浅谈钻孔灌注桩负摩阻力的分析计算和处理措施

郭子婧 吴文龙

（安徽省水利水电勘测设计院 合肥 230088）

浅谈钻孔灌注桩负摩阻力的分析计算和处理措施

郭子婧 吴文龙

（安徽省水利水电勘测设计院 合肥 230088）

本文详细介绍了钻孔灌注桩桩侧土体对桩基产生负摩阻力的发生机理和发生条件。并针对负摩阻力的特性，提出了相应的计算方法和加固处理措施。

钻孔灌注桩 负摩阻力 承载力 下曳荷载

1 引言

近年来，钢筋混凝土钻孔灌注桩在工程建设中的应用越来越广泛。在一般情况下，桩顶受竖向荷载作用而发生沉降，桩侧土体对灌注桩产生向上的摩阻力，即正摩阻力。当桩侧土体因某种原因而下沉，且其沉降量大于桩的沉降时，桩侧土体对灌注桩产生向下的摩阻力，即为负摩阻力。负摩阻力对桩形成下曳荷载，相当于在桩顶荷载之外又附加了一分布于桩侧的荷载。负摩阻力会导致桩身荷载增大，此外对于摩擦桩，负摩阻力还会引起地基及基础进一步下沉，当建筑物的部分基础或同一基础中部分桩发生负摩阻力时，将出现不均匀沉降，甚至影响上部结构安全运行。

2 桩基负摩阻力的成因

桩基负摩阻力可能发生在施工过程、使用前或使用过程中，发生在使用过程中最为不利。一般在以下几种条件下可能发生负摩阻力：

（1）桩穿过欠固结的松散填土或新沉积的欠固结土层而支撑于较硬土层中，桩侧土因固结而产生的沉降大于桩的沉降时。

（2）桩侧存在自重湿陷性黄土或季节性冻土层或可液化土层的条件下，当黄土浸水湿陷性或冻土融沉时，或当可液化土受地震或其他动力荷载而液化，液化土重新固结而出现大量下沉时。

（3）当桩侧土层因抽水或其他原因而出现大面积地下水位下降，土的有效应力增加而导致地面下沉时。

（4）桩侧地面因大面积堆载或大面积填土而大量下沉时。

（5）饱和软土中打入密集的桩群，引起超孔隙水压力，土体大量上涌，随后重塑土体因超孔隙水压力消散而重新固结时。

3 单桩负摩阻力的计算

3.1中性点深度的确定

桩基负摩阻力的分布范围由桩与桩周土的相对位移确定。在桩的某一断面上，桩与土的相对位移为零，该断面称之为中性点。因此中性点是桩和桩侧土沉降量相等的断面。中性点以上轴向压力随深度递增，中性点以下轴向压力随深度递减。

工程实践表明，对穿过软土或湿陷性黄土而支承于基岩或砂卵石层上的端承桩，其中性点接近于硬土持力层顶面；对于埋设于欠固结软弱土中的摩擦桩，l=（0.7～0.8）ls（式中：l为中性点深度，ls为硬土持力层以上土层厚度）。

3.2单位负摩阻力的计算

3.2.1有效应力法

式中：σ'z—桩侧土深度z处的竖向有效应力，σ'z=p0+；

po—桩顶平面以上的土重堆载（kPa）；

z—自桩顶至计算断面的距离（m）；

uz—深度z处的超孔隙水压力（kPa），若工程中不易测定时，可取uz=0，即认为有效应力达到最大值；

K—水平有效应力与竖向有效应力之比，可近似取静止土压力系数Ko；

3.2.2按室内、外测定的土力学参数确定

对粘性土：qn=0.5qu或qn=cu

对砂性土：qn=0.2N+3

式中：qu—土的无侧限抗压强度（kPa）；

cu—土的不排水抗剪强度（kPa），可用十字板现场测定；

N—标准贯入击数。

3.3下曳荷载的计算

式中：qni—第i层土的负摩阻力；

U—桩的周长（m）；

Δlni—第i层土的厚度（m）；

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

po—作用于桩顶标高的单位地面荷载（包括土重）（kPa）；

ξn—负摩阻力与竖向有效应力的比例系数，一般ξn=0.15～0.50，粘性土较小，而砂性土较大。

3.4考虑负摩阻力时，验算桩的承载力

根据工程实践经验，对于考虑负摩阻力作用时桩承载力的验算可按下式进行：

桩身强度按下式验算：

式中：Fd—作用于桩顶的长期设计荷载（kN）；

Qn—由负摩阻力引起的下曳荷载（kN）；

Rsu、Rpu—分别为桩侧总正极限摩阻力和桩端极限阻力（kN）；

Ap—桩身横截面面积（m2）；

Sp—桩身短期容许强度（kPa）；

Kn—考虑负摩阻力的承载力安全系数，依据建筑物重要性和对沉降的敏感性而定，可取1.2～1.3。

4 群桩负摩阻力的计算

4.1负摩阻力的群桩效应

负摩阻力的群桩效应表现为两个方面：（1）受桩间土体积、重量的限制影响而可能使群桩的负摩阻力降低。由于负摩阻力是由桩侧土体的沉降引起，若桩群中各桩表面单位面积所分担的土体重量小于单桩的负摩阻力极限值，则会导致群桩的负摩阻力降低，即显示群桩效应。（2）外围桩对于地面堆载附加应力起遮挡作用而使群桩的负摩阻力降低。可见，负摩阻力的群桩效应是使群桩所发生的负摩阻力降低，即小于相应的单桩负摩阻力。

4.2群桩负摩阻力的计算

假定单位长度的单桩负摩阻力由相应长度范围内半径re形成的土体重量与之等效，有：

式中：re—等效圆半径（m）；

d—桩身半径（m）；

qu—单桩平均极限负摩阻力（kPa）；

5 减小桩基负摩阻力的措施

对穿过欠固结等土层而支承于硬土层上的灌注桩，可采用两种措施减小其负摩阻力：一是在沉降较大的土层范围内插入比钻孔直径小5～10cm的预制混凝土桩段，预制混凝土桩段的外围充填稠度较高的膨胀土泥浆，以形成隔离层，对于泥浆护壁成孔的情况下，可在浇注下段混凝土

后，填入稠度较高的膨胀土泥浆，然后插入预制混凝土桩段；二是采用双层筒形塑料薄膜预先置于钻孔沉降较大的土层范围内，然后在其中浇注混凝土，使塑料薄膜在桩身与孔壁之间形成可自由滑动的隔离层。

6 计算实例

某跨河桥梁宽10 m，采用预制箱梁结构。共分3跨，中跨跨径20m，两侧边跨跨径16m，桥墩底设两根直径1.0 m桩基，经计算知桥墩底竖向荷载1895kN，相应的承载力为241.2kPa，桥墩基础均坐落在第③层重粉质壤土上，可见天然地基土质不能直接作为桥墩的持力层，需采用钢筋混凝土灌注桩基础。各土层物理力学指标见表1。

表1 交通桥各土层物理力学性指标建议值表

根据上述公式，考虑负摩阻力下拉作用时，计算得桩长为19.7m，不计时所得桩长为15.3m。由此可见，负摩阻力下拉作用对桩长的影响较大，在设计中应当予以重视。

7 结论

桩基负摩阻力是一个复杂的问题。随着计算机技术的发展，三维数值分析将成为计算负摩阻力的研究趋势，本文所提供计算方法及处理措施可为同类工程的设计与施工提供参考■