欠固结软土地基中减少桩基负摩擦力的方法★

傅建舟 李 强

0 引言

随着国家海洋开发战略的实施，我国沿海各省的临港工业蓬勃发展，临港建筑物的建造越来越多，这些建筑物大多建立于滩涂区围垦造地上。围垦区的建设用地多为沿海的滩涂、海塘等经围堰筑堤，通过吹填砂、冲填土、回填杂填土的方法形成陆域用地，上部有时还有人工所填的宕渣层，含有大量大粒径的抛石等。这种场地地基，表层土质疏松，其下分布着较厚的软土，如淤泥或淤泥质土。这些软土一般是静水或缓慢流水环境中沉积形成的，工程性质很差。譬如，我国东南沿海地区存在大量海相沉积软土，天然含水量高，大多呈流塑状态，粘粒含量多，富含有机质，结合水膜较厚，颗粒间联结力弱，造成土的压缩性大、灵敏度高、透水性差、固结慢等特点。沿海滩涂经围垦后形成建设用地，区内土层常表现出典型的欠固结土特性。由于这类地区工程建造项目地基软弱，大量使用桩基础形式，目前常采用的桩型为预应力高强混凝土管桩、钻孔灌注桩等普通桩型。这类桩在使用过程中发现当土层固结尚未完成时，有时还会因上部有较厚的回填层和较大的施工荷载产生固结，随着土层固结的发展，桩身将产生较大的负摩擦力，给桩的设计和使用带来隐患。此外，还存在软土地层较厚时，欲达到足够的设计承载力，桩所需长度很长，桩以端承桩为主，桩土摩阻力发挥较低，同时对于打入桩也常造成桩在打入过程中发生偏斜。因此有必要开展适宜于滩涂围垦欠固结软土地基的桩型的研究。

舟山群岛典型地层分布是在表层杂填土之下，通常有一层厚度不等的淤泥质粉质粘土，厚度通常大于5 m以上，有的达数十米。由于这种土层的存在，上部在回填较厚的宕渣层后，或者受到施工扰动的影响，上部土层随着时间的增长不断固结压缩，造成桩侧产生负摩擦力，有时这一负摩擦可能较大，影响到基础的沉降，从而给结构带来危害。因此开展减少负摩擦力的工程措施的研究十分必要。

1 桩基负摩擦力的产生与特性

桩的摩阻力是由于桩土之间的相对位移而产生的，当桩的向下位移小于桩周土的向下位移时产生负摩阻力。桩的向下位移包括桩身的弹性压缩和桩端土的沉降，桩周土的向下位移的产生有很多原因，譬如大面积堆载造成附加沉降、湿陷性黄土浸水沉降、多年性冻土发生融沉等。而在欠固结软土地基中，主要是欠固结土的固结沉降产生了桩周土的向下位移。由于土层的固结随深度变化，因此桩周土的沉降是变化的，在上部固结沉降较大，下部固结较小或可能已固结完成。当桩的向下沉降与桩周土的向下沉降一致时，存在一个所谓的中性点，如图1所示。考虑到软土的固结是随时间变化的，因此中性点在软土固结完成前也是变化的，当沉降趋于稳定时，中性点才相对固定下来。桩土的相对位移对于桩的承载性能发挥有着重要的影响，有时负摩擦力数值是相当大的，对于桩的承载力和桩身轴力的影响都很明显，特别是对于端承桩，最大轴力不是出现在桩顶，而是出现在中性点处，负摩阻力引起的桩身轴力增量会很大，可能降低桩身强度的安全度，甚至会影响桩身强度的设计[1］。

图1 桩身负摩擦力分布示意图[1]

2 桩基负摩擦力消除方法

当桩身上作用负摩擦力时是新的附加荷载，这一荷载在设计中往往并未考虑。在恒载和负摩擦力的作用下，使桩产生变形和沉降。如果外力超过桩材抗压强度，将使桩产生破坏，如果外力超过桩尖地基极限承载力，则将使地基屈服破坏，影响结构的安全。因此，应慎重对待桩基负摩擦力，采取有效措施予以消除或减轻[2］。

欠固结土中桩身负摩擦力现象长期以来为工程界所熟知，但消除或减小桩身负摩擦力的有效办法并不多，归纳来说主要有三类:地基处理法、界面处置法和桩基处置法。

地基处理法是通过采用各种地基处理手段预先使地基沉降或进行地基加固，减少地基的后期沉降，从而减少负摩擦力的产生。对于高压缩性地基，应首先考虑采用强夯等方法加固地基，以增强地基强度，减少压缩变形。但舟山地区上部地层大多为淤泥质粘土层，采用强夯时若控制不当，强夯效果不佳，常会出现“橡皮土”。其他地基处理方法如碎石桩、搅拌桩、预压固结等方法也可考虑，但需注意工期和地基处理的成本控制。

界面处理法是消除桩侧负摩擦力的一种有效措施，当负摩擦力很大时，可考虑采用设置滑动层的方法，以降低负摩擦力，减少用桩量，确保建筑物的安全。设置滑动层法是在桩身采用滑动层来减少桩土间的相互位移，从而减少负摩擦力，如设置沥青滑动薄层、桩身采用滑动外壳层或者在桩周充填膨润土等方法。采用沥青作为滑动层相对方便，也比较有效[3］，但不适用于含有粗粒土的地层，同时沥青层对环境和地下水可能会产生潜在的危害[4］，而采用增加滑动外壳层造成工艺复杂，施工中一旦发生偏斜则会破坏外壳层，施工十分不便。另一种是采用桩侧充填的方法减少负摩擦力，施工中可将桩头扩大10 cm左右，打桩后在桩周形成比桩身大的缝隙，往缝中灌胶质泥以减少桩侧阻力，该方法增加了工艺过程，可以在一定程度上降低负摩擦力，但同时也造成桩侧正阻力减少，总体效果不佳[2］。

桩基处置法是直接在桩型或桩的布置中采取有效措施降低桩侧负摩擦力的一种方法。在欠固结软土地基中采用桩基础时，常选用端承桩群桩基础，一般仅当持力层过深时，才选用摩擦桩基础。群桩法是在桩基础设计中采用较密的群桩，研究发现群桩效应对于减少负摩擦力具有明显的作用[5］，但群桩设置中的关键是桩间距，研究表明较小的间距可以取得更为有效的减少负摩擦的作用。在单桩独立基础时，有时为消除负摩擦，也可以在单桩周围设置小桩来减小负摩阻力。此外，Masatoshi Sawaguchi[6］通过砂土模型试验研究了楔形桩的负摩擦力，证明楔形桩具有减少负摩擦的作用，且楔角越大，这种作用越明显，但其研究只针对砂土且机理分析不够深入，欠固结软土地基中楔形桩减小负摩阻力的研究尚需进一步研究。

3 锥形桩减少桩基负摩阻力的原理分析

以端承桩为例，某锥形单桩呈一定的锥角埋置于欠固结地基中，当地基固结沉降时，桩侧土层沉降大于桩身变形，桩相对于土层有向上运动的趋势，桩侧产生负摩擦力，同时由于桩呈锥形，桩向上运动造成桩土出现分离的趋势，因此桩土间的负摩擦力小于直桩，如图2a)所示。当采用锥形群桩时，由于桩与桩之间存在相互作用，抑制了桩间土的固结沉降，从而使桩侧摩阻力减少，称为土拱效应，如图2b)所示。群桩间的距离不宜过大，这样有利于群桩土拱效应的发挥。

图2 锥形桩减少负摩擦力的原理示意图

4 结语

结合舟山地区土层的分布特点，我们建议为有效防止滩涂围垦区的欠固结软土地基中桩基产生负摩擦力，可以采取锥形群桩，并在施工前采用强夯法预先处置，若不便采用强夯，可以考虑加密的群桩来消除负摩擦力。这里所提出的方法目前还缺乏现场实证，因此以此为出发点开展深入的理论和现场实证研究是非常必要的。

[1]夏力农，王星华.带负摩阻力桩基的设计与检测[J］.岩土力学，2003，24(sup):491-494.

[2]唐业清.桩基负摩擦力的测定和降低方法[J］.工程勘察，1980(6):98-110.

[3]Jean-Louis Briaud.Bitumen selection for reduction of downdrag on piles[J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1999，123(12):1127-1134.

[4]Albert T.Yeung，Rajan Viswanathan，Jean-Louis Briaud.Field Investigation of Potential Contamination by Bitumen-Coated Piles[J］.J Geotech.Engrg，1996，122(9):736-744.

[5]Lee C.Y.Pile groups under negative skin friction[J］.Journal of Geotechnical Engineering，1993，119(10):1587-1600.

[6]Masatoshi Sawaguchi.Model tests in relation to a method to reduce negative skin friction by tapering a pile[J］.Soils and Foundations，1982，22(3):130-133.