桩基负摩阻力效应及计算方法分析

桩基负摩阻力效应及计算方法分析

袁国彪

中国轻工业广州工程有限公司  广东广州  510000

摘要：改革开放以来，我国建筑业飞速发展，为国家经济发展作出了重大贡献。在工程建设中，就遇到各种建设难点，其中部分地区表层土为软土淤泥质土层，软土淤泥质土层的处理已经成为一项难以避免的工作，必须对其做出安全可靠的处理方案。当桩基工程是软弱可压缩土层时，桩侧土体会产生相对于桩身向下的位移，土在桩侧表面将出现向下作用的负摩阻力。本课题主要针对负摩阻力效应进行分析计算，对负摩阻力引起的下拉荷载标准值的计算方法进行了分析，并且结合工程实例进行验算，以负摩阻力对工程的影响为研究对象，

关键词：桩基；负摩阻力；中性点；下拉荷载

1工程概况

拟建项目位于中山市中山港街道，中山火炬开发区、国家级开发区园区内，地处中山火炬开发区珊洲村，南边沿江东三路，北临横门水道，东边“玻璃”涌，西边永安河涌。本场地地基土由第（1）层素填土、第（2）层淤泥质土、第（3）层残积砂质黏性土、第（4）层全风化花岗岩、第（5）层强风化花岗岩、第（6）层全风化花岗岩、第（7）层中风化破碎花岗岩、第（8）层中风化花岗岩组成。场地软土层为淤泥质土，承载力极低，具有高压缩性及流变性，易出现滑移破坏、导致坑壁外凸、坑底隆起、坑周地面沉降，基坑边坡失稳，引起基坑侧壁发生坍塌安全事故，在桩基设计时应考虑软土负摩阻力对桩侧的影响和桩基水平稳定性。具体地质资料见图1。

 图1

根据本次勘察原位测试、土工试验及岩石抗压试验结果，以及有关规范查值，结合本地区经验值，提出本场地各岩土层的主要物理力学参数推荐值，综合列于表1。

表1  岩土层力学参数推荐值一览表

注：1.根据广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DBJ 15-31-2016）第10.2.3规定，花岗岩地层中，泥浆护壁钻孔灌注桩侧摩阻力按软塑粘性土表中带（）的数值取值。

2.根据《建筑地基基础设计规范》(DBJ15-31-2016)表10.2.4，C1取0.32、C2取0.04，（C1、C2数值已乘以0.8）。

2 中性点位置的确定

桩侧的负摩阻力是由于软弱土层沉降而引起，产生负摩阻力土层的深度不一定是全部软弱土层下限深度，可能是桩侧局部软弱土层沉降范围。负摩阻力的大小与软弱土层的物理性质（厚度、摩擦阻力、重度等）、地面分布荷载、桩端部持力层刚性及桩身截面等因素有关。桩端持力层为较坚硬土层时，桩身上部高压缩土层下限深度，当高压缩软弱土层某一深度以上时，桩的沉降小于软弱土层的沉降，该段以上的桩侧摩檫力为负摩阻力；而压缩层某深度以下的土层，桩的沉降大于土的沉降，侧桩侧的摩檫力为正摩阻力，如果在深度处没有正摩阻力也没正摩阻力，桩身和桩身侧土相对位移为零，该点定义为中性点。中性点的位置按桩和土的摩擦力为零作为假定条件进行计算确定。本项目的中性点计算方法按现行《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）计算取值。

拟建项目桩基础持力层为强风化花岗岩，桩端持力层为岩基，中性点深度比，桩周软弱土层下限深度为22.2m，土深22.2m处的土沉降与桩沉降相对、摩檫力为零，故中性点深度= 1.0×=1.0×(22.2)m=22.2m。

3中性点以上的桩侧负摩阻力标准值计算

桩的负摩阻力标准值大小与桩身的沉降、高压缩土软弱土层的沉降、下沉时间的快慢及场地的大面积荷载等因素有关。由于影响桩负摩阻力的各种因素很复杂，可通过简化计算出负摩阻力大小，以工程的具体情况进行分析处理。现行规范《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）、《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）做出了简化计算，假定桩身在同一土层内的负摩阻力标准值是均匀分布，中性点以上单桩桩周第

层土负摩阻力标准值按下式计算：

当软弱土层产生固结和地下水降低时，。当地面分布大面积荷载时，。

式中： ——第层土层桩侧负摩阻力标准值，当计算值大于正摩阻力时，取正摩阻力值；

——桩周第层土层负摩阻力系数；

——由土自重引起的桩周第层土平均竖向有效应力，桩群外围桩自地面起算，群桩内部桩自承台底算起；

——桩周第层土平均竖向有效应力；

、——分别为第计算土层和其上e土层的重度，地下水位以下取浮重度；

、——第层土、第e层土的厚度；

——地面均布荷载。

本工程为高强预应力管桩，地面设混凝土梁板结构，分布于地面的土层荷载可取零，按现行规范推荐方法计算，算出本工程桩侧负摩阻力标准值计算值大于正摩阻力标准值，应取正摩阻力标准值作为负摩擦阻力标准值进行设计计算。综上所述本工程第（1）素填土层的桩侧负摩阻力12kPa，第（2）淤泥质土层的桩侧负摩阻力12kPa。

4 负摩阻力引起的下拉荷载大小

由于桩土间的负摩阻力产生下拉荷载，桩的下拉荷载大小可通过简化计算。

在群桩基础中，由于桩身间的高压缩性土的相互作用，会影响桩负摩阻力的大小，所以应考虑群桩中间的效应影响。群桩通过承台分配到各桩顶荷载，桩顶荷载在通过桩侧土的摩阻力和桩端反力传递到桩周和桩端土层。由于桩间距范围内，土体间的沉降会相会影响，因此定义群桩效应系数作为群桩的负摩阻力重要参数。按现行规范《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）计算群桩中基桩下拉荷载，应乘以群桩效应系数。计算公式如下：

式中：——群桩总的下拉荷载；

——桩中性点以上土层数；

——中性点以上第层土的厚度；

——负摩阻力群桩效应系数，≤1；

、——分别为纵、横向桩的中心距；

——桩中性点以上第层土所对应的桩周长；

——桩中性点以上桩周土层厚度加权平均负摩阻力标准值；

——桩中性点以上桩周土层厚度加权平均重度（地下水位以下取浮重度）。

本工程桩基建于高压缩软弱土层，按上式简化公式计算单根桩得由负摩阻引起的下拉荷载。单桩下拉荷载标准值：  

本工程桩基通过计算，负摩阻力影响的下拉荷载为 415kN，负摩阻力效应对单桩承载力影响很大，桩基设计时尚应考虑负摩阻力影响，单桩承载力需扣除下拉荷载，确保工程基础安全。

5单桩承载力静载试验取值

1.本工程桩基础桩端持力层为岩层，端承力为主，属于端承型桩基。按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）第5.4.3条计算中性点深度以上土层的正侧阻力为零，同时应扣除桩侧的负摩阻力。桩的承载力特征值Ra可表示为：

式中:--桩端阻力特征值;

——桩端横截面的面积;

——桩身周长;

——中性点深度以下土层(加权平均)侧摩阻力特征值;

——桩身长度;

——中性点深度。

2试桩时，由于中性点以上的桩周土发挥有正侧摩阻力效应，负摩阻力还没发生作用，此时桩的承载力特征值计算如下：

式中:—静载试验时，桩的承载力特征值。

试桩压力可取：

    3.柱脚荷载效应标准组合的竖向力，应为静载试验时桩的承载力特征值扣除中性点深度以上土层的正侧阻力和负摩阻力下拉荷载:

综上所述，本项目单桩承载力试验的压力值取3356kN，桩负摩阻作用力415kN，静载试验时中性点以上的正摩阻力为63kN，本项目实际工程应扣除负摩阻力和中性点以上的正摩阻力，故柱脚荷载效应标准组合的竖向力取1130kN作为工程桩抗力的设计值。

6 负摩阻力的影响

通过本工程案例分析，由于负摩阻力引起的下拉荷载，会降低桩承载力、增加基础沉降、引起桩身脆性破坏等不利因素，同时桩承载力的下降也影响工程造价。负摩阻力不是桩施工完后马上产生，是随着时间的变化引起，具有时间不确定性。作为工程人员在，必须要重视负摩阻力对工程的下列影响，确保工程安全。

（1）降低桩承载力。桩的负摩阻力应扣除中性点以上的正摩阻力，同时也对桩身产生向下的下拉荷载，从而降低桩的承载力。

（2）增加桩基沉降。桩负摩阻力也就是下拉荷载，实际也是增加桩受荷，由于桩的受荷载增加而引起桩基沉降的增加。

（3）桩身脆性破坏。负摩阻力的下拉荷载，导致桩身承受的轴力增大，当桩身轴力不断的增大，桩身的安全性会受到影响，当设计桩身强度小于桩身轴力时会发生桩的脆性破坏。

7 结语

（1）在计算负摩阻力的下拉荷载时，应先确定中性点位置，中性点确定位置后方可对桩的负摩阻力大小进行分析，中性点以上的高压缩性土的摩檫力为负摩阻力。

（2）群桩基础的负摩阻力，桩侧负摩阻力的大小应考虑群桩的影响，由单桩承载乘以群桩效应系数和根数，群桩效应系数与桩纵横向的中心距、中性点以上的土层重度和土质、桩的直径有关。

（3）静载试验时，中性点以上的桩周土发挥有正侧摩阻力效应，负摩阻力还没发生作用，单桩承载力特征值Ra，应为试桩的承载力特征值扣除中性点深度以上土层的正侧阻力和负摩阻力引起的下拉荷载。

（4）本工程算出桩的负摩阻力较大，在工程中对高压缩性软弱土层时引起的负摩阻力的影响

不可忽视，必须详细分析计算负摩阻力的大小，从而桩承载力需扣除负摩阻力作为结构抗力的设计值，确保工程百年大计。

        参考文献

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