考虑次固结的吹填土单桩负摩阻力计算研究

刘洋 LIU Yang；胡慧峰 HU Hui-feng；毛雨薇 MAO Yu-wei；俞嘉辉 YU Jia-hui；周东杰 ZHOU Dong-jie

（宁波市电力设计院有限公司，宁波315211）

0 引言

随着全面建设小康社会的目标实现，也开启了实现共同富裕的新征程，社会经济发展对各类土地资源的需求也进一步加大。围海造田已成为解决沿海地区土地供给的有效途径之一，如海上机场、沿海码头、海底隧道和沿海城市等。近年来，我国沿海城市持续大量投资于土地围垦项目。到2019 年，中国通过圈地的方式形成了3200 多平方公里的土地。

一般来说，围海造地的理想材料自然是砂石填埋，但开荒和填海的成本很高，由此造成的山地过度开发和环境问题也越来越严重。为保持生态健康发展，践行“绿水青山就是金山银山”的两山理论，国家规定，禁止任意开采砂石，这就使得填海造地的原料变得稀缺。正是这种现状催生了一种新的土地复垦方式-吹淤，将大量难以处理的疏浚泥浆及建筑渣废土作为吹淤填土材料，变废为宝。[1-2]

在吹填土地上进行地基预处理时，常采用排水板以及桩基加载或真空预压等的多种方式进行预处理工作，但由于沿海地区地质状况多样，存在海床淤泥等多种类型的软土地基，进行吹填场地地基预处理后的施工后沉降依旧很大。与此同时，地基处理对于后期的建筑结构的建设仍然是必需的，其中桩基被广泛采用，因其承载力高、施工快捷、成本低、对不同地质条件适应性强。但吹填造陆方式导致了吹填区域土层中存在如淤泥质土、淤泥等厚度比较大的软弱土层，且建设过程中这些土层尚未完成自重及堆载下的固结过程。桩周土层沉降会导致桩侧产生负摩阻力，必须考虑这些桩侧负摩阻力对桩基承载力的影响。对于吹填软弱土地基上的桩基，当桩周土层产生的沉降量超过桩基的沉降量，土体对桩会产生一个下拉荷载，这就是所谓的桩侧桩侧负摩阻力，桩侧负摩阻力致使桩基荷载增加，荷载抗力减小，沉降增大，严重还会影响到建各类建筑结构的正常使用甚至结构安全。[3-7]

据已有工程中出现的情况，如果在软弱地基变形设计计算中未考虑场地吹填土次固结过程中时变沉降效应，设计计算结果会出现与实际工程产生较大偏离，从而影响上建各类建筑结构的后期运维。目前在估算软基沉降时很少考虑场地吹填土次固结时变沉降，且规范多没有考虑场地吹填土次固结时变效应进行桩侧负摩阻力的计算方法。[8-10]

有鉴于此，本研究主要目的在于提供一种考虑场地吹填土次固结时变效应的吹填土单桩桩侧桩侧负摩阻力计算方法，该方法通过对场地吹填土进行一维场地吹填土次固结试验，获得孔隙比-时间对数（e-lgt）曲线，利用曲线拟合获得场地吹填土次固结系数及相应计算参数，计算任意时刻的场地吹填土次固结时变沉降量，获得桩侧桩侧负摩阻力中性点位置，并进一步计算得到总的桩侧桩侧负摩阻力。

1 负摩阻力产生的原因及条件

按照基础的受力原理大致可分为摩擦桩和承载桩。摩擦桩是当地基缺少坚硬的承载层或承载层较深时，主要利用地层与桩基的摩擦力来承载垂直荷载的桩。端承桩是当桩基底部坐落于承载层上，主要依靠桩端承载力来承受竖向荷载的桩。

沿海地区大部分都属于软弱地基。一般说来，桩基承受向下的竖向荷载，桩与桩侧土的摩擦提供向上的支撑力，从而达到受力的平衡。但某些特殊情况，会有负摩阻力的现象产生。当桩穿过软土和软弱地基土层并达到坚实土层，桩侧软弱土层上有竖向荷载作用（如路基填土），导致桩周土层的压缩下沉量大于桩的竖向位移值（包括桩身压缩和桩端下沉），或土层中地下水位下降引起地面大面积下沉，而使土层的压缩下沉速度大于桩身的下沉速度时，压缩土层对桩身产生向下的负摩阻力。负摩阻力产生主要有以下几个条件：①桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时；②桩周存在软弱土层，临近桩侧地面承受局部较大长期荷载或地面大面积堆载时；③降低地下水位使桩周土有效应力增大、并产生显著压缩沉降时。

负摩阻力的产生，会削弱桩基的承载能力，如果设计桩基时没有注意到这一点，那将会对构造物的安全性和稳定性带来极大的安全隐患。在前期设计计算时，要仔细搜集地质资料，充分考虑到桩侧填土将会遇到的荷载情况。

2 考虑场地吹填土次固结时变效应的吹填土单桩桩侧桩侧负摩阻力计算原理

首先，对固结仪进行加高土盒护环至8cm 的改造。然后按照固结试验要求，利用改进后的固结仪进行场地吹填土的一维场地吹填土次固结试验，直至土体变形恒定。将试验获得的孔隙比-时间对数曲线（图1）的拐点为主场地吹填土次固结阶段的分界点，分界点时刻记为主固结结束时间tp。同时，在一维此估计固结试验中，通过对土体进行分级加载固结，计算其压缩系数Cc。

取场地吹填土次固结阶段孔隙比-时间对数e-lgt曲线首尾两个时刻，按式（1）计算场地吹填土次固结系数Cai。

计算得到上述结果后，利用式（4）的曲线与场地吹填土次固结阶段孔隙比-时间对数e-lgt 曲线进行拟合，确定常数m。

将上述计算得到参数代入任意时刻土体考虑场地吹填土次固结变形的总变形量计算公式（5），计算得到特定时刻的吹填土总变形量。

式中，t 为场地吹填土次固结开始到计算时刻的时间（s），e0为初始孔隙比，et为计算时刻的孔隙比，H 为土层厚度。

在确定吹填土总变形量后，将其代入式（6），得到特定时刻的考虑吹填土场地吹填土次固结时变发展的桩侧桩侧负摩阻力中性点位置。

式中，Sd为吹填土总变形量，Sg为单桩整体沉降量，L为桩体长度。

确定中性点位置后，就可以计算得到特定时刻的考虑吹填土场地吹填土次固结时变发展的桩侧桩侧负摩阻力，如式（7）所示。

式中，R 为桩身外半径，D 为中性点位置，k0为静止侧压力系数，φ 为内摩擦角，γ 为土层平均重度。

3 吹填土一维场地吹填土次固结试验方法

固结试验是土样在侧限条件下孔隙水逐渐排出，土体不断被压密的过程，根据土样的固结试验可以获得土的压缩性指标。场地吹填土次固结过程一般是指发生在土体主固结阶段结束以后的固结阶段，通常也被认为是主固结过程的一种延续。

根据次固结阶段的特点，场地吹填土次固结试验与普通固结试验存在相同的仪器设备、土样要求和制样方法等。因为场地吹填土次固结过程一般是指发生在土体主固结阶段结束以后的固结阶段，因此次固结试验与普通固结试验存在相应的不同要求，具体如下：

①固结试验持续时间：场地吹填土次固结过程是主固结过程的一种延续，其特点是土体结构调整是一个长时间的蠕变变形过程，故一般场地吹填土次固结试验持续的时间要远大于按照规范规定室内普通固结试验的24 小时，通常应按照两次读数的差值判断次固结过程是否充分，并判定次固结试验结束。

②固结变形读数精度要求：场地吹填土次固结变形是一个缓慢的蠕变过程，其固结变形远小于主固结阶段，但现有固结仪只能自动记录24 小时内固结试验读数，因此需要人工读取记录次固结阶段变形测量数据。但是由于场地吹填土次固结变形不明显，因此读数精度0.01mm的百分表无法精确测量其次固结变形。所以在固结试验在进入次固结阶段后，需要改用千分表测量次固结阶段的变形。

③固结变形读数时间点选择：根据土体性质特点，场地吹填土次固结试验持续的时间各不相同，在进行次固结试验时要根据具体土样特性选取读数时间点。

4 对最大桩侧负摩阻力计算结果的探讨

先前研究表明，桩侧负摩阻力是桩侧土剪切，与桩侧剪切应力的状态密切相关，而桩侧剪切应力取决于与桩身周围土体粘聚力，先前研究假设打桩过程中桩周土体受到极大扰动，导致粘聚力降低明显，故假设不存在桩周土粘聚力，因为计算过程中未考虑c 值影响。但是粘聚力是粘土特性，且桩侧负摩阻力对各因素影响灵敏，因此计算桩侧负摩阻力时完全忽略粘聚力是不合适的。因此本文认为算桩侧负摩阻力时应根据摩尔库仑极限平衡理论考虑桩侧土体剪切极限状态产生剪应力，即：

5 工程计算实例

某建筑项目站址原始地貌为平原（冲积成因），原为鱼塘及水田，后经改造现站址北部为鱼塘，南侧为荒地和种植经济作物的农田。场地自然高程（1985 国家高程）为1.82～3.52m。根据施工图设计阶段岩土工程勘测报告得知，站址场地下存在厚度为17.22～25.32m 不等的淤泥层，分布较广，平均厚度为19.80m，包括平均厚度约12m 的流塑性淤泥及平均厚度约6.5m 的淤泥质土，计算得知项目工程整个场地需填砂厚度约为5.50m，其中未考虑固结下沉深度。根据规范和相关工程经验，我们对本工程的地基分两步处理，先采用塑料排水板堆载预压，堆载预压持续期长达2 年，场地中的软弱淤泥层经过上述方法的处理，沉降大概可完成预计总沉降的百分之八十至百分之九十，但经过堆载预压处理之后，项目地基的承载力仍无法达到建构筑物的标准，于是设计再采用摩擦型端承预制管桩基础处理主要建构筑物的地基，要求桩基穿过软土层到达持力层（粗砂层），以满足承载力要求。目前该工程已完成施工，安全投产运行。

在中性点深度计算结果方面，试桩1（40m 桩长）采用桩基规范（JGJ94-2008）、场地实测值、本研究计算方法三种方法计算结果分别为28.4m，21.0m，22.0m；试桩2（35m桩长）计算结果分别为25.6m，20.0m，20.0m；试桩3（26m桩长）计算结果分别为23.6m，19.0m，19.0m。

将桩基规范（JGJ94-2008）和本研究计算方法的结果与场地实测值进行比较。从表可知，根据桩基规范（JGJ94-2008）计算出桩侧负摩阻力结果是现场场地实测值及本研究计算的大约3~4 倍。可见，采用本研究方法计算的桩侧负摩阻力能基本正确的反映出实际工程中桩侧负摩擦力情况，两者结果偏差不超过14%，同时本研究方法结果相对现场场地实测结果略偏大，其计算结果是安全的。

表1 各种方法计算桩侧负摩擦力结果对比

我们对桩基负摩阻力的认识仍存在很多未知区域，近年来发生的一些工程事故，都是在软弱土层采用下卧硬层土或岩的端承桩，设计人员通常采用现场试桩承载力的数据，再乘以安全系数，可是这些桩基后来都受到不同程度的破坏。分析其主要原因，是桩周土对设计采用的桩基础产生负摩阻力，从而引起下拉荷载，在一定程度上影响了桩基承载力和桩基沉降量，对桩身造成破坏。负摩阻力的问题已逐步引起大家的重视，《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-1994）第一次将负摩阻力列入规范，并为设计人员解答了一些计算负摩阻力的疑惑。

6 结论

据已有工程中出现的情况，如果在软弱地基变形设计计算中未考虑场地吹填土次固结过程中时变沉降效应，设计计算结果会出现与实际工程产生较大偏离，从而影响上建各类建筑结构的后期运维。目前在估算软基沉降时很少考虑场地吹填土次固结时变沉降，且规范多没有考虑场地吹填土次固结时变效应进行桩侧负摩阻力的计算方法。

本研究的主要目的在于提供一种考虑场地吹填土次固结时变效应的吹填土单桩桩侧桩侧负摩阻力计算方法。本研究提供的考虑场地吹填土次固结时变效应的吹填土单桩桩侧桩侧负摩阻力计算方法，利用加高土盒护环改进的固结仪进行场地吹填土的一维场地吹填土次固结试验，并通过试验获得的孔隙比-时间对数曲线准确区分土体的主场地吹填土次固结阶段，以及场地吹填土次固结系数，进而计算得到更为精确的桩侧桩侧负摩阻力及其中性点位置。该研究成果可为快速成陆的吹填场地基桩工程设计和施工提供参考。