桩基负摩阻力特性研究进展综述

于连鑫+崔高航

摘 要：在桩基础设计过程中，若对桩基负摩阻力考虑不当会引起桩基承载力不足甚至基础破坏等问题。基于国内外对不同地质条件中桩基负摩阻力的研究成果，进一步总结了桩基负摩阻力特性，可为类似桩周土体中桩基负摩阻力的优化设计提供一定参考，也对进一步预防桩基础病害的发生具有重要意义。

关键词：基础工程；桩基负摩阻力；附加沉降；作用机理；地质条件

中图分类号：U443.15 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）35-0181-02

引言

基础工程在土木工程领域中占有举足轻重的地位，基础的稳定性和强度很大程度上决定了整个结构工程的工作性能。桩基础由于其较高的承载力、稳定性及施工工艺简单等优势而在基础工程中得到普遍应用，但是随着作用时间效应桩周围土体的相互作用所形成的负摩阻力相继产生[1]。如果在桩基设计过程忽略负摩阻力的影响，将会不同程度地引起桩基础的附加沉降、桩身轴力，以及邻近建筑结构的不均匀变形等，进一步造成桩端屈服变形甚至引起自身结构破坏。由桩基负摩阻力造成的不良影响将导致上部结构物的失稳，进一步引发安全事故。因未考虑桩基负摩阻力的影响而造成的工程事故在土木行业中经常发生，也引起了工程界专家们的极其重视。因此，如何在桩基础工程设计中避免或减小桩基负摩阻力的形成已成为当前桩基问题研究的热点话题。

目前，关于桩基负摩阻力的研究成果主要是影响因素、形成机理及加固设计措施等，但是对于不同地质条件下桩基础的负摩阻力比较分析尚不够充分。为了深入研究桩基负摩阻力的作用效应及涉及区域，本文主要对不同土质区域内桩基负摩阻力研究成果和形成机理进行总结分析，为进一步完善桩基负摩阻力的理论研究和避免实际工程中由于桩基础负摩阻力引起的安全事故提供一定参考。

1 桩基负摩阻力形成机理

桩基负摩阻力，是在某一条件下桩侧土体发生下沉并且大于桩基位移，此时桩侧土体对桩产生的作用力方向与位移方向一致。负摩阻力的存在使桩身轴力极值存在于中性点处。国内外研究成果表明，桩基中性点位置一般通过试验分析确定的，并认为中性点位置由初步变化而后在某一点趋于稳定，根据经验稳定点大多位于桩身的0.73～0.78处，当桩基正负摩阻力关于中性点对称分布时认为此时桩基础结构比较稳定。桩基中性点位置的主要影响因素为：（1）桩底持力层刚度；（2）桩周土压缩特性及应力变化；（3）桩周土体外荷载作用；（4）桩本身尺寸大小。

桩周围土体在自重固结、场地填土、地面堆载、交通荷载引发的沉降、地下水位降低、密集桩群在软土地区施工引起土体的隆起及再固结现象，都会形成一定桩基负摩阻力。

2 桩基负摩阻力研究现状

早在20世纪30年代，学术界针对桩基负摩阻力引发的安全事故问题就展开了一系列探究。

1969年，Poulos[2]应用镜像单元处理获得了适用于端承桩的单桩负摩阻力弹性理论解。1972年，Davis根据太沙基一维固结理论结合弹性理论推导出单桩负摩阻力与时间的关系。1982年，Shibata曾通过室内模拟实验得出桩基负摩阻力形成过程存在显著的时间效应，同时推导出关于群桩效应及孔隙水压力估测的经验公式。1984年，Felleniust在桩基负摩阻力和沉降分析中发现，很小的桩土相对位移都可以形成一定的负摩阻力，若在桩基设计过程中不考虑负摩阻力的影响将必然会造成桩的附加沉降。1990年，Chow将弹性理论推广到群桩的负摩阻力分析中，用刚性梁单元模拟刚性桩承台，采用归一化分析桩基负摩阻力与桩顶沉降之间的关系。1993年，Lee提出了采用简化双曲线模型模拟土体应力与应变的关系，桩基之间相互作用结合弹性理论和传递函数的混合法。1998年，他利用离心试验对模型桩进行实验分析，得出了土体内摩擦角的大小相对于其他参数对桩侧负摩阻力值影响更为显著。99年，利用模型试验分析了桩基负摩阻力与土体参数及桩体粗糙度、相对位移之间的关系。2004年，Leung通过离心机试验对受负摩阻力及桩顶荷载共同影响的单桩进行了对比研究。

相比国外，国内对桩基负摩阻力的研究起步较晚，起源于20世纪八十年代。工程界专家们从现场测试、室内试验及仿真模拟分析方面对桩基的负摩阻力问题进行了一系列深入研究。

2005年，律文田针对软土地区的桩基负摩阻力进行了深入分析，研究表明在施工阶段和使用期后填土对桩基承载力均有一定影响，桩侧摩阻力沿桩基深度呈非线性变化。

2006年，孙军杰[3]针对桩基负摩阻力主要因素、形成实质及动力来源进行了深入分析，认为桩周沉降土体减小的重力势能及抗剪强度是决定因素。2009年，孔纲强对饱和黏土倾斜群桩在桩顶荷载和地面堆载共同作用下的固结沉降模型试验。结果表明，负摩阻力随着固结时间的增加渐渐发展，最终趋于稳定，可以明确的表现出负摩阻力的时间效应；且当桩-土相对位移为2mm时，桩侧负摩阻力可达到最大值的80～90%左右。此后他又用FLAC3D对群桩进行了建模计算，与模型试验和现场试验实测资料结果进行了对比分析。研究表明了加载速率逐渐减小的过程中，桩身下拽力和桩顶下拽位移也在逐步减小且最终趋于稳定；并且对比了在分级加载和直接加载作用下的桩身下拽力值，前者相比后者略小，随着荷载等级的增大，两者差异逐渐变少并最终趋于一致。2010年，赵敏燕借助有限元数值模拟方法探究了固结时间对桩基负摩阻力的影响特点，表明在堆载情况下负摩阻力随固结时间的延长而不断增大。2011年，鑒于软弱土层的固结时间较长，在施工或运营期间都会产生不同程度的负摩阻力，胥为捷[4]结合实际工程提出了桩基负摩阻力及下拉荷载的简化计算方法。2011年，孙建波针对冻融条件下桩侧负摩阻力进行了室内模型试验，试验得出了土体的融沉量与负摩阻力的关系曲线，试验初期负摩阻力增长速度较快，当融沉量达到一定数值后，再超越这个数值，负摩阻力反而随着融沉量的增加而减少。同时分析了含水率对此关系曲线的影响，随着含水率的增加，最大负摩阻力减小，最大融沉量增大。2013年，赵天时[5]通过对自重湿陷性黄土地区桩基的浸水荷载试验，可知黄土实际是分段湿陷的且桩周土体沉降及负摩阻力变化具有多个峰值点。2014年，陈长流基于相似理论研究了在浸水条件下湿陷黄土地区中负摩阻力及桩身承载力变化规律，桩顶荷载对桩侧摩阻力产生不利影响。2015年，张向东在桩侧土体冻融情况下进行了桩基侧摩阻力试验研究，试验过程中考虑了温度及含水率对桩侧摩阻力的影响特点，结合荷载传递法提出了关于冻融土体中桩侧摩阻力的计算模型。2015年，戴国亮通过对砂土桩基的试验分析，在边载作用下桩顶沉降规律与围载作用下基本一致，然而边载作用增大群桩效应系数逐渐变小。2016年，张敏霞根据采动区地表沉降规律及形成机理，提出了采用透明土模型试验及数值模拟的综合分析方法进行研究采动区桩基负摩阻力。2016年，针对湿陷性黄土地区，李峰科通过试验研究发现在浸水状态下桩基基本不出现负摩阻力，桩周土的湿陷性对单桩极限承载力影响很小。2016年，杨岁军[6]依托实际工程研究了新近人工填土中桩基负摩阻力的变化特点并计算出下拉荷载，提出了桩基施工前降低沉降的优化措施。2016年，孔纲强[7]分析了不同楔形角形式对桩基负摩阻力特性的影响特点。数值模拟结果表明桩基上部分楔形角形式影响比较显著，在小角度范围内基桩下拉荷载变化幅度也更大。2017年，高胜君[8]研究了软黏土地质对桩基的影响，由于土体自身蠕变性使得桩周土体沉降具有滞后性，降低地下水位会导致负摩阻力位置下移并且明显降低桩基结构承载力。2017年，马学宁关于不同桩端下卧层桩基进行了一系列模型试验探究，发现在相同堆载条件下粗砂下卧层的桩身中性点位置比黄土较低，而且其桩身下拉荷载及桩端反力明显高于黄土质。

3 结束语

本文简单概括了负摩阻力的形成原理，并对砂土区、湿陷性黄土区、冻土及新近人工填土区等不同地质环境内桩基负摩阻力研究现状进行了总结，了解桩基负摩阻力特性最新研究方向，可为今后桩基负摩阻力的优化处理措施提供一定的参考。

参考文献：

[1]韦海霞.桩基负摩阻力产生的原因、计算与处理[J].江西建材，2015（19）：74-75.

[2]Poulos H G and Mattes N S. The Analysis of downdrag in end bearing piles. Proc 7th ICOSMFE. 1969，2：203-209.

[3]孙军杰，王兰民.桩基负摩阻力研究中几个基本理论问题的探讨[J].岩石力学与工程学报，2006（01）：211-216.

[4]胥为捷.软土地基桩基负摩阻力简化计算方法[J].水运工程，2011（11）：222-226.

[5]赵天时.大厚度自重湿陷性黄土场地桩基负摩阻力试验研究[D].兰州理工大学，2013.

[6]杨岁军.新近人工填土中桩基负摩阻力计算[J].智能城市，2016（04）：207-208.

[7]孔纲强.楔形角对基桩负摩阻力特性影响的数值模拟分析[J].地下空间与工程学报，2016（06）：1689-1694.

[8]高胜君，罗书学，黄锐，等.软黏土条件下地下水位变化对桥梁桩基的影响分析[J].路基工程，2017（02）：102-105.endprint