关于带负摩阻力的桩基础探讨

龙昊鹏（北京桑德环境工程技术有限公司北京101102）

0 引言

桩基础在工程项目中已被广泛应用。特别是在湿陷性黄土地区和软土地区，桩基础更为常见。负摩阻力作为特殊条件下桩基竖向承载力验算的一项内容，笔者在进行《衢州市城东污水处理厂（三期）项目》桩基础设计工作时发现，按照《桩基规范》进行负摩阻力有关计算时，取值选取标准有待完善、明确；进行桩基承载力检测试验时亦存在试验标准不明晰、不合理的问题。本文从负摩阻力产生机理、条件及危害；负摩阻力的计算方法探讨；带负摩阻力桩的检测取值标准与设计取值标准；减小负摩阻力的优化措施四个方面进行了阐述和探讨，结合相关规范提出了解决此类问题的建议方法，供今后类似桩基础项目设计研究参考。

1 负摩阻力的产生及危害

1.1 负摩阻力产生的机理及桩身受力特点

桩侧摩阻力的分布可根据桩与周围土的相对位移情况确定。桩基受荷后发生向下位移，包括桩身的弹性压缩和桩端土的沉降。同时，桩周土体也会由于堆载或者固结发生位移，当桩身沉降量大于该位置桩侧土体沉降量时，桩侧摩阻力方向向上，其值为正；反之，桩侧摩阻力方向向下，桩身承受负摩阻力作用。因此桩基出现负摩阻力的本质原因是桩周土体发生了大于桩身沉降的相对沉降位移。正、负摩阻力的分界点称为“中性点”。围绕中性点位置，桩身受力特点如下图1所示：

图1 桩身受力示意图

该深度以上桩周土体的下沉量大于基桩，基桩承受负摩阻力；该深度以下基桩的下沉量大于桩周土体，桩受正摩阻力；该点处桩土位移相等、桩侧摩阻力等于零；在该断面处桩身轴力最大，而不是在桩顶处。桩基为摩擦型桩时，由于受摩阻力的影响，桩的沉降增大，中性点向上移动，负摩阻力、中性点与桩顶荷载处于动态平衡。桩基为端承型桩时，产生的负摩阻力对基桩沉降影响很小，桩土间相对位移变化很小，中性点位置不发生变化，故负摩阻力构成的下拉荷载须作为附加荷载考虑。此下拉荷载引起的桩身轴力增量往往很大，可能降低桩身强度的安全度，甚至影响桩身强度的设计。

1.2 负摩阻力产生的条件

学术界经过多年分析研究，提出了不唯一的计算桩侧负摩阻力的计算假定与模型，通过试验与实际工程的结果表明“有效应力法”与实际较为接近。我国现行规范也是采用有效应力法理论进行桩基负摩阻力的计算。《桩基规范》中也给出了计算基桩承载力时应计入桩侧负摩阻力的几个条件：

（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时；

（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）时；

（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[1]；

（4） 在饱和软土中打入密集桩群，会引起超孔隙水压力土体大量上涌，而后土体重塑过程中，超孔隙水压力逐步消散，土体重新发生固结沉降，沉降量大于桩身沉降引起桩身负摩阻力产生。

1.3 桩基负摩阻力的危害

桩基负摩阻力及下拉荷载严重影响着工程的安全性。国内外研究人员做了大量的实验，积累了宝贵的实测数据。表1为各种桩型对应的负摩阻力和下拉荷载实测数据[2]。

表1 各种桩型对应的负摩阻力和下拉荷载实测数据

可见桩基负摩阻力及其引起的下拉荷载明显降低了桩基竖向承载能力，进一步发展还可能增加桩基的不均匀沉降、桩端地基屈服甚至造成桩身破坏等严重后果。在土体沉降较大的情况下，与不考虑桩基负摩阻力的桩基竖向承载力对比，负摩阻力的存在使桩基竖向承载能力数值下降可观，因此在工程中必须充分考虑桩基的负摩阻力。

2 负摩阻力的计算方法探讨

2.1 规范计算办法介绍及存在问题分析

《桩基规范》根据极限分析理论，采用基于中性点位置的经验方法，通过有效应力法来具体计算桩基负摩阻力值。极限分析理论方法计算简单，便于应用，但也有局限性，计算所得的结果通常偏大。另外，计算中涉及到的中性点位置，采用按桩端持力层土体性质确定的经验办法，准确程度不佳。

《桩基规范》中第5.4.3～5.4.4给出了当缺乏可参照的工程经验、实测资料时，带负摩阻力桩基承载力的验算办法以及桩侧负摩阻力的计算办法。但存在2个问题值得探讨：

（1）明确了摩擦型桩取桩身计算中性点以上侧阻力为零验算桩基竖向承载力；端承型桩区别于摩擦型桩，尚应考虑负摩阻力引起的桩基下拉荷载。但对于同时具有端承力与摩擦力的桩如何具体界定桩基类型，验算桩身竖向承载力时是否计取下拉荷载，规范并无明确说明。

（2） 中性点深ln定义区间偏大，变化区间达0.1l0，不同的取值会导致结果有较大不同，影响计算结果一致性。

2.2 本文建议计算办法

首先依据《桩基规范》5.4.2判定是否需要考虑桩侧负摩阻力。如据上步结果判断需要考虑桩侧负摩阻力，则按照项目桩型、桩长、地勘报告等资料分别估算桩侧阻力Qsk与桩端阻力Qpk数值（不考虑负摩阻力影响），桩侧阻力大于两者之和的50%则可判断为摩擦型桩，反之判断为端承型桩（在桩侧阻与桩端阻相差不多时，判定桩型进而确定是否考虑下拉荷载计算桩基承载力将大大影响计算结果，出于对项目经济性、适用性考虑，设计时应尽可能采取措施加大桩端阻，减小桩侧摩阻力，将桩归为摩擦型桩，减少无用投资）其次，计算中性点位置。本文提供两种办法计算中性点位置。

（1）在项目要求精确可靠分析桩基负摩阻力影响，验算桩基竖向承载力时，可按照桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算中性点位置（桩基的沉降受到软土沉降的影响，可根据Mindlin理论确定，土层沉降相对独立也可以计算）。

（2） 按《桩基规范》表5.4.4-2中的经验参数表确定中性点位置。笔者认为经验参数法计算方法概念清晰，应用方便，从工程安全角度考虑，需取表中较大数值取值来进行计算。

最后，按《桩基规范》5.4.4条计算负摩阻力。摩擦桩：取中性点以下桩侧阻力与桩端阻力之和；端承桩：取中性点以下桩侧阻力与桩端阻力之和，再减去中性点以上负摩阻力（下拉荷载）。一般情况下，qsik较小，即使不考虑地面分布大面积荷载时，计算所得通常会大于qsik，偏于安全考虑可直接计，按（5.4.4-3）计算下拉荷载。这时

2.3 算例

《衢州市城东污水处理厂（三期）项目》工程拟采用PHC-AB500(100)预制桩基础，桩顶标高-2.00m，平均桩长30m。基本地质情况详见图2，地基各岩土层桩基设计计算参数详见表2：场地整平后±0.00相当于绝对标高4.00m，需新填土约1.50m厚。由于新填土层影响，桩基工作带负摩阻力。

图2 地基情况示意图

表2 地基各岩土层桩基设计计算参数表

判断桩类型：经计算Qsk=1 490.84kN，Qpk=1 570.80kN，Qpk＞50%(Qsk+Qpk)，可根据本文判定为端承桩，需考虑负摩阻力引起的下拉荷载。

确定中性点位置：持力层为卵石层，中性点深度ln=0.9×24.6=22.14m

计算负摩阻力及下拉荷载：

按《桩基规范》（5.3.5）以及（5.2.2）计算单桩承载力：

单桩竖向承载力特征值：Ra=1 530.820kN

考虑负摩阻力的单桩竖向承载力特征值：

考虑下拉荷载后，单桩竖向承载力特征值：

3 带负摩阻力桩的检测标准与设计标准

桩基工程除应在工程桩施工前和施工后进行基桩检测外，尚应根据工程需要，在施工过程中进行质量的检验与检测[3]。其中在施工前检验和施工后检验阶段均需要对桩基进行竖向承载力检验。按照现行行业标准JGJ 106-2014《建筑基桩检测技术规范》（以下简称《基桩检测规范》）中规定，单桩竖向承载力检验分为单桩竖向抗压静载试验和高应变法。高应变法不但可以检验桩基竖向抗压承载力，还可以检测桩身的完整性。由于其较静载荷试验更加经济高效，在桩基条件满足《基桩检测规范》要求情况下，高应变法被更多的工程设计文件采用。比较两种试验过程和原理，不难发现无论是高应变法还是静载荷试验，负摩阻力的具体数值评估无法在试验中实现。相关的各种规范中亦没有特别提及带负摩阻力桩基的检测办法。应该说带负摩阻力的单桩竖向承载力检验无法与桩基受力模型及计算假定相符，尚需改进、提高和创新。

高、低应变法在桩基检测工程中应用广泛。低应变法用于检测混凝土桩桩身是否完整，判定桩身缺陷的程度，检测缺陷的位置。高应变法以重锤冲击桩顶，克服桩侧土的阻力使桩贯入土中。由于桩身产生变形，应变沿桩身向下传播，通过收集的数据进行分析计算，得出作用在桩侧土的阻力。不难发现，桩周土层的固结、沉降、变形需要一段时间，一个过程。重锤冲击桩顶是一个很短的瞬间，桩侧土的变形因素未考虑，桩基的负摩阻力也就无从评价和考虑。

在单桩竖向抗压静载试验中，试压荷载施加同样是在较短的时间内完成，而桩侧土体的变形需要相对很长的时间才能完成。由于时间上相差很多，所以在试压时间段内，桩侧土体的固结沉降变形几乎可不考虑。也就是说，即使是在典型的负摩阻力工况下，单桩竖向抗压静载试验过程中桩土相对位移与非摩阻力工况下相同。不存在中性点，所以计算分析中的中性点以上土层不会提供负摩阻力，还会表现为正常提供正摩阻力抵抗竖向荷载。这样在试验条件下是否考虑桩基负摩阻力并不影响试验结果。

据此，高应变法和单桩竖向抗压静载试验都无法正确评价带负摩阻力桩的竖向承载力。在一般设计文件中不会明确桩的竖向承载力是否考虑了负摩阻力和下拉荷载因素。这样使得桩的竖向承载力的评价标准不明确，结果明显不合理。目前，常用的不区分是否考虑负摩阻力因素的设计承载力作为桩基竖向承载力检验标准是偏于不安全的。所以，本文建议在桩基检测中，应当以不考虑负摩阻力因素的承载力作为桩基的竖向承载力检验标准；而在设计计算过程中，应以考虑负摩阻力、下拉荷载后的竖向承载力作为设计取值。上节算例中应以单桩竖向承载力特征值：Ra=1530.820kN作为桩基的竖向承载力检验标准；以考虑下拉荷载后单桩可提供的抵抗上部结构荷载的单桩承载力仅为为设计取值标准。可见两者差值不可谓不大。

4 减小负摩阻力的优化措施

桩周负摩阻力的存在使结构安全可靠度降低，明显提高工程造价。减小负摩阻力是保证工程质量和安全储备的重要方面。因此，在工程设计阶段和现场施工阶段应尽可能采取措施，最大程度地消除负摩阻力的影响，使得工程项目安全可靠，经济合理。借鉴已有工程项目经验，需要针对不同的工程条件，本文归纳了以下几种典型的方法措施：

（1） 对于新填土层或者欠固结软土中的桩基，可先对土层进行预压，降低土层的压缩性，待地基沉降基本稳定再进行桩基施工。从而降低负摩阻力的影响。但一般施工周期较长，在工期允许的情况下可采用此办法。

（2） 采用复合地基方法对可能产生负摩阻力的桩基础周围土体进行处理，可以有效地加固桩侧地基，消减负摩阻力，提高桩基整体承载力。如对有地面大面积堆载的桩基，采用深层搅拌桩预先处理浅层地基土；对自重湿陷性黄土地基采用强夯、挤密土桩等办法降低浅层地基土的沉降可能性，从而达到减少负摩阻力的效果。

（3） 尽可能减小穿过产生负摩阻力区域的桩侧面积，在允许条件下采用小截面基桩，小截面基桩在减少了桩侧负摩阻力同时也降低了竖向承载力，可能使桩基总数增加，这里面有一个经济合理性的计算问题。

（4） 对桩身进行技术处理，如使用套管桩，即在中性点以上部分桩身加套管，桩与套管之间涂满润滑油；相对于造价较高的套管桩，也可在沉桩前对桩身中性点以上区域涂抹沥青、油漆或其他能降低摩擦阻力的涂料减小桩侧摩擦系数，减少桩基负摩阻力。此办法操作简单，技术安全可靠，应用也最为广泛。

（5） 对于由地下水位下降引起的负摩阻力桩基础，可停止降水，保持水位稳定；还可以采用止水帷幕注浆隔水，从而减少负摩阻力影响。

上述五种措施，对于减少桩侧负摩阻力的效果有所不同。在工程的具体应用中，应区别对待。针对不同的措施，正确评价减小的负摩阻力效果，保证考虑负摩阻力的桩基竖向承载力取值合理安全。

5 结论

负摩阻力的存在降低了桩基承载能力，在工程中应得到重视并充分考虑。由于负摩阻力产生原因特殊，又受多个因素影响制约，导致快速准确计算、评价桩基负摩阻力显得更为复杂和繁琐。本文通过上述研究，得出以下建议：

（1）在带负摩阻力桩基竖向承载力估算过程中，用桩身侧阻力Qsk与桩端端承力Qpk的大小作为判断桩基为摩擦桩或端承桩的依据，提供两种算法确定中性点位置，计取进行负摩阻力计算并判断是否考虑下拉荷载。

（2）在考虑负摩阻力的桩基设计文件中，应明确提出负摩阻力产生条件以及相应量值大小，并严格区分作为桩基检测和基础设计的竖向承载力标准。在桩基检测时，以不考虑负摩阻力的承载力作为桩基的竖向承载力检验标准；而在设计过程中，以考虑负摩阻力的承载力作为桩基竖向承载力标准。

总之，在有可能产生桩侧负摩阻力的桩基础项目中，应对不同原因、不同条件下产生的负摩阻力进行分析，对不同项目采取有针对性的措施，并对采取不同措施时减小负摩阻力效果大小正确评价，设计阶段、施工阶段、检测阶段紧密配合，才能保证桩基础全过程安全可靠，经济合理。