浅谈桩基负摩阻力的计算方法及中性点位置的选择

顾云佳

(西华大学土木工程学院，四川成都 610039)

桩基础的使用历史悠久，在史前人们就开始使用木桩来支撑房屋，而随着近代工业技术的发展和科学技术的进步，桩的材质、分类、施工方法都有着日新月异的发展。如今，桩基础已成为在土质不良地区修建各类建筑所采用的最普遍的基础形式之一，而且在高层、超高层建筑、桥梁、近海结构等工程中使用更为广泛。

如果使用桩作为支撑结构的基础形式，那么负摩阻力将是设计工作者不可逃避的名词。它广泛存在于桩基工程中，在自重湿陷性土层、欠固结土层等不良土质地区体现得尤为明显，若处理不当将导致严重的桩基功能失效。因此，深入探讨桩基的负摩阻力分布规律及计算方法，对实际工程来说具有重要的意义。

1 负摩阻力产生的原因及影响

在桩顶竖向荷载作用下，桩和地基土之间产生相对位移时，桩的侧面产生摩阻力，当桩相对于侧面土体向下位移时(既桩沉得比土快)，土对桩产生向上作用的摩阻力，称为正摩阻力。反之，桩相对于侧面土体向上位移时(土沉得比桩快)，土对桩产生向下的摩阻力，称为负摩阻力。

当桩穿越软弱土层到达坚硬的持力层时，桩上部的土体因为欠固结或者浸水湿陷等种种原因沉降得比桩快，故产生负摩阻力。桩下部的土较为坚硬，他们往往沉降得比桩慢，所以产生对结构有益的正摩阻力。由正转负的临界点既称为中性点，其示意图见图1。

图1 软土地基桩侧表面负摩阻力作用特性示意

根据上述的负摩阻力产生的原因，我们得出负摩阻力对桩基性能的不利影响:

(1)桩基的承载能力由侧摩阻力和桩端承载力组成，而负摩阻力的产生不但无法成为桩基承载力的一部分，反而会成为土体对桩身的附加荷载。

(2)由于负摩阻力成为了附加荷载，那么桩的承载力不得不只能依靠中性点以下的桩侧土体和桩端来提供，使得桩的最大轴力点并不在桩顶而是在中性点处，从而造成桩端土体沉降的增加以及桩基沉降的增加，并且降低了桩身强度的安全可靠度。

2 负摩阻力的计算

负摩阻力的计算又分为单桩负摩阻力和群桩负摩阻力的计算两种，在此我们只讨论单桩的情况。首先确定中性点的位置;然后计算负摩阻力强度;最后是下拉荷载的计算。第一步中性点位置ln的确定会在下一个小节着重分析，在这节里暂时只讨论负摩阻力强度以及下拉荷载的计算。

2.1 负摩阻力的强度fn 大致有5 种方法

(1)在软土或者中等强度黏土地区，可以按太沙基的方法。

式中:qu为土的无侧限抗压强度，kPa;Cu为土的不排水抗剪强度。

(2)也可采用有效应力法［1］。

式中:fni为第i 层土桩负摩阻力强度;σvi为第i 层土平均竖向有效覆盖应力;Ki为桩周第i 层土侧压力系数，可近似取静止土压力系数;φi为第i 层土的有效内摩擦角。

但是在地下水位降低或者地面荷载增加时，σvi会有所增加，其算法如下:

地下水位降低时:σvi=γmzi

地面有均布荷载增加时:σvi= p+γmzi

式中:γm为第i 层土以上，土桩周的加权平均重度，地下水以下取有效重度;zi为从地面算起的第i 层土中点深度;p为地面均布荷载。

(3)对于砂类土，可以按下列经验公式计算负摩阻力强度。

式中:N为N63.5平均贯入试验锤击数。

(4)采用数值分析法。

这种方法是通过计算机软件(如ABAQUS)建立单桩负摩阻力计算模型［2］来模拟桩土界面的滑移对负摩阻力的影响并进行分析。这方法的好处是能同时考虑桩基负摩阻力的各种因素，得出的结论较为精确。不过因为条件限制等原因，所以在某些普通的实际工程中使用起来并不方便。

(5)按经验估计。

在缺乏试验资料的情况下，一些设计工作者可以根据工程经验直接对负摩阻力进行取值。经验公式如下:

式中:h为产生负摩阻力的深度;H为可压缩层的深度;K为经验系数，可取0.7 到1.0 之间。

不过这种方法得出的结果一般来说都偏大，较为保守。

2.2 下拉荷载Fn的计算

在得出中性点位置ln以及ln范围内各层土的负摩阻力强度fni，就可以将其累计起来，其最后值就是下拉荷载Fn.具体公式如下:

其中:up为桩截面周长;n为中性点以上的土层数;lni为中性点以上第i 层土的厚度。

3 中性点的选择方案

中性点位置的确定实际是比较复杂的一个问题，它取决于桩与桩侧土的相对位移。在原则上，桩沉降和桩周土沉降相等的那个点即是中性点。在一般情况下，桩上部周围欠固结土层越厚，欠固结程度越大，桩底部持力层越坚硬，那么中性点的位置越深。但是中性点并不是一个固定的点，它会随着桩沉降的增加而向上移动，直到最后整个沉降过程开始稳定，中性点才到其固定的深度ln处。所以目前来说，精确计算中性点位置十分困难，规范上采用的是估算的方法，具体方法是根据不同的持力层性质来估算中性点深度ln与桩长l0的比值。

表1 中性点深度与桩长比值的估算

以下用一个实际的例子来进行分析:此例用的是一种叫做荷载传递法［3］的分析法来计算，并用其结果与实测的结果做对比。

某公路一桥台桩基工程现场实测负摩阻力［4］，该基桩为直径1.5 m 的钢筋混凝土的灌注桩，桩长28 m，桩段嵌入中风化二长花岗岩。

试桩桩侧及桩端土参数如表2 所示。

表2 土性参数

图2 和图3 则给出了实测桩周土体沉降和桩身轴力变化曲线。

图2 土体沉降计算值与实测结果比较

图3 桩身轴力计算值与实测结果比较

由图2可以看出，实测与计算的土体沉降量基本吻合。

4 减小负摩阻力的措施

降低负摩阻力造成的下拉荷载Fn的方法很多，但原理无外乎两种:一种是减小中性点以上土体和桩的接触面积，其具体做法是在桩的承载能力允许范围内，尽量减小桩径，降低桩体的刚度;另外一种是降低负摩阻力的摩擦系数来减小负摩阻力。如果是预制桩，那么可以通过涂以软沥青涂层的办法来达到这种效果，沥青层越软越厚，那么效果越好。国际上采用的SL 沥青复合材料，其收效甚好;如果是灌注桩，那么可以在沉降土范围内插入比钻孔直径小50～100 mm 的预制混凝土桩段，再用高稠度膨润土泥浆来填充，从而制造一个与桩侧土的隔离层。

另外，从施工方法上也能达到降低负摩阻力影响的方法。比如采用合理的施工顺序、施桩的速度、在回填土及上部结构采取分段施工等措施，都能达到减小负摩阻力引起的下拉荷载的效果。

5 结束语

目前因为试验条件、科技手段等种种因素，要对负摩阻力进行精确的计算还是一个较为复杂的问题。但随着各种理论的发展和测试水平的提高，各种先进的桩侧表面的负摩阻力的反演分析法将逐步走向成熟并被加以应用。而在大型复杂的岩土工程中，三维负摩阻力仿真试验也会越来越被重视，到时候设计精度会更高。另外各种新型材料也会被研究工作者发现，到那时，减小负摩阻力的手段也会有突破性的进展。

［1］陆明生.桩基表面负摩阻力的现场测试与研究［J］.岩土力学，1997，18(1):8－15

［2］wong K S .The C I.Negative skin friction on plies in layered soil deposits［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1995，121(6):457－465

［3］赵明华，贺炜，曹文贵.基桩负摩阻力计算方法初探［J］.岩土力学，2004，25(9)

［4］马时冬.桩身负摩阻力的现场测试与研究［J］.岩土力学，1997，18(1):8－15