考虑负摩阻力影响的桩土复合地基承载力计算

（水利部新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

由于桩基础具有承载力高、稳定性高、便于机械施工等优点，桩基础近些年来在各工程领域得到了广泛的应用。桩周土体因为湿陷、自重固结、场地填土、地面大面积堆载、降低地下水位等因素的影响会产生下沉，当桩周土体的沉降量大于基桩的沉降量时，桩侧土体将对桩产生与位移方向一致的摩阻力，该摩阻力被称为负摩阻力。负摩阻力的存在会对桩产生下拉作用，使作用在基桩的荷载增加，荷载抗力减少，沉降增大。负摩阻力的影响严重时会导致建筑物不能正常使用，甚至危及结构安全［1-3］。由于负摩阻力的存在，若在桩基设计时不予考虑，将会造成基桩的附加沉降。

本文结合新疆某拟建平原水库工程，就供水兼退水涵洞坐落的软黏土地基，进行了混凝土预制桩加固处理。在验算桩土复合地基承载力特征值时，充分考虑了涵洞周围大面积地面堆载（水库大坝）给基桩带来的负摩阻力问题。采用JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》［4］相关公式，计算了考虑群桩效应的基桩下拉荷载标准值，将下拉荷载标准值和单桩竖向极限承载力标准值进行了叠加，根据叠加后的单桩竖向承载力标准值进行桩土复合地基承载力特征值的计算。该方法可为今后类似地基处理工程提供借鉴。

1 工程地质概况

新疆某平原水库依托山前洪积扇前沿天然地形，通过东、西、南、北四面筑坝而成。坝顶高程689m，最大坝高18m，坝轴线长度6.0km，总库容2700万m3。坝顶宽度8.0m，上游坝坡1∶2.5，下游坝坡1∶2.0。水库主要组成包含水库大坝、入库建筑物、供水兼退水涵洞等。该水库位于洪积扇前沿的洼地内，库区地形较平坦，地势开阔，总地势西高东低，地面高程672～688m，地下水位埋深2.5～11.8m。水库库盘内覆盖层巨厚，岩性主要为第四系全新统～上更新统洪积含土角砾和低液限黏土，夹中～粉细砂和粉土层。含土角砾和低液限黏土在库盘内分布不均一，其中含土角砾主要分布于西库盘，低液限黏土广泛分布于东库盘。供水兼退水涵洞坐落于水库东坝段低液限黏土地基上，黏土层巨厚，地勘资料显示80m深钻孔覆盖层未揭穿。

2 涵洞软黏土地基预制桩加固处理方案

供水兼退水涵洞坐落于水库东坝段软黏土地基上，地基承载力严重不足。为了避免涵洞地基出现过大沉降量及不均匀沉降情况的发生，从而影响涵洞过流能力，因而需对涵洞天然地基进行加固处理。

本工程涵洞地基加固处理采用预制桩方案。预制桩选取中等直径桩，桩身断面尺寸400mm×400mm，桩平面布置采用正方形布置，桩纵横向中心距均为2m，桩长根据承载能力需要计算确定。软黏土地基地勘建议地基允许承载力为120kPa，涵洞地面高程672m，涵洞建基面高程668.4m，地基埋深3.6m。 按JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》［5］规定，应根据基础宽度和埋深对地基允许承载力进行修正计算，修正后的地基允许承载力值248.9kPa。混凝土预制桩长度采用试算法，以叠加基桩下拉荷载后的单桩竖向承载力特征值进行桩土复合地基承载力计算，当复合地基承载力大于涵洞地基最大应力414.9kPa时的桩长作为最终桩长。初选涵基混凝土预制桩长15m。

3 涵洞基桩下拉荷载标准值计算

3.1 中性点位置的确定

一般来说，中性点是指桩土相对位移为0的位置，这个位置既没有负摩阻力也没有正摩阻力。此位置受桩周土层性质、桩端持力层刚度、桩身截面的影响比较大［6］。因此，在实际计算时，很难计算准确。工程上一般使用经验公式进行计算，根据桩基持力层地基土的性质，按JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》中性点深度ln=0.5l0（ln和l0分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软弱土层下限深度）。由于本工程涵洞坐落于水库东坝段低液限黏土地基上，黏土层巨厚，地勘资料显示80m深钻孔覆盖层未揭穿，因此l0取值等于初选基桩长度15m，进而得到自桩顶算起的中性点深度7.5m。

3.2 中性点以上桩周土层负摩阻力标准值计算

中性点以上桩周土层负摩阻力标准值可按式（1）进行计算：

当地面分布大面积荷载时，则：

式中 qnsi为第i层土桩侧负摩阻力标准值 （kPa），当计算值大于正摩阻力标准值时，取正摩阻力标准值进行设计；ξni为桩周第i层土负摩阻力系数；σ′γi为由土自重引起的桩周第i层土平均竖向有效应力（kPa）；σ′i为桩周第i层土平均竖向有效应力（kPa），分别为第i土 层和其上第m土层的重度（kN/m3），ΔZi，ΔZm分别为第i层土和第m层土的厚度（m）；P为地面均布荷载（kPa）。

中性点以上桩周各土层负摩阻力标准值计算结果如表1。

表1 桩周各土层负摩阻力标准值计算结果

3.3 考虑群桩效应的基桩下拉荷载标准值计算

考虑群桩效应的基桩下拉荷载标准值可按式（3）进行计算：

式中 n为中性点以上土层数；li为中性点以上第i土层的厚度 （m）；ηn为负摩阻力群桩效应系数，ηn=sax·，sax，say分别为纵横向桩的中心距（m）；qns为中性点以上桩周土层厚度加权平均负摩阻力标准值；γm为中性点以上桩周土层厚度加权平均重度。

考虑群桩效应的基桩下拉荷载标准值计算结果如表2。

表2 考虑群桩效应的基桩下拉荷载标准值计算

4 单桩竖向极限承载力标准值及特征值计算

由于自桩顶算起的中性点深度7.5m，因此单桩竖向极限承载力标准值计算桩长为中性点以下7.5m。单桩竖向极限承载力标准值计算采用原位双桥静力触探试验成果，试验成果如表3。

表3 地基双桥静力触探试验成果

4.1 单桩竖向极限承载力标准值计算

单桩竖向极限承载力标准值计算公式为：

式中 Quk为单桩竖向极限承载力标准值（kN）；Qsk为总极限侧阻力标准值（kN）；Qpk为总极限端阻力标准值 （kN）；u为桩身周长 （m）；li为桩周第层土的厚度（m）；βi为第i层土桩侧阻力综合修正系数，黏性土、粉土βi=10.04（fsi）-0.55；砂土βi=5.05（fsi）-0.55；fsi为第i层土的探头平均侧阻力（kPa）；α为桩端阻力修正系数，对于黏性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2；qc为桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上4d（d为桩径）范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值（kPa），然后再与桩端平面以下1d范围内的探头阻力（kPa）进行平均；Ap桩端面积（m2）。

中性点以下7.5m桩长的单桩竖向极限承载力标准值计算结果如表4。

表4 单桩竖向极限承载力标准值

4.2 单桩竖向承载力特征值计算

桩基竖向承载力特征值计算前先将桩基竖向极限承载力标准值和考虑负摩阻力影响的基桩下拉荷载标准值进行叠加，然后根据叠加后的标准值计算单桩竖向承载力特征值，计算公式：

式中 Quk为单桩竖向极限承载力标准值 （kN）；K为安全系数，取K=2。

考虑负摩阻力影响后的单桩竖向极限承载力特征值计算结果如表5。

表5 考虑负摩阻力影响的单桩竖向承载力特征值

5 复合地基承载力特征值计算

根据考虑负摩阻力影响后的单桩竖向承载力特征值计算结果和修正后的天然地基允许承载力进行桩土复合地基承载力特征值计算，计算公式：

式中 fsk为复合地基承载力特征值 （kPa）；λ为单桩承载力发挥系数，宜按当地经验取值，无经验时可取0.7～0.9；fsk为桩间土承载力特征值（kPa），应按静荷载试验确定，无经验时可取天然地基承载力特征值；m为复合地基置换率，m=d2/d2e，d为桩身平均直径；de为1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，正方形布桩de=1.13s，s为桩间距；β为桩间土承载力发挥系数，宜按当地经验取值，无经验时可取0.9～1.0。

考虑负摩阻力影响后的桩土复合地基承载力特征值计算结果如表6。

根据表6结果可知，在考虑负摩阻力影响后计算单桩竖向极限承载力标准值时，假设的15m桩长桩土复合地基承载力特征值达到了430.4kPa，大于涵洞最大基底应力414.9kPa。因此，供水兼退水涵洞采用长15m的预制桩进行地基加固处理是合适的，并留有一定的安全余量。

表6 桩土复合地基承载力特征值

6 结语

（1）在桩基工程设计时，如果基桩周围存在诱发基桩负摩阻力产生因素，那么在桩基础设计时就应当考虑负摩阻力对基桩的影响。如果设计不予考虑，将会可能导致桩端地基的屈服或破坏、桩身破坏、结构物不均匀沉降等情况的发生，从而影响建（构）筑物的正常使用甚至结构安全。

（2）在负摩阻力计算时，相对准确的确定中性点位置对负摩阻力的计算十分重要，文章根据经验公式进行了中性点位置的计算。但对于重要桩基础工程建议通过经验公式、三维数值仿真分析、现场试验等进行多种方式综合确定。

参考文献：

［1］刘金砺.桩基础设计与计算［M］.北京：中国建筑工业出版社，1990.

［2］汤永锋.桩基负摩阻力的影响因素分析［J］.山西建筑，2010（36）：90-91.

［3］赵敏燕，周峰，王嘉.关于负摩阻力的探讨［J］.江苏建筑，2010（5）：91-93.

［4］JGJ94—2008，建筑桩基技术规范［S］.

［5］JGJ79—2012，建筑地基处理技术规范［S］.

［6］倪正田，詹金林.软土地区临近堆载对桩基影响的数值模拟研究 ［J］.山西建筑，2010（35）：89-90.