深厚填土中桩基负摩阻力问题的探讨

林盈盈

(厦门合道工程设计集团有限公司 福建厦门 361004 )

深厚填土中桩基负摩阻力问题的探讨

林盈盈

(厦门合道工程设计集团有限公司 福建厦门 361004 )

针对深厚填土中桩基负摩阻力的问题，介绍了负摩阻力产生的机理、产生的条件、减小桩基负摩阻力影响的方法，本文通过“平潭海峡如意城项目”的设计实例，介绍了桩基负摩阻力的设计方法及步骤，供类似工程设计时参考。

深厚填土层;桩基;负摩阻力;下拉荷载

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引 言

近年来，拥有海岸线的一些沿海城市，提出了“发展海洋经济”的战略、“向海洋要土地”的口号，并掀起了围填海的热潮，于是，中国房地产像浪潮一样从陆地向海洋蔓延开来。而围填海新增的“土地”，形成厚填土地基场地，桩基设计时，最常见的便是深厚填土中桩基负摩阻力问题，负摩阻力增加了桩身的外加荷载，如果桩基设计时未能充分考虑负摩阻力的影响，基础有可能产生沉降过大或桩身轴力过大，严重时，可能使桩身破坏或桩端地基土破坏，影响结构安全。因而，深厚填土中的桩基负摩阻力的考虑成为桩基设计中重要的环节。本文通过一工程实例，探讨深厚填土中的桩基负摩阻力对桩基设计的影响，为今后工程设计提供参考。

1 负摩阻力产生的机理[4]：

桩基承载力是由桩侧摩阻力和桩端承载力组成的，由于桩—土间的相对位移促使桩侧产生摩阻力。

1.1 桩侧正摩阻力

在正常工作情况下，桩顶承受了上部荷载，桩身在上部荷载的作用下产生相对桩周土向下的位移，桩周土体对桩身产生向上的侧摩阻力，以抵抗桩身向下的位移，即为桩侧正摩阻力，详(图1)；

1.2 桩侧负摩阻力

当桩周土体因沉陷或固结而产生大于桩身的沉降时，桩侧摩阻力由抵抗桩下沉的力变成拽着桩下沉的力，即为桩侧负摩阻力，详(图2)；

图1 桩侧正摩阻力 图2 桩侧负摩阻力

2 负摩阻力产生的条件

设计中遇到以下地质情况，需考虑桩的负摩阻力。

(1)桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层；

(2)桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载(包括填土)；

(3)由于降低地下水位，使桩周土有效应力增大，并产生显著压缩沉降时；

(4)其它能导致桩周土体相对桩身产生向下位移的因素。

3 考虑负摩阻力的桩基承载力设计步骤

3.1 桩基负摩阻力引起的下拉荷载的计算

3.1.1 中性点位置的确定

桩侧正、负摩阻力分界点称之为中性点，中性点截面桩身的轴力最大。工程实测表明，在高压缩性土层l0的范围内，负摩阻力的作用长度，即中性点的稳定深度ln，是随桩端持力层的强度和刚度的增大而增加的，其深度比ln/l0的经验值详(表1)[1]。

表1 中性点深度ln

注：ln、l0——分别为自桩顶算起的中性点和桩周软弱土层下限深度；

3.1.2 基桩下拉荷载：(中性点以上的负摩阻力总和即为下拉荷载,它增大了桩身荷载)

(1)负摩阻力的规范计算方法——有效应力法[1]：多数学者认为桩侧负摩阻力的大小与桩侧土的有效应力有关，大量试验与工程实测结果表明，实测值与规范计算值相近；

b、ξni：桩周第i土层负摩阻力系数(表2)[1]；

e、γi、γe：第i计算土层和其上第e土层的重度，地下水位以下取浮容重。

f、Δzi、Δze：第i计算土层和其上第e土层的厚度。

表2 负摩阻力系数ξn

注：a、在同一类土中，对于挤土桩，取表中较大值，对于非挤土桩，取表中较小值； b、填土按其组成取表中同类土的较大值。

(2)负摩阻力的标准贯入试验法[2]：

注：式中Ni为桩周第i层土经钻杆长度修正的平均标准贯入修正试验击数

(3)负摩阻力的不排水抗剪强度试验法[3]：

注：式中qu为桩周第i层土的无侧限抗压强度室内试验值 Cu为桩周第i层土的不排水抗剪强度

(4)负摩阻力的经验值法[3]，详表3：

表3 负摩阻力标准值：

对于桩距较小的群桩,其基桩的负摩阻力因群桩效应而降低。因此计算群桩中基桩的下拉荷载时要考虑群桩效应。

3.2 考虑负摩阻力的桩基承载力验算

3.2.1 对于摩擦型桩基：由于受负摩阻力沉降增大，中性点随之上移，即负摩阻力、中性点与桩顶荷载处于动态平衡。作为一种简化，取假想中性点(按桩端持力层性质取值)以上摩阻力为零验算基桩承载力。按下式验算基桩承载力：

Nk≤Ra

3.3 当土层分布不均匀或建筑物对不均匀沉降较敏感时，由于下拉荷载是附加荷载的一部分，故应将其计入附加荷载进行沉降验算。

注：式中Ra只计中性点以下部分的侧阻值及端阻值。

4 深厚填土中的桩基负摩阻力工程案例

4.1 工程概况

“平潭海峡如意城某项目” 拟建场地原为盐场，经后期人工回填成现场地，其四周均为海湾，该地块总建筑面积253347 m2，其中地上建筑面积173402 m2，地下建筑面积79944 m2。拟建物主要为6 栋15～23 层的办公楼、2～3 层的裙房及2 层整体地下室组成，建筑物最大高度为98.75m。根据地勘报告揭示，桩周存在约33m厚的饱和流塑淤泥质土，具体地层结构情况详(表4)。基础采用冲(钻)孔灌注桩，桩端持力层为中风化花岗岩(9)的嵌岩桩(桩基沉降不需计算可满足要求)，①～⑤层土需考虑桩侧负摩阻力的影响，建筑抗浮设计水位为黄海标高5.3m。

表4 土层情况

4.2 桩基负摩阻力引起的下拉荷载的计算(选取有代表性的钻孔ZK31、ZK121进行计算)

4.2.1 土层情况

土层ZK31ZK121土层厚度(m)γiΔzi土层厚度(m)γiΔzi①层素填土0000②-1层淤泥质土10.5575.966.0043.2②-2层含粉砂淤泥质土10.5082.954.5035.55②-3层淤泥质土7.0053.97.2055.44③层粉砂0.0002.9024.65④层粉质粘土9.4078.025.3043.99⑤层淤泥质土1.07.26.1043.92

土层有效应力σ'i((kN/m2)ZK31ZK121②-1层淤泥质土37.9821.60②-2层含粉砂淤泥质土117.4460.98②-3层淤泥质土185.86106.47③层粉砂212.81146.52④层粉质粘土251.82180.84⑤层淤泥质土294.43224.79

4.2.3 桩侧负摩阻力标准值qsi：

土层桩负摩阻力系数ξni桩侧负摩阻力标准值qsiZK31ZK121②-1层淤泥质土0.155.70(5.70)3.24(3.24)②-2层含粉砂淤泥质土0.1517.62(10)9.15(9.15)②-3层淤泥质土0.1527.88(10)15.97(10)③层粉砂0.3574.48(30)51.28(30)④层粉质粘土0.2562.96(20)45.21(20)⑤层淤泥质土0.1544.16(10)33.72(10)

ZK31ZK121中性点以上土层负摩阻加权标准值qns11.2612.08负摩阻群桩效应系数ηn1.391.30考虑群桩效应的基桩下拉荷载Qng(kN)1088971.18

4.2.5 下拉荷载对单桩承载力的影响

1)算法(1)：根据土的物理指标与承载力参数之间经验关系确定的单桩竖向极限承载力

标准值：

土层⑥层粗砾砂夹碎石⑦层全风化花岗岩⑧-1层砂土状强风化花岗岩⑧-2层碎块状强风化花岗岩⑨层中风化花岗岩总侧阻极限标准值(kN)总端阻极限标准值(kN)单桩承载力特征值Ra(kN)桩侧极限侧阻力特征值qsia(kPa)6595100130180ZK31土层厚(m)002.96.51侧阻极限标准值00728.482122.64452.163303.286531.204917

注：1、桩径800mm为例； 2、桩端极限端阻力标准值qpk=11000kPa； 3、单桩极限承载力标准值Quk= ψpqpk*Ap+ψsiup*sum(qsik*li)； 4、单桩承载力特征值Ra=Quk/2；

2)算法(2)：根据岩石饱和单轴抗压强度确定的单桩竖向极限承载力标准值：

土层⑥层粗砾砂夹碎石⑦层全风化花岗岩⑧-1层砂土状强风化花岗岩⑧-2层碎块状强风化花岗岩⑨层中风化花岗岩总侧阻极限标准值(kN)总端阻极限标准值(kN)单桩承载力特征值Ra(kN)桩侧极限侧阻力特征值qsia(kPa)6595100130180ZK31土层厚(m)002.96.51侧阻极限标准值00728.482122.64452.1632172961716417

注：1、桩径800mm为例； 2、岩石饱和单轴抗压强度标准值=72.78MPa 3、单桩极限承载力标准值Quk= ζr*frk*Ap+ψsiup*sum(qsik*li)，(ζr =0.81)； 4、单桩承载力特征值Ra=Quk/2；

3)下拉荷载对单桩承载力的影响

单桩承载力特征值Ra(kN)桩身承载力(kN)单桩承载力特征值Ra(设计取值)(kN)基桩下拉荷载Qng(kN)上部荷载对应的单桩承载力特征值Ra'(kN)下拉荷载/单桩承载力特征值(%)算法一:经验参数法49176717.0849171088382922%算法二:饱和单轴计算法164176717.0855411088445319%

4)小结

算法一：土的物理指标与承载力参数之间经验关系确定的单桩竖向承载力特征值约为4917kN；算法二：岩石饱和单轴抗压强度确定的单桩竖向承载力特征值约为16417kN，其承载力特征值由桩身强度确定，单桩竖向承载力特征值约为5541kN，深厚填土中桩基负摩阻力产生的下拉荷载约为1088 kN，下拉荷载约占单桩承载力特征值的19～22%。

5 由于国内有关规范中关于负摩阻力的计算公式多为经验公式，考虑的影响因素较为单一, 得出的中性点深度与实际受力不可能很准确；再者由于桩土相互作用的复杂性、原位测试费用昂贵，我国关于桩侧表面负摩阻力的现场原位测试仍然少见。鉴于上述原因设计考虑桩基负摩阻力的影响除了计算负摩阻力引起的下拉荷载外，还需结合项目的具体场地及地质情况采取减小桩基负摩阻力影响的方法：

5.1 预压法：即对拟建建筑物范围进行预压处理，加快填土的固结沉降。该方法操作简单，造价较低，但施工周期较长。

5.2 围护隔断法：此法适用于建筑物周边范围存在局部填土造坡的情况，施工顺序为施工围护桩——填土造坡——建筑物基础、主体施工，此方法单位造价较高，如果处理范围不大，对工程整体造价影响不大。

5.3 桩身处理：在工程桩一定范围内(中性点以上)涂以沥青等处理措施，可以改变桩土接触表面摩阻性能从而减小负摩阻力值，可借鉴各地实际工程数据，具体量化考虑。

5.4 压力灌浆法：通过机械压力使浆液渗入填土层和下卧土层中的裂隙和孔隙，快速固结填土层，此法适用范围广，但造价相对较高。

6 结语

深厚填土层中桩的承载力由中性点以下的桩侧和桩端土体来提供，负摩阻力引起的下拉荷载，对桩身施加附加荷载，从而引起桩基实际受荷的增加和有效承载力的降低；桩基设计时应充分考虑负摩阻力的影响，确保结构安全；对于深厚填土，也可采取有效措施减小桩基负摩阻力的影响，桩基设计时应留有余地。

感谢

本工程在设计过程中，得到了公司总工肖伟、杨玛莎教授级高工的悉心指导，在此深表感谢！

[1]JGJ94-2008,建筑桩基技术规范[S].

[2]JGJ94-94,建筑桩基技术规范[S].

[3]徐先坤.浅析桩基负摩阻力.同济大学地下建筑与工程系.

[4]张红亮.深厚填土中桩基自平衡试桩法及负摩阻力研究.中南大学2011.

Discussion of the issue of negative friction of piles in deep filling

LINYingying

(XIAMEN HORDOR DESIGE GROUP Co., LTD XIAMEN 361004)

For the issue of negative friction of piles in deep filling, this paper introduces the generation mechanism, generation conditions and methods to reduce the impact of negative friction. Through the " Pingtan Strait City of Satisfied-wishes " design examples, this paper introduces the design methods and procedures of negative friction of piles for reference to similar engineering design.

Deep Fill Soil; Pile; Negative Friction; Downward Load

林盈盈(1969.1- )，女，工程师。

2015-05-18

TU473

A

1004-6135(2015)07-0127-03