负摩阻力对桥梁桩长的影响分析

摘要：阐述了桥梁桩基负摩阻力产生的原因，论述了确定桩基中性点的方法；在浅滩围垦形成的软土地区，进行桥梁桩基设计时应考虑负摩阻力对桩长的影响；最后提出了减小负摩阻力的措施。

关键词：软土地区；负摩阻力；中性点

中图分类号：TU471.8 文献标识码：A 文章编号：

1引言

1.1 区域概述

温州市瓯江口新区起步区位于温州都市区东部，瓯江入海口处。本区属浅滩围垦形成的城市新区，区内腹地开阔平坦，前后均面海，受海风、潮汐等影响较大，建设时需重视堤坝、路基、建筑基底等的加固，以避免高密度建设导致的地面沉降。规划区内规划了几条景观河，片区内所有道路的跨河桥梁全部共40多座桥梁。

1.2 地层分布特征

地层岩性自天然地表往下依次可分为：

1、①层素填土：为新近回填，层厚1.40m。

2、②1层淤泥质粉质粘土：流塑，层厚3.8m。

3、②1’层粉砂淤泥：流塑，层厚6.6m。

4、②2层淤泥：流塑，层厚25.3m。

5、③1层淤泥质粘土：流塑，层厚16.7m。

6、④2层粉质粘土：软塑状，层厚10.5m。

7、⑤2’层卵石：灰色，饱和，中密状，层厚22.4m。地质钻孔图

地基岩土层承载力参数表

层号 地 层 名 称 地基土容许承载力［faO］（kPa） 桩侧土摩阻力标准值qіk (kPa)

① 灰色淤泥质粉质粘土 50 10

②1’ 灰色淤泥混粉砂 55 11

②2 灰色淤泥 50 11

③1 灰色淤泥质粘土 65 18

④2 粉质粘土 90 28

④3 圆砾 250 120

⑤2’ 卵石 400 150

根据本区域的地勘报告建议，上部①层素填土、②1层淤泥质粉质粘土、②1’层粉砂淤泥、②2层淤泥；③1层淤泥质粘土均属欠固结土，桩基设计时需考虑因上部土层固结沉降产生附加荷载或由于降低地下水位，使桩周土中有效应力增大，并产生显著压缩沉降而引起桩侧负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响。因此，本文将在桩基设计时考虑负摩阻力对桩基承载力的影响。

2 负摩阻力概述

2.1负摩阻力基本概念

桩基础是桥梁基础中常用的形式。当地基土层较软弱，且较厚时，常常采用桩基础。桩基础的作用是将墩台传来的外力由桩群经过地基上部软弱土层传到较深的地层中去。一般情况下，桩顶在上部结构的压力作用下，桩相对周围土体向下位移，土对桩施加向上的摩擦力，称为正摩阻力，正摩阻力构成桩基承载力的一部分。当桩侧土体因某种原因而下沉．且其沉降量大于桩的沉降量时，此时桩侧土体将对桩产生向下的摩阻力，称为负摩阻力，负摩阻力实际上成为作用在桩上的下拉荷载，从而减少了桩的承载力，增加了桩上荷载，并可能导致过量的沉降。因此，在桩基设计时，特别在软土地区，应特别重视负摩阻力对单桩容许承载力的影响。

2.2负摩阻力形成机理

桩基负摩阻力的分布范围由桩与桩周土的相对位移确定。在桩的某一断面上桩与土相对位移为零，该断面被称为中性点。中性点是作用于桩身所有向下的力和所有向上的力的平衡点。向下的力包括桩顶荷载和负摩阻力产生的下拉荷载。向上的力包括正摩阻力和桩端反力。

负摩阻力计算一般仅考虑中性点以上部分，所以要计算负摩阻力，首先要确定中性点位置。中性点深度ln应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件确定。目前，多采用依据一定的试验结果得出的经验值，或近似的估算方法。本文中性点位置根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）中第5.3.2条文中对中性点深度ln的经验公式进行确定，见下表。

中性点深度ln 的确定

持力层性质 粘性土、粉土 中密以上砂 石、卵石 基岩

中性点深度比ln / l0 0.5～0.6 0.7～0.8 0.9 1.0

注：ln 、l0分别为中心点深度和桩周沉降变形土层下限深度。

2.3负摩阻力计算方法

目前对于负摩阻力及下拉荷载的大小的计算方法，主要为有效应力法、土工参数法、数值分析法等。目前，《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）和《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)均推荐有效应力结合经验公式来计算桩基负摩阻力。

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）中第5.3.2条文说明按以下方法计算单桩负摩阻力：

式中： 为单桩负摩阻下拉力（KN）；u为桩身周长（m）； 为中性点以上各土层厚度（m）； 为与 对应的各土层与桩侧负摩阻力计算值（kPa）； 为负摩阻力系数；为桩侧第i层土平均竖向有效应力（kPa）。

3 工程计算实例

3.1 基础资料

温州市瓯江口新区起步区中某座5跨20米预应力混凝土简支桥面连续梁桥，桥墩采用桩柱接盖梁的形式，桥墩盖梁高度为1.4米，宽度为1.4米；柱直径为1.2米，桩直径1.2米；桩基顶部横向连接采用1.0×1.2米系梁。桩顶最大竖向荷载为3550KN。

3.2负摩阻下拉力计算

根据地勘资料，本桥中性点深度为：ln=0.9， l0=33.4m；

负摩阻力值计算表格

3.3 负摩阻力对桩长的影响

采用“桥梁通”软件计算出桥墩桩长，并采用Excel编制表格进行核算。

不考虑负摩阻力的桩长计算 考虑负摩阻力的桩长计算

通过计算，不考虑负摩阻下拉力时桩长约为68m，考虑负摩阻下拉力时桩长约为77m。可见，负摩力对本桥桩长的影响较大，设计时必须给予考虑。

4 工程中减小负摩阻力的措施

4.1 根据温州地区工程经验及本工程桥址地质情况，宜适当缩小桩径和桩距，使桩端最好位于承载力较高的地层。

4.2 负摩阻区采用钢套筒，可以在钢套筒与桩之间涂油，从而减小负摩阻力对桩基的影响。

4.3 对于本工程所在的软土地基，建议采用预压处理减小负摩阻力的产生的可能性。

5、结语

在软土地区，由于工程地质的复杂性，桩基沉降相对于桩周土体沉降的大小，沉降速率等对负摩阻力的大小均有影响；在软土地区，由于密集桩群施工造成土的隆起和随后的再固结，也会产生桩基负摩阻力。因此，在软土地区，应特别重视负摩阻力对桥梁桩长的影响。本工程负摩阻力的计算采用规范推荐的经验公式，建议在桥梁施工前应进行试桩试验，以便得到可靠的试验数据，及时调整桩基设计参数。桥梁桩基负摩阻力的确定是一个复杂问题，因此软土地区负摩阻力的研究仍需要进一步的努力。

参考文献：

[1] JTG D63-2007,《公路桥涵地基与基础设计规范》[S]

[2] 赵明华.桥梁桩基计算与检测[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3] JGJ94-2008,《建筑桩基技术规范》[S]

作者简介:尹晨霞，女，1979年10月生，河北承德人，硕士，工程师，中国市政工程华北设计研究院工作，从事市政工程设计。