浅谈湿陷性黄土场地桩基的负摩阻力

胡静静

摘 要：根据湿陷性黄土的特点，初步论述了桩基负摩阻力产生的原因及基本特征，指出了其对桩基的不利影响，并结合相关规范、规程介绍了桩基负摩阻力、中性点的计算方法和减小桩侧负摩阻力采取的措施。

关键词：桩基础；负摩阻力；中性点；湿陷性黄土

1 前言

我国分布有大面积的湿陷性黄土，以覆盖广、厚度大著称于世。湿陷性黄土作为一种特殊性质的土，其土质较均匀、结构疏松、孔隙发育。在未受水浸润时，一般强度较高，压缩性较小。当在一定压力下受水浸湿，土结构会迅速破坏，产生较大附加沉降，强度迅速降低。当自重湿陷量的实测值Δzs或计算值Δzs小于或等于70mm时为非自重湿陷性黄土；大于70mm时为自重湿陷性黄土。

随着高层建筑和大型工业建筑的发展，有些浅埋基础与地基的承载力往往不能满足设计要求，因而自20世纪90年代以来，在湿陷性黄土地区采用灌注桩和预制桩基础的工程日益增多。在确定自重湿陷性黄土场地的桩基承载力时，除不计湿陷性土层范围内的桩周正摩阻力外，还要扣除桩侧的负摩阻力。因此合理确定桩基负摩阻力是湿陷性黄土地区桩基设计的关键，决定了桩基设计的安全性和经济性。

2 负摩阻力产生的原因和特征

桩基础承载力是由桩周土的摩阻力和桩端阻力共同组成的。其中摩阻力又可以分为两种，当桩相对于土体产生向下的位移时，土主要表现为对桩的支撑作用，产生正摩阻力；反之，产生负的摩阻力，其分界点称之为中性点。在该点，桩土相对位移为零，既没有负摩阻力，又没有正摩阻力。桩身轴力最大。中性点以上的负摩阻力总和称为下拉荷载。

产生负摩阻力的原因，是由于桩周土的沉降变形大于桩的沉降变形而致。而造成桩周土沉降变形的原因是多方面的，因而产生负摩阻力的原因很多，主要有下列几种情况：

（1）位于桩周的欠固结软粘土或新近填土在其自重作用下产生新的固结；

（2）大面积地面堆载使桩周土层压密固结下沉；

（3）自重湿陷性黄土浸水后产生湿陷；

（4）灵敏度较高的饱和粘性土，受打桩等施工扰动（振动、挤压、推移）影响，附加孔隙水压力增加，随后又继而产生新的固结下沉。

在上述各种情况下，土的自重和地面上的荷载都将通过负摩阻力传递给桩。桩的负摩阻力问题必定与地基内软弱土层或湿陷性土的存在有关。这种土层愈厚，负摩阻力的影响也就愈大。

3 负摩阻力对基桩的影响

桩表面负摩阻力的主要影响后果是增加桩内轴向荷载，从而使桩轴向压力和压缩量增加，有效承载力降低，并且在摩擦桩情况下可能引起桩的沉降有较大的增加。

《湿陷性黄土建筑规范》（GB 50025-2004）5.7.2条规定：在湿陷性黄土场地采用桩基础时，桩端必须穿透湿陷性黄土层，并应符合下列要求：

（1）在非自重湿陷性黄土场地，桩端应支承在压缩性较低的非湿陷性黄土层中；

（2）在自重湿陷性黄土场地，桩端应支承在可靠的岩（或土）层中。

4 桩基负摩阻力的计算

4.1 桩侧负摩擦力的计算深度

目前国内外，一般以桩身的中性点作为计算桩侧负摩擦力深度的下部界限，而桩身的中性点取决于桩和桩周土层的相对位移均相同的位置。

图1 桩周正、负摩擦力和中性点随土层浸水深度的变化

一般来说，中性点的位置，在初期多少是有变化的，它随着桩的沉降增加而向上移动，并与土的湿陷性质、浸水时间、浸入土层中的水量和浸湿范围等因素有关，只有当桩周的湿陷性黄土层充分浸水引起的下沉量完全稳定后，桩身的中性点位置也将稳定在某一固定的深度ln处。

中性点深度ln应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定，也可参照表1确定。

注：1 ln、l0-分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软弱土层下限深度

2 桩穿过自重湿陷性黄土层时，ln可按表列值增大10%（持力层为基岩除外）

3 当桩周土层固结与桩基沉降同时完成时，取ln=0；

4 当桩周土层计算沉降量小于20mm时，ln应按表列值乘以0.4～0.8折减。

4.2 桩基负摩阻力大小计算

负摩阻力对基桩而言是一种主动作用。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，不同负摩阻力计算式中也多反映有效应力因素。大量试验与工程实测结果表明，以负摩阻力有效应力法计算较接近于实际。

國内相关规范中考虑桩基负摩阻力问题的计算方法总体上属于经验法的范畴，所给出的计算公式也简单易用。

（1）《湿陷性黄土规范》

在非自重湿陷性黄土场地，当自重湿陷量的计算值小于70mm时，单桩竖向承载力的计算应计入湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力。在自重湿陷性黄土场地，除不计自重湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力外，尚应扣除桩侧的负摩擦力。桩侧负摩阻力应进行现场试验确定。当进行现场试验确有困难时，可按表2估算。

4.3 基桩考虑负摩阻力的设计验算

自重湿陷性黄土场地，桩周负摩阻力对基桩承载力和沉降的影响应根据工程的具体情况进行专门的设计验算。当验算不满足时，可对场地自重湿陷性土层进行预处理，消除自重湿陷性，也可采取其他减小桩侧负摩阻力的措施。

（1）基桩承载力验算

计算基桩竖向承载力特征值Ra ，可取桩身计算中性点以上侧阻力为零，桩身中性点以下，取饱和状态下的桩侧摩阻力及端阻力，对于摩擦型基桩，按下式验算基桩承载力。

Nk ≤Ra

对于端承型基桩除应满足上式要求外，尚应考虑负摩阻力引起的下拉荷载Qgn，按下式验算基桩承载力。

Nk +Qgn≤Ra

（2）沉降验算

受负摩阻力或下拉荷载引起的建筑桩基沉降变形计算值不应大于桩基沉降变形允许值。可能发生局部性浸水而产生的相邻基础的沉降差不得大于桩基沉降变形允许值。具体计算方法可参照相关规范执行。

5 结语

在我国的工程实践中，桩侧负摩阻力已成为湿陷性黄土场地桩基设计的主要问题。目前，对于桩基负摩阻力的研究虽然在数值计算和理论研究方面均有了较多的成果，但仍存在一些问题：

（1）黄土地区进行的桩基现场浸水试验研究数量依然偏少，导致我们对黄土地区桩基在浸水作用下的工作性状始终不能有全面的认识。《湿陷性黄土地区建筑规范》条文说明叙述到：“鉴于目前自重湿陷性黄土场地桩侧负摩阻力的试验资料不多，本规范有关桩侧负摩阻力计算的规定，有待于今后通过不断积累资料逐步完善”。

（2）中性点问题是桩基负摩阻力问题的核心问题之一，已有现场试验表明中性点的位置和规范规定之间还存在差别，但怎么准确计算中性点位置还没有现成的方法。

（3）影响湿陷负摩阻力大小的因素，如湿陷量、实现速率、浸水面积、桩顶荷载、桩土相对刚度、桩长等对其的影响不够明确。

（4）在大厚度湿陷性黄土场地，按理论和经验设计的桩基桩长往往非常长，偏于保守，而现场试验结果表明桩长仍有一定缩短的空间，但缺乏理论支持。

湿陷性黄土作为一种特殊性土，桩基的桩土相互作用与负摩阻力问题极其复杂，仍然有很多问题有待我们继续深入研究。

参考文献

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[2] JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].

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[4] 徐先坤，刘伟涛，叶铁锋.浅析桩基负摩阻力[J].工程地质学报，1004-9665/2008/16（Suppl）-0365-04