負(fù)摩阻力對(duì)樁基承載性能的影響研究

【摘要】目前，常有樁基承載力及樁身強(qiáng)度的安全度遠(yuǎn)低于正常狀態(tài)下樁基安全度的問(wèn)題，導(dǎo)致這一問(wèn)題的主要原因是負(fù)摩阻力的存在。本文對(duì)負(fù)摩阻力的產(chǎn)生機(jī)理，工程計(jì)算，對(duì)樁基的影響作了總結(jié)，提出了減小負(fù)摩阻力的措施。 　　【關(guān)鍵詞】負(fù)摩阻力；計(jì)算方法；樁基承載性能；措施 　　1. 引言 　　樁基布設(shè)在土體中，一般情況下上部荷載作用于樁端，樁土之間產(chǎn)生相對(duì)位移，樁周土的沉降速率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樁的沉降速率，此時(shí)樁所承受的側(cè)摩阻力向上，即為正摩阻力也就是常說(shuō)的樁側(cè)摩阻力。然而在某些特殊情況下，樁周土的沉降速率遠(yuǎn)大于樁的沉降速率，此時(shí)樁所承受的側(cè)摩阻力向下，即為負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力對(duì)樁基有嚴(yán)重的削弱作用，因此需對(duì)其進(jìn)行研究并消除。 　　2. 負(fù)摩阻力計(jì)算方法探討 　�。�1）20世紀(jì)以來(lái)，樁基礎(chǔ)在應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程中，大量事故暴露出負(fù)摩阻力對(duì)樁基不可忽視的影響，引起諸多學(xué)者的高度重視，關(guān)于樁基的負(fù)摩阻力研究工作大量開展，并取得了諸多重要研究成果。但因?yàn)闃锻馏w系的復(fù)雜多樣，導(dǎo)致迄今工程設(shè)計(jì)中仍然使用半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法。 　　（2）目前在樁基設(shè)計(jì)中針對(duì)樁側(cè)摩阻力問(wèn)題的考慮，一般采取的方法是：將中性點(diǎn)以上部分或者整個(gè)樁身的負(fù)摩阻力全部略去，然后將單樁承載力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)降低，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)提高安全系數(shù)。這些方法都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或理論計(jì)算來(lái)確定的，相比而言，因各個(gè)場(chǎng)地的地質(zhì)情況不同最為可靠地還是現(xiàn)場(chǎng)在樁身布設(shè)測(cè)力元件測(cè)定樁基負(fù)摩阻力。精確地測(cè)定負(fù)摩阻力可以給設(shè)計(jì)者以明確的設(shè)計(jì)參數(shù)，有利于對(duì)樁基進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約總造價(jià)。但在很多情況下，由于時(shí)間、資金、管理思路等原因，無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。為此國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)研究，對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行更深層次的完善，發(fā)展了幾種與實(shí)際情況更加符合的計(jì)算方法，如極限分析法、荷載傳遞法、彈性或彈塑性理論法、剪切位移法、數(shù)值分析法等[2]。 　�。�3）在計(jì)算負(fù)摩阻力時(shí)，以上幾種計(jì)算方法都有相應(yīng)的不足和優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)這幾種計(jì)算方法進(jìn)行綜合考慮，選擇最符合實(shí)際的結(jié)果供設(shè)計(jì)者參考[3]。 　　3. 負(fù)摩阻力對(duì)樁基的影響分析 　　負(fù)摩阻力對(duì)樁基性能的不利影響可以總結(jié)為以下三個(gè)方面：降低了樁的側(cè)摩阻力，直接降低樁基有效承載力；增加了樁基沉降量，負(fù)摩阻力的出現(xiàn)使樁周土提供的荷載抗力大大減少了，樁的承載力僅依靠中性點(diǎn)以下的樁周土和樁尖土來(lái)提供，導(dǎo)致樁端土體沉降增加引起樁基沉降增加；降低了樁身強(qiáng)度的安全度，負(fù)摩阻力形成了對(duì)樁基的附加荷載，造成樁身軸力增加。 　　從樁基的工作狀況來(lái)看，負(fù)摩阻力的影響對(duì)端承型樁和摩擦型樁有較大區(qū)別。 　　3.1摩擦型樁。 　�。�1）在負(fù)摩阻力的作用下，摩擦樁會(huì)產(chǎn)生附加沉降，樁的附加沉降反而使得樁土之間的相對(duì)位移關(guān)系發(fā)生變化并使樁的中性點(diǎn)上移。中性點(diǎn)上移造成樁身受正摩阻力的部分樁身長(zhǎng)度增加，從而引起正摩阻力總量的增加，負(fù)摩阻力減少。只有在樁周土和樁的沉降都穩(wěn)定后，由負(fù)摩阻力導(dǎo)致的樁基下拉荷載、摩阻力沿樁身的分布以及樁基的中性點(diǎn)位置才能穩(wěn)定下來(lái)。 　�。�2）摩擦型樁的承載性能不受負(fù)摩阻力的直接影響，因此，除了上部結(jié)構(gòu)對(duì)沉降要求特別嚴(yán)格的情況外，均可利用增加沉降的方法來(lái)減輕或者消除負(fù)摩阻力對(duì)樁基的影響。在軟土地區(qū)樁周土的沉降需要很長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定，樁與樁土間的相互作用也就需要很長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定。自然條件的變化（如地下水位的變化等）也會(huì)對(duì)負(fù)摩阻力的發(fā)展產(chǎn)生影響。因此，對(duì)帶負(fù)摩阻力的摩擦型樁而言，沉降是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能穩(wěn)定。 　�。�3）在摩擦樁中，負(fù)摩阻力對(duì)樁身軸力的不利影響表現(xiàn)為變動(dòng)的、可調(diào)節(jié)的。帶負(fù)摩阻力的摩擦型樁中，樁身最大軸力的增幅和位置隨著中性點(diǎn)位置的變化而變化，隨著中性點(diǎn)位置的穩(wěn)定而趨于穩(wěn)定。不過(guò)，樁身最大軸力的增幅的調(diào)節(jié)是被動(dòng)的，它只與樁周土的相對(duì)位移有關(guān)，而與樁身軸力大小本身無(wú)關(guān)。我國(guó)樁基規(guī)范（JGJ94-2008）規(guī)定，摩擦型樁不計(jì)中性點(diǎn)以上土層的下拉荷載，也不計(jì)這部分土層的正摩阻力。這一規(guī)定是建立在樁基產(chǎn)生附加沉降的基礎(chǔ)上的。所以，對(duì)于沉降較敏感的上部結(jié)構(gòu)，此規(guī)定是偏于不安全的。摩擦型樁中負(fù)摩阻力的影響應(yīng)當(dāng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對(duì)承載力和沉降的不同要求而作出相應(yīng)的規(guī)定才更合理。 　　3.2端承型樁。 　�。�1）對(duì)于端承型樁，由于樁端持力土層壓縮模量較大，樁的沉降很小，并且負(fù)摩阻力產(chǎn)生的附加荷載作用下出現(xiàn)的附加沉降也很小，樁土間的相對(duì)位移關(guān)系也基本上不會(huì)變化，在土體沉降趨于穩(wěn)定的過(guò)程中樁土共同作用而造成的中性點(diǎn)位置的變動(dòng)也就很小。因此，負(fù)摩阻力對(duì)于端承型樁的影響比摩擦型樁要直接的多。對(duì)于端承型樁中樁土共同作用不明顯，這部分附加荷載也就很難減少或消除，附加荷載對(duì)樁身強(qiáng)度和承載力有明顯的不利影響。 　　（2）對(duì)于端承型樁，負(fù)摩阻力對(duì)樁身軸力的不利影響是長(zhǎng)期穩(wěn)定的。這就使得附加荷載等同于固定荷載一樣對(duì)樁身長(zhǎng)期作用，此時(shí)，負(fù)摩阻力應(yīng)作為附加荷載與上部荷載疊加共同作用在樁身上，以保證樁身強(qiáng)度安全。 　　4. 減小負(fù)摩阻力的措施 　�。�1）針對(duì)于負(fù)摩阻力對(duì)樁基的嚴(yán)重影響，在當(dāng)前的設(shè)計(jì)施工中，都有相應(yīng)的措施來(lái)減少樁基工程中的負(fù)摩阻力。 　�。�2）目前的主要措施是將樁與樁周土在一定程度上隔離開來(lái)，即降低樁與樁周土間的負(fù)摩阻力系數(shù)。對(duì)于預(yù)制樁采用涂層的辦法較為簡(jiǎn)單方便，即對(duì)預(yù)測(cè)的中性點(diǎn)以上的樁身側(cè)面覆蓋軟瀝青涂層，此法可以明顯減少負(fù)摩阻力。當(dāng)樁受到負(fù)摩阻力時(shí)，軟瀝青涂層將會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)變，使樁土間的摩擦系數(shù)減小，已達(dá)到減小負(fù)摩阻力的目的。該法的工程效果比較明顯。對(duì)灌注樁，工程中常采用以下兩種措施：將比鉆孔直徑小5～10cm的預(yù)制混凝土樁段插入沉降土層范圍內(nèi)，用稠度較高的膨潤(rùn)土泥漿充填在預(yù)制樁外圍預(yù)先形成隔離層。泥漿護(hù)壁成孔過(guò)程中，先將下端混凝土澆筑完，再填入高稠度膨潤(rùn)土泥漿，最后將預(yù)制混凝土樁段插入。在干作業(yè)成樁時(shí)，在鉆孔沉降涂層范圍內(nèi)先安設(shè)雙層，在筒形塑料薄膜內(nèi)澆注混凝土，在樁身與孔壁之間形成可自由滑動(dòng)的塑料薄膜隔離層。 　�。�3）目前，除了改善樁土界面特性的方法外，還有改變樁身幾何構(gòu)造、對(duì)軟土地基進(jìn)行處理等多種方法來(lái)降低負(fù)摩阻力。比如利用強(qiáng)夯、 　　水泥土攪拌樁等方法對(duì)軟基進(jìn)行處理降低樁周土沉降，在滿足樁的承載能力前提下，應(yīng)盡量降低樁體剛度、減小樁徑。隨著地基處理新方法及諸多新型建筑材料的出現(xiàn)，更為有效、經(jīng)濟(jì)的降低負(fù)摩阻力的措施亟待開發(fā)。 　　參考文獻(xiàn) 　　[1]JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008. 　　[2]趙明華，賀煒，曹文貴. 基樁負(fù)摩阻力計(jì)算方法初探[J].巖土力學(xué). 　　[3]孔綱強(qiáng)，楊慶，鄭鵬一，欒茂田. 單樁負(fù)摩阻力計(jì)算方法比較分析[J].防震減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2008（02）：98～103.

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