考虑负摩阻力的大直径桩设计.doc

考虑负摩阻力影响的大直径桩设计

摘要 分析了桩基础工作中负摩阻力的产生机理及其危害，并对其引起的下拉荷载进行了计算，以工程实例对结果进行了分析比较。
关键词 负摩阻力 有效桩长

一、负摩阻力的产生机理及其危害
桩基础周围存在欠固结土、新近沉积土、可液化土及湿陷性土层时，在桩基工作过程中，桩周土中会渐次产生负摩阻力。桩周产生负摩阻力问题，在我国工程实践中已变成一个热点问题，不少建筑物桩基由于存在上述三类问题的条件之一而出现沉降、开裂、倾斜，以致有的无法使用而拆除，或花费大量经济进行加固，等等。反之，有的工程设计中对负摩阻力予以考虑而采取了措施则避免了事故。
1、对于摩擦型桩基，当出现负摩阻力对基桩下拉荷载时，由于持力层压缩层较大，随之引起沉降。桩基沉降一出现，土对桩的相对位移减少，负摩阻力便于工作降低，直至转化为零。因此一般情况下对于摩擦型桩基，可近似视中性点以上侧阻力为零计算桩基承载力。
2、对于端承型桩基，由于其桩端持力层较坚硬，受负摩阻力引起下拉荷载后不致产生沉降或沉降量较小，此时负摩阻力将长期作用于桩身中性点以上侧表面。因此应计算中性点以上负摩阻力形成的下拉荷载，并以下拉荷载作为外荷载的一部分验算桩基承载力。

负摩阻力现象说明图
负摩阻力对于桩基承载力和沉降的影响随侧阻力与端阻力分担荷载比、建筑物各桩基周围土层沉降的均匀性、建筑物对不均匀沉降的敏感度而异，因此对于考虑负摩阻力验算承载力和沉降也有所区别。
由于下拉荷载的计算是以负摩阻力、中性点位置均达理论最大值的假定为基础的。实际上由于桩身材料的弹性压缩、桩端持力层的压缩引起桩基一定沉降，导致摩阻力小于理论最大值。因此在以往定值设计中将安全系数降低，即由正常状态的K=2降至K=1.2～1.3。

由是可以推理出：

式中为桩轴向压力标准值。
若取荷载分项系数加权平均值，抗力分项系数，则得：

考虑到建筑物重要性系数，则由上式可得概率极限状态的承载力验算表达式：

负摩阻力作用必然加大桩基沉降。当建筑物各桩基周围土层的沉降均匀，且建筑物对不均匀沉降敏感时，负摩阻力引起的沉降不致危害建筑物的正常使用，因此可不必验算沉降。但对于各桩基周围受到不均匀堆载、不均匀降水或土层自身不均匀时，将出现不均匀沉降，各桩基因负摩阻力产生的下拉荷载和沉降也会是不均匀的。因此需考虑负摩阻力验算桩基沉降。
二、规范规定考虑负摩阻力的条件
1、国家行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）的规定
第一类情况为桩周土在自重作用下固结沉降或浸水导致结构破坏强度降低而固结；第二类情况为外界荷载作用导致桩周土固结沉降；第三类情况为因降水导致有效应力增大而固结。对于端承型桩基尚应考虑负摩阻力引起基桩下拉荷载。
2、北京市标准《北京地区大直径灌注桩技术规程》的规定
在确定单桩承载力时，若桩周有人工填土、淤泥、新近沉积土以及可液化土层时，则不计算上述土层的桩周摩擦力。当桩端扩大且桩长小于6.00m时可不考虑桩周摩擦力。当建筑场区有大面积新填土或地面堆载以及人工降低地下水位时，需考虑由此而造成桩周摩擦力对单桩承载力的影响。
由此可见，两种规范规程对负摩阻力的危害都给予了高度重视，都规定了在必要条件下考虑负摩阻力的的条款。
三、关于负摩阻力引起下拉荷载的计算
影响负摩阻力的因素很多，诸如桩侧与桩端土的变形与强度性质、土层的应力历史、地面的堆载大小与范围、降低地下水位的范围与深度、桩顶荷载施加时间与发生负摩阻力的时间之间的关系、桩的类型与成桩工艺等。因此，精确计算负摩阻力是复杂而困难的。迄今国内外学者提出的计算方法与公式都是近似的和经验性的。
多数学者认为桩侧负摩阻力的大小与桩侧土的有效应力有关，不同负摩阻力计算式中也多反映出有效应力因素。根据大量试验与工程实测结果表明，以有效应力法较接近实际。因此本规范规定如下有效应力法为负摩阻力标准值计算法。

式中
---第I层土桩侧负摩阻力标准值；
k------土的侧压力系数；
-----土的有效内摩擦角；
-----第I层土的有效平均竖向有效应力；
------负摩阻力系数；
与土的类别和状态有关，对于粗粒土，随土的粒度和密实度增加而增加；对于细粒土，则随土的塑性指数、孔隙比、饱和度增大而增大；综合文献的建议值和各类土中的测试结果，给出如规范表所列值。
四、关于中性点的确定
当桩身穿越厚度为的可压缩土层，桩端设置于较坚硬的持力层时，在桩的某一深度以上，土的沉降大于桩的沉降，在该段桩长内，桩侧产生负摩阻力；在以下的可压缩层内，土的沉降小于桩的沉降，土对桩产生正摩阻力，在深度处，桩土相对位移为零，即既没有负摩阻力，又没有正摩阻力，习惯上称该点为中性点。是性点处桩身轴力为最大。
一般来说中性点的位置，在初期是有变化的，中性点也将稳定在某一固定深度处。中性点的确定对于桩纵向取值有着重要意义。对于存在负摩阻力的桩基础，显然应自中性点以下计取侧摩阻力值，中性点以上不再计取侧摩阻力值。因此，有效桩长的概念不应含中性点以上的几何尺寸部分。真正发挥侧摩阻力值的有效桩长应自中性点以下部位，至桩身变径处计取。
五、工程实例
1、工程概况
某营院内新建办公楼扩建工程，位于原办公楼东西两侧，地上6层、框架结构，大直径灌注桩基础。单桩荷载效应标准组合值要求满足2200KN。
2、地层分布特征
地层岩性自天然地表往下依次可分为杂填土①，新近沉积土层：细砂②、砂质粉土②1、圆砾②2，一般第四纪土层：粘质粉土③1、粉质粘土③2及砂质粉土③3、细砂④、卵石⑤等：
1、杂填土①：层厚1.20～2.60m。结构紊乱，欠压密。
2、新近沉积土层细砂②、砂质粉土②1：该层总厚度3.60～5.60m。该层以细砂②为主，夹砂质粉土②1薄层。
3、一般第四纪土层粘质粉土③1、粉质粘土③2 、砂质粉土③3：层厚1.00～2.20m。
4、细砂④：层厚0.80～3.00m。
5、卵石⑤：厚度为25.00m左右。褐灰色，稍湿，中密～密实状态。
3、桩基础设计所需各土层参数如下：
桩基础设计相关参数表
土层名称
qsik(Kpa)
qpk(Kpa)
杂填土①

细砂②
20

砂质粉土②1
35

粘质粉土③1
40

粉质粘土③2
48

砂质粉土③3
60

细砂④
65
1200
卵石⑤
110
2200
注：
qsik(Kpa)---桩的极限侧阻力标准值；
qpk(Kpa)----桩的极限端阻力标准值。
表中所列qpk值为大直径桩(D=800mm)、
清底干净对应值，扩底变径以下不再
计侧阻力值。

桩型一 桩型二
六、计算结果比较

1、不考虑负摩阻力的两种规范计算结果比较
按国家行标《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）：
为桩端土的极限承载力标准值；桩侧各层土的极限侧阻力标准值；按本工程岩土工程勘察报告对应的建议值取值，则：
取,桩型一；
考虑安全系数为2，则单桩承载力标准值R为3400KN，大于单桩承载力设计值2200KN；
取,桩型二；
考虑安全系数为2，则单桩承载力标准值R为5084KN，大于单桩承载力设计值2200KN；
上述二桩型均满足单桩荷载要求。
按北京市标准《北京地区大直径灌注桩技术规程》（DBJ01-502-99）：
为桩端土的承载力标准值，取值为；为桩周土平均摩擦力标准值，对应于外侧倒齿形护壁考虑，因桩周周围砂土总厚度（不含新近沉积土层）h=1.60M，则桩周土摩擦力修正系数,侧：
桩型一，=2774+753=3527KN>2200KN；
桩型二，=2285+3323=5608KN>2200KN；
也满足单桩荷载要求。
2、负摩阻力取值
由于两种规范或规程均限定了由于欠固结土及新近沉积土层存在于桩周产生负摩阻力可能产生的危害，故必须考虑负摩阻力带来的不利影响，按国家行标《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）计算负摩阻力引起的下拉荷载：
中性点位置：
.
中性点位置以上各土层引起的下拉荷载如下：

=483.0KN。
可见桩基础设计时若考虑桩周土负摩阻力引起的下拉荷载，其对应的单桩荷载效应标准组合值应为2200+483=2683KN≈2700KN。
3、考虑负摩阻力的两种规范计算结果比较
在考虑桩周土负摩阻力影响的桩基设计中，中性点以上土层侧摩阻力值取零，且桩基荷载对应的包括负摩阻力引起的下拉荷载。故：
按国家行标《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）：
为桩端土的极限承载力标准值；桩侧各层土的极限侧阻力标准值；按本工程岩土工程勘察报告对应的建议值取值，则：
取,考虑负摩阻力影响，确定的桩身中性点以上不计侧摩阻力值，则桩型一；
考虑安全系数为2，R=3078KN>2700KN；
取,考虑负摩阻力影响，确定的桩身中性点以上不计侧摩阻力值，则桩型二
考虑安全系数为2，R=5659KN >2700KN；
均满足荷载要求。
按北京市标准《北京地区大直径灌注桩技术规程》（DBJ01-502-99）：
为桩端土的承载力标准值，较上述取值稍高为；为桩周土平均摩擦力标准值，对应于外侧倒齿形护壁考虑，因桩周周围砂土总厚度（不含新近沉积土层）h=1.60m，则桩周土摩擦力修正系数,侧：
桩型一，=1364+753=2117KN<2700KN；
桩型二，=875+3323=4198KN>2700KN；
通长直径单桩承载力不满足要求，通过扩桩后的单桩满足要求。
对于单桩基础，其下拉荷载即为桩侧负摩阻力的总和。对于桩距较小的群桩，其基桩的负摩阻力因群桩效应而降低。这是由于桩侧负摩阻力是由桩侧土体沉降而引起，若群桩中各桩表面单位面积所分担的土体重量小于单桩负摩阻力极限值，将导致基桩负摩阻力降低，即显示群桩效应。计算群桩中基桩的下拉荷载时，应乘以群桩效应系数。考虑负摩阻力的群桩设计一般按等效圆方法计算其群桩效应系数，即独立单桩单位长度的负摩阻力由相应长度范围内半径形成的土体重量与之等效，得：

以群桩各基桩中心为中心，以为半径作圆，由各圆的相交点作矩形，矩形面积与圆面积之比，即为负摩阻力群桩效应系数。

通过此式可以对群桩负摩阻力进行计算取值，在此不再赘述。
八、结论
1、由于桩基础等深基础周围存在着欠固结土等力学性质较差土层时，会对桩基础工作产生危害。该种土层不但不能为桩基础提供正摩阻力，相反会产生负摩阻力。负摩阻力一般在桩基础工作过程中受载后，有一定的滞后性，因此在桩基础设计时应充分考虑负摩阻力可能带来的危害。
2、对于存在负摩阻力的桩基础，单桩设计时应首先确定合理的中性点。由于欠固结土层的层底至中性点的距离为正摩阻力常规固结土，可见在进行单桩承载力计算时，可能滞后产生的负摩阻力被一定层厚的正摩阻力土层所抵挡。中性点以上存在的常规固结土所提供的正摩阻力被作为一种安全储备计取在单桩承载力设计值之外。能提供正摩阻力的桩身部分自中性点以下至桩身变径处。
3、常规的有效桩长的定义指的是桩身有效长度，一般自承台以下至桩身变径处计取，但考虑负摩阻力的大直径桩，有效桩长宜选中性点以下至桩身变径范围以内的几何标注部分。中性点以上无论几何尺寸多长均不应定义在有效桩长范围以内。它表明了考虑负摩阻力单桩受载工作时的一种力学分配。
4、北京地区大直径桩在通过加长桩长不能获得足够承载力的前提下，有良好桩端持力层时可通过扩大桩底面积提高承载力。但扩底宜控制在合理范围以内，扩底直径越大承载力折减越大，大直径桩设计时应充分考虑折减带来的危害。
5、对于同一场地的大直径桩设计，遵循两种规范分别取值计算，其结果很明显：在不考虑负摩阻力影响设计桩基础时，同一桩型设计按北京市标准《北京地区大直径灌注桩技术规程》（DBJ01-502-99）计算值比行标《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）计算值偏大；在考虑负摩阻引起下拉荷载影响设计桩基础时，同一桩型设计按北京市标准《北京地区大直径灌注桩技术规程》（DBJ01-502-99）计算值比行标《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）计算值有些偏小，这主要是由于两种规范对桩侧土摩阻力考虑的方式不同造成的。

参考文献
1、国标《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）;
2、行标《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）。
3、北京市标准《北京地区大直径灌注桩技术规程》（DBJ01-502-99）。