天津地区桩侧负摩阻力分析

摘 要：天津处于渤海湾，滨海新区普遍分布欠固结软土，市区古沟坑、新近挖填沟坑遍布，由于软土及欠固结填土的自重固结、地表荷载作用等原因，引起桩侧土产生向下的摩阻力，导致单桩承载力减小，若不考虑向下摩阻力的影响，将使建筑物桩基础设计不安全，导致建筑物倾斜、开裂等不安全现象，同时，若考虑不当，夸大了向下摩阻力的影响，将导致桩基设计的大量浪费。那么，向下的摩阻力是什么、如何正确计算，本文在分别论述的基础上根据天津地区工程实际对桩侧负摩阻力进行分析计算，并提出了处理措施。

关键词：负摩阻力；中性点；下拉荷载；单桩承载力；滨海新区

中图分类号：TV131文献标识码： A

0引言

天津处于渤海湾，有九河下梢的古称，由于河湖众多，地势低平，造就了天津地区软土发育，特别是滨海地区淤泥、淤泥质土遍布，最大厚度达15m以上，含水量一般超过40%，最大达55%以上。特别是多年来填海造陆，形成了几百平方公里浅部淤泥质土发育的吹填陆地。

天津市区古沟坑遍布，一般深度5m左右，最大深度达12m以上，特别是2000年以来工程建设的大量实施，又在城市周边陆续出现了新的人工取土坑。对于这些古沟坑、新出现的取土坑，在后续的发展中，往往采用建筑垃圾等无序回填，造成填土质量差，基本处于欠固结状态。

随着天津地区开发开放的持续进行，大量工程及基础建设不断开展，沟坑场地、吹填及软土发育场地被开发建设，而由于欠固结土层的固结等所导致的工程隐患随之而来，如天津某项目，由于未重视欠固结土层所引起的桩侧负摩阻力的不利影响而导致建筑主体开裂，不得不进行工程修复。

为了避免工程事故的发生，给岩土工程从业者提供可借鉴的资料。本文根据天津地区地层特点，较为系统的介绍了有关桩基负摩阻力产生的条件、计算等，同时，结合天津地区工程实例进行分析，并提出了一些解决桩基负摩阻力不利影响的措施。

1相关概念

在某些情况下，桩周土产生向下的位移并且比桩的沉降量更大，此时桩周土对桩产生向下的摩阻力，称之为负摩阻力。负摩阻力分布于桩侧表面，对桩形成下拉荷载，它不但不能分担桩顶传来的荷载，而且成了桩的附加荷载。

由桩、土体系的荷载传递特征及桩的工作性状可知，对于桩周土产生负摩阻力的情况，桩身截面位移及桩的轴向压力从桩顶开始逐渐减小，桩周土的位移量从桩顶开始亦随深度的增加而逐渐减小，由于桩身刚度大，桩身位移量一般随深度增大递减较小，而桩侧土的位移随深度增大较小较快，当到某一深度是，桩身截面位移量与桩周土的位移量相等，在此深度时，桩周土位移相对桩身位移为零，此深度点被称为中性点。

天津地区由于淤泥质土固结、填土固结等均有可能对桩基产生负摩阻力。

2桩基负摩阻力的分析计算

2.1 中性点位置的确定

一般来讲，中性点的位置在成桩后的初期是变化的，它随着桩沉降的增加而向上移动，当桩沉降趋于稳定时，中性点也将稳定在某一固定深度处。要计算桩侧负摩阻力，必需首先确定中性点的位置，而中性点的位置与桩身沉降量、桩侧土的沉降量、桩端持力层强度及刚度等因素有关，对于目前工程中负摩阻力的计算，中性点的确定往往按经验确定，一般可按表1数值取值。

中性点深度ln表1

注：ln――中性点深度；l0――桩周沉降变形土层下限深度。

2.2 桩基负摩阻力的计算

根据负摩阻力产生的条件，可知负摩阻力与诸多因素有关，目前考虑各种因素的计算较为困难，一般工程中计算可按以下方法计算负摩阻力及其引起的下拉荷载。

（1）有效应力法计算负摩阻力

单桩负摩阻力标准值可按下式计算：

当降低地下水位：

当地面有满布荷载时：

式中： ――第i层土桩侧负摩阻力标准值；

――桩周土负摩阻力系数（与土质、桩型、成桩工艺有关），可按表2取值；

――第i层土平均竖向有效应力；

――第i层土底以上桩周土按厚度加权平均有效重度；

――自地面起算的第i层土中点深度；

p――地面均布荷载。

负摩阻力系数 表2

（2）按土的力学参数确定负摩阻力

对于粘性土，可按下式估算负摩阻力标准值；

或

式中：――第i层土的无侧限抗压强度；

――第i层土的不排水抗剪强度，可用十字板法测定。

对于砂类土，可按下式估算负摩阻力标准值：

式中：――第i层土经钻杆长度修正的平均标贯击数。

2.3 考虑负摩阻力的桩基承载力及沉降

负摩阻力对于桩基承载力和沉降的影响，随侧阻与端阻分担荷载比、桩周土沉降的均匀性及建筑物对不均匀沉降的敏感程度而异，应根据工程的具体情况考虑它对桩基承载力及沉降的影响。

（1）摩擦型桩基承载力

对于摩擦型桩基，当出现负摩阻力并对桩基施加下拉荷载时，由于持力层压缩性较大，使桩基产生附加沉降；当桩基一旦出现沉降，则土对桩的相对位移减小，负摩阻力随之降低直至转化为零。因此，对摩擦型桩基取桩身计算中性点以上侧阻力为零。此时，其桩承受的竖向荷载不能超过由桩身中性点以下的侧阻力及桩端阻力提供的承载力。

（2）端承型桩基承载力

对于端承型桩基，由于持力层较坚硬，受下拉荷载后产生的附加沉降很小甚至不引起附加沉降，此时，负摩阻力会长期作用于中性点以上的桩侧表面，因此必须计算中性点以上负摩阻力产生的下拉荷载，并将下拉荷载作为附加荷载。

（3）考虑负摩阻力的沉降计算

当产生负摩阻力的土层不均匀，各桩基周围受到不均匀堆载或不均匀降水时，各桩基则会出现不均匀的下拉荷载及沉降，这对不均匀沉降敏感的建筑物是相当不利的，所以当土层不均匀或建筑物对不均匀沉降较敏感时，应将负摩阻力引起的下拉荷载计入附加荷载验算桩基沉降。

3工程实例分析

根据天津市土质分布条件，选取有代表性地层分布的天津开发区某场地，对中心点位置、桩侧负摩阻力的计算等分析如下。

天津经济技术开发区某工程，场地地层分布及力学性质如表3。

该工程场地内地下水位一般埋深1.50m，据了解，该工程采用钻孔灌注桩基础，桩长26.00m，桩顶位于埋深1.00m处，桩端位于埋深27.00m处。由于堆填等原因，该场地顶部大面积受附加应力为15kPa，工程竣工后2年测得最大沉降量38.5mm。对该场地工程条件下桩侧受到的负摩阻力进行分析。

场地地层分布概况 表3

3.1桩周土沉降量及中性点的计算

按分层总和法，计算在大面积附加应力15kPa的作用下，从桩端埋深处到地表处沿桩身方向桩周土的沉降量如表4，桩侧土随深度变化如图1。由于桩端处应力的扩散作用，计算时认为桩端下土层的沉降一致，且不考虑桩身范围内软土层的固结沉降。

桩周土沉降量计算表 表4

根据竣工两年时观测到的最大沉降量为38.5mm，根据图1可看出桩周土与桩身沉降相等，即沉降量为38.5mm时的埋深约为14.6m，即中性点位置为埋深约14.6m处。中性点深度比为（14.6-1.0）/26.0=0.523。

根据表1中经验数值取值，由于桩端土为粉土，取中心点深度比为0.60，由于桩长为26.0m，则中性点埋深为1.0＋26.0×0.6＝16.6m。

计算中性点位置与按经验法计算中性点位置相差2.0m。

图1桩侧土随深度沉降量变化曲线

分析产生相差的原因主要有以下几点：

（1）经验法计算中性点位置未考虑桩侧土所受附加应力的大小，即按经验法取值时不考虑附加应力的大小，而实际是附加应力的大小对桩侧土的沉降量影响较大，进而影响到中性点的位置。附加应力越大，桩周土沉降量越大，相对于桩身沉降量一定的情况下，中性点位置越向下。

（2）经验法计算中性点位置考虑因素不全面。特别对于桩端土为粘性土的情况，上部荷载越大，桩身沉降量越大，相对于桩侧土沉降量一定的情况下，中性点位置越向上。

3.2单桩负摩阻力标准值的估算

（1）根据有效应力法估算

根据以上计算，中性点位置为埋深14.6m处，位于淤泥质粘土（3c）中，地面满布荷载p＝15kPa，按公式及计算各层土单桩负摩阻力标准值如表5。

根据有效应力法估算单桩负摩阻力表表5

（2）按土的力学参数计算单桩负摩阻力标准值

按公式计算单桩负摩阻力标准值如表6。

根据力学参数估算单桩负摩阻力表表6

根据两种计算结果对比可以看出以下几点：

(1)两种计算方法计算结果较为接近，随埋深的增大按有效应力法计算得出的值大于按土的力学参数计算值，并且大于正摩阻力值。

(2)软土地区按土的力学参数计算得出的负摩阻力标准值较为合理。

(3)以上计算是对采用钻孔灌注桩时的桩侧负摩阻力进行计算，由于采用的桩型不同，桩侧极限承载力标准值不同，因此，当负摩阻力的计算值大于正摩阻力时，对于不同的桩型，其负摩阻力标准值不同。

4负摩阻力的处理措施

由于负摩阻力的存在，造成单桩承载力的损失，严重时可导致桩基础的破坏，因此，在设计及施工中如何减小或消除负摩阻力的影响，是岩土工程师们必须面对的问题。

根据引起负摩阻力的原因，天津地区设计和施工中可以采用的处理方法。

（1）对于较厚松散填土，设计时可先设计采用碾压、强夯、堆载预压等地基处理方法，将松散填土压实，以减小填土的沉降，从而减小桩基负摩阻力的影响。同时在桩基设计时，尽量采用长桩，以减小负摩阻力段在整个桩身段的比例。

（2）对于淤泥质土，设计时可先设计采用排水固结法、堆载预压法等地基处理方法，使欠固结淤泥质土预先固结，待处理完成后再进行桩基设计及施工。

（3）由于人工降水或其他原因造成大面积地下水位下降而引起的桩侧负摩阻力，一般发生在桩基施工完成后，这时设计已经完成，可能的补救措施很难处理，这就要求设计人员在设计时充分考虑建筑物的重要性、建筑物所处的位置、地下水文情况，分析能否发生大面积地下水位下降的可能，若有，则根据分析水位下降的情况，应在桩基设计时考虑由于水位下降而引起的负摩阻力的影响。对于天津地区，在桩身范围内一般很少发生大面积地下水位的大幅下降，局部可能由于基坑开挖降水等原因引起地下水位的短期下降，对于高大建筑物，由于桩长较大，其影响相对较小，但对于采用短桩的低矮建筑物，其影响不能忽略，因此，基坑开挖降水时应评价对周围建筑物的影响。基坑开挖施工时，应做好周围建筑物的变形监测工作，发现异常情况应及时处理，并加快基坑开挖施工速度，减短水位下降的时间，以免发生由于工程降水产生的负摩阻力而导致建筑物变形、破坏。

（4）对于在饱和软土中进行桩距较密的打入桩施工，引起超孔隙水压力及土体大量上涌现象，在超孔隙水压力消散的过程中，重塑土重新固结时产生的负摩阻力，设计时可采用加大桩距、采用长桩等设计处理措施。由于这类负摩阻力在桩基施工过程中产生，在上部结构施工过程中，随着荷载的增加，桩基的沉降量不断加大，负摩阻力不断减小，一旦桩的沉降量超过桩周土的再固结沉降量，负摩阻力便消失。

以上各种处理方法，设计和施工在处理时，应综合考虑各种因素，对比处理方法之间的优劣，选择经济合理的处理方法。

5结论

根据以上的分析计算，可以得出以下几点结论。

(1)对可能发生桩侧负摩阻力的工程，应根据工程场地的实际土层分布、荷载情况进行负摩阻力的计算，对拟建物的沉降量可根据相近工程已有的沉降观测结果或沉降估算结果确定。

(2)软土地区的桩侧负摩阻力的计算宜根据土的物理力学参数，即无侧限抗压强度计算桩侧负摩阻力标准值。

(3)对于同一工程场地，当采用的桩型不同时，桩侧负摩阻力标准值有可能不同。

(4)天津地区，特别是天津经济技术开发区等沿海地区，由于一般桩基础均为摩擦型桩基，在发生桩侧负摩阻力的情况下，确定单桩竖向承载力时应取中性点以上土层桩侧阻力为零来估算单桩竖向承载力，在通过试桩确定单桩竖向承载力时亦应考虑负摩阻力的影响。

（5）对于桩基负摩阻力的影响，应根据场地地质条件、负摩阻力产生原因等综合分析后采取处理措施。

参 考 文 献

【1】中华人民共和国建设部，《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），中国建筑工业出版社，2008

【2】《工程地质手册》（第四版），中国建筑工业出版社，2007

【3】刘昌辉，《基础工程学》，中国地质大学出版社，1997

【4】《岩土工程技术规范》（DB29-20-2000），中国建筑工业出版社，2000