最大。中性點位置和樁基礎周圍土體性質、樁基礎自身剛度、持力層剛度等因素密切相關，工程中確定中性點具體位置時有2種方法：一種是根據持力層巖土性質確定中性點深度比值，其中，黏性土、粉土取0.5～0.6，中密以上砂取0.7～0.8，礫石、卵石取0.9，基巖取1.0；另一種是按照樁基礎的承載類型來預估中性點深度比值，其中，摩擦樁取0.7～0.8，端承樁取1.0。

2.3 負摩阻力的時間特性

軟土具有一定的流變性和觸變性，使得樁基礎在運營期間存在一定的時間效應，如隨著沉樁期間土體超孔隙水壓力消散，樁基周圍土的自重應力不斷增加，沉降速度加快。相關研究表明，軟土地基樁側負摩阻力存在時間的長短受樁側土體固結完成時間的影響，土的滲透系數越小，負摩阻力達到最大值的時間越長。

3 軟土地基樁側負摩阻力計算方法分析

3.1 荷載傳遞法

荷載傳遞法先將橋梁樁基礎劃分成若干個相互耦合的彈性單元，各單元和土體間均采用非線性彈簧聯系，以反映樁側阻力和剪切位移的關系。該方法在樁基礎上任取一單元，均處于靜力平衡狀態，見式（1）：

式中，Pz為樁基礎軸力，kN；τz為樁側摩阻力，kPa；U為樁基礎周長，m；z為埋置深度，m。

同時，隨著樁基礎埋置深度z的增加，各單元彈性模型逐漸減小，兩者之間的關系可表示為式（2）：

式中，Ep為樁單元彈性模型，MPa；A為樁基礎截面積，m2；w為樁單元在深度z處豎向位移，m。

將上述兩式聯合求解，可得到軟土地基樁側負摩阻力：

荷載傳遞法計算簡單，能很好地反映軟土地層和樁基礎的非線性變形特性[4]，但無法考慮群樁基礎中不同樁基間的相互干擾。

3.2 有效應力法

有效應力法也稱β法，其中，β是有效應力系數，反映靜止土壓力系數和界面摩擦角對樁側摩阻力的干擾，取值可參考表1。該方法是基于樁側土的抗剪強度，認為樁土間的負摩阻力受樁側土的有效應力影響，此，時樁側負摩阻力的表達式為[5]：

表1 有效應力系數參考值

式中，f為樁側負摩阻力，kPa；K0為靜止土壓力系數；φa為樁土界面摩擦角，（°）；σv為豎向有效應力，kPa。

3.3 數值計算法

近年來，數值計算法在巖土計算領域的應用日益普遍，常見的分析方法包括有限元法、有限差分法、離散元法、邊界元法、流形元法等，其中，有限元法的應用范圍最廣。有限元法用于分析軟土地區橋梁樁基的負摩阻力時，可以將樁基礎的穩定性與負摩阻力的分布緊密聯系，能更好地分析橋梁樁基礎發生變形破壞的機理。

4 軟土地基樁側負摩阻力數值分析

樁徑是影響軟土地基樁側摩阻力的關鍵因素之一。筆者擬依托某城市主干路橋梁項目，利用有限差分軟件FLAC 3D建立二維平面模型，分析不同樁徑下軟土地基樁側負摩阻力分布形態及變化規律。

4.1 工程概況

以某軟土區域橋梁工程為研究對象分析樁側摩阻力變化規律，道路等級為城市主干路，設計速度為60 km/h，設計荷載為城-A級。橋梁工程上部結構為現澆預應力混凝土連續梁等，橋墩為柱式墩，基礎擬采用嵌巖圓樁，計算樁徑分別取0.6 m、1 m、1.4 m、1.8 m。樁基礎穿過軟弱土層到達持力層，無巖溶、濕陷性黃土等其他特殊地質。

4.2 軟土地基樁基礎計算模型

1）材料本構

選擇四節點的實體單元來模擬軟土這類彈塑性變形介質，同時，忽略軟土中的流固耦合效應，屈服準則采用M-C本構模型。M-C本構模型計算參數簡單，只需輸入軟土的黏聚力和內摩擦角，計算結果偏安全,在橋梁工程計算中得到了廣泛應用。樁基礎可視為彈性變形介質，可用彈性梁單元來模擬，需要輸入的參數有彈性模量、截面慣性矩等。

2）網格劃分

由于網格大小和網格數量對軟土地基樁基摩阻力計算結果影響較大，在確保樁基摩阻力計算精度和計算速度的前提下，樁-土模型的網格不進行加密處理，樁基礎及周圍土體的網格尺寸均取0.3 m，樁土接觸面采用interface單元，最終共劃分出單元1 258個，節點2 028個，如圖1所示。

圖1 樁-土有限元模型

3）約束條件

由于地下水位較低，對橋梁樁基摩阻力影響較小，可忽略不計，此時軟土底部可設為不透水邊界，并對其X方向、Y方向、Z方向完全約束；軟土頂面屬于自由邊界條件，可發生豎向壓縮和水平位移，且樁基礎與周圍土體之間的接觸為完全耦合接觸；對樁基礎X方向約束，只產生豎向壓縮變形。

4.3 樁側摩阻力計算結果分析

1）不同樁徑下樁側摩阻力分布形態

計算樁側負摩阻力時，僅調整控制樁徑，其余參數如樁長、樁基彈性模量不變。計算結果表明：各樁基礎均出現負摩阻力，且不同樁徑的基礎負摩阻力分布形態基本保持一致，即隨著樁基深度的增加，樁側摩阻力先增加后降低。在樁基深度為6 m時，樁側摩阻力達到了最大。當樁基深度＞6 m時，各樁基礎的負摩阻力迅速減小，但減小速率并不相同，對樁徑越大的基礎，負摩阻力減小速率越快。同時，當樁基礎深度超過9 m時，各樁徑的樁基礎摩阻力約等于0，可認為9 m位置時樁基礎的中性點。

2）不同樁徑下樁側摩阻力大小

通過FLAC 3D計算出的樁側負摩阻力經后處理得到如圖2所示的結果。

圖2 樁側負摩阻力與樁徑關系

由圖2可知，樁基礎中心點以上的負摩阻力與樁徑正相關，且隨著樁徑的增長，負摩阻力增長的速度越來越快，如果樁徑超過1.4 m，樁側各點負摩阻力迅速增加。當樁徑從0.6 m提高至1.8 m，0.5 m、2 m、4 m、6 m、8 m位置處的負摩阻力增長率分別達到了114.3%、115.2%、130.7%、123.3%、150%。

5 結論

在分析軟土地基樁側負摩阻力產生機理和時間特性的基礎上，分析了負摩阻力的計算方法，并利用數值模擬軟件FLAC 3D探討了樁徑對樁側負摩阻力分布形態的影響，主要得到以下幾個方面的結論：

1）軟土地基樁側負摩阻力產生原因有地表堆載、地下水下降、土層固結度不足等；

2）樁基負摩阻力具有一定的時間效應，可視作施加在樁基礎上的附加荷載，會降低樁基礎承載能力；

3）軟土地基樁側摩阻力計算可采用荷載傳遞法、有效應力法、數值計算法等；

4）不同樁徑的樁基礎負摩阻力均隨著樁基深度的增加先增加后減少的趨勢，且樁徑越大，負摩阻力減小速率越快。