桩基湿陷负摩阻力问题研究论述

魏成国 张志辉 高宏义

1 概述

随着桩基础在湿陷性黄土地区的广泛使用，涌现出了一系列不同于其他地质地区的桩基事故问题，那就是当桩基础遇水时，建筑物会产生很大的附加沉降，造成建筑物大面积的开裂以及建筑物不同程度的倾斜甚至倒塌，究其原因主要是湿陷性黄土的湿陷特性对桩基承载力的影响，这种影响又集中体现在桩基设计时如何考虑并计算因桩周土湿陷而产生的那部分负摩阻力的大小。因此湿陷性黄土地区的桩基础设计考虑的一个重要问题就是如何计算这部分负摩擦力。本文暂且把由于黄土湿陷而产生的桩基负摩阻力称为桩基湿陷负摩阻力。

2 现行的桩基湿陷负摩阻力的计算方法

2.1 规范方面

GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范规定:在非自重湿陷性黄土场地，当自重湿陷量的计算值小于 50mm时，单桩竖向承载力的计算应计入湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力。在自重湿陷性黄土场地，除不计湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力外，尚应扣除桩侧的负摩擦力。对桩侧负摩擦力进行现场试验确有困难时，可按表 1中的数值估算。

2.2 理论研究方面

梁守信在“湿陷性黄土地基中单桩负摩阻力”一文中建议:湿陷性黄土地基中桩基，当浸水方式为从上到下时，单桩平均单位负摩阻力可按下式计算:

计算时，式中系数对非挤土桩取低值，且计算结果大于15 kPa时取15 kPa;对挤土桩取高值，且计算结果大于25 kPa时取25 kPa。z为负摩阻力的影响深度，并建议将桩周土湿陷系数 δzs≥0.015的土层作为负摩阻力的作用范围。

表1 桩侧平均负摩擦力 kPa

刘明振通过理论分析，探讨了排土桩的挤密效应、承台的卸载作用、群桩的屏蔽作用等对群桩负摩阻力效应的影响，首次提出了含有自重湿陷性黄土夹层的场地上群桩负摩擦力的计算公式，由于群桩现场浸水试验难度大、费用高，所以他提出的公式未能用试验和实测结果来验证。

张厚先用改进的有效应力法并结合分层总和法来计算湿陷性黄土地基大直径单桩湿陷负摩阻力，经与实测结果相对比，证明此法比改进前的有效应力法更接近实测结果，并有可观的经济效益。

孙军杰指出桩周土体有效沉降所产生的负摩阻力，其实质是重力作用的结果，即桩周土体在沉降过程中重力对桩身做功。若将此功视为桩的负摩阻力的来源，则可由重力功的表达式构造一个与之相仿的式子，用以计算负摩阻力最大值出现的深度，从而得出单桩总的湿陷负摩阻力。

2.3 现场原位试验方面

张广林 1979年在 10m×10 m的浸水试坑中用“悬挂法”在西安进行了国营 524厂金工车间单桩湿陷负摩擦力试验，指出由于黄土的性质不同，该场地负摩擦力值比起兰州地区要小得多;黄土层的实测自重湿陷量与负摩擦力值之间究竟有何关系，是需要进一步研究探索的课题;黄土的湿陷速率与负摩擦力的关系，也需要更多地通过试验予以研究。

李大展采用当时先进的量测技术对蒲城电厂大直径扩底灌注桩作了现场的浸水载荷试验，发现浸水期间桩顶有无载荷对桩的沉降影响很大，试验结果还表明，对于非自重湿陷性黄土也应考虑其负摩擦力的问题。

张献辉在关中平原西部干河二级阶地上作了 30m×50m试坑的桩基浸水试验，对浸水过程中桩侧负摩阻力的变化规律及浸水对桩竖向承载力的影响等进行了研究，指出浸水对桩的最终竖向承载力影响不大，但对设计承载力有较大影响，设计时需要准确计算这部分负摩阻力。

黄雪峰等用直径 30m的浸水试坑在自重湿陷性黄土场地上进行了人工成孔混凝土灌注桩基桩静载与浸水试验，结果表明大面积浸水引起桩基湿陷负摩阻力的中性点深度位置将随着浸水量、浸水时间的增加逐渐下移，试桩所受的负摩阻力作用也随之逐渐增大，并逐渐趋于稳定。此次试桩，在浸水坑地面下沉达到稳定标准时，试桩的中性点位置接近桩长的一半。确定本场地在浸水饱和条件下，桩湿陷负摩阻力平均值为15 kPa。

3 湿陷负摩阻力研究的不足及下一步研究重点

从以上可知，人们虽然从多方面对湿陷性黄土地区的桩基湿陷负摩阻力作了很多的研究，但总的说来没有一个公式可以普遍应用于不同湿陷性黄土地区的桩基设计，如果要解决这个棘手的问题，笔者认为应该从以下几方面转变思路:

1)笔者建议从湿陷的机理出发，从力和水两方面着手，用现在黄土力学研究的热点问题“力水等效原理”并结合有效应力原理来推导桩基湿陷负摩阻力的解析解，为湿陷性黄土地区的桩基设计提供可靠的依据。

2)湿陷负摩阻力中性点的确定问题。负摩擦力计算的首要问题是确定中性点的位置。所谓中性点就是桩土相对位移等于零所对应的桩身某一深度上的点，也即桩身负摩阻力等于零所对应的点。如何确定中性点的位置直接关系到负摩阻力的取值大小，并且稳定后中性点的位置还受诸多因素的影响，如自重湿陷性黄土层的厚度、桩端持力层的性质及桩顶荷载等。因此我们在确定中性点位置时不仅要凭经验，还要结合理论公式推导。

3)现场试验方面。已有的现场试验大都是采用“悬挂法”，即假定锚桩在浸水过程中不变形，而实际上锚桩的变形不容忽略，有时还相当可观，量测技术再先进试验结果也肯定存在偏差。因此笔者建议今后桩基湿陷负摩阻力的现场试验不仅应该采用先进的量测技术，还应该采用更合理的试验方法。另外，确定更接近实际工程情况的群桩湿陷负摩阻力具有现实意义，但群桩的现场浸水载荷试验迄今还没有人作过，所以下一步现场湿陷负摩阻力试验的努力方向应该是群桩的现场桩基浸水试验。

4)有限元模拟。有限元计算能够模拟多种情况下桩基湿陷负摩阻力的发展变化过程，这正好可以弥补现场试验费用高、时间长且情况单一的缺点，但现在还没有人能够正确模拟桩基湿陷负摩阻力的湿陷过程，主要原因有两点:a.有限元模拟中没有使用正确的本构关系;b.对黄土浸水湿陷过程的认识不够清晰。所以，今后要用有限元分析解决湿陷负摩阻力问题应从这两方面重点着手。

5)最终湿陷负摩阻力的确定。笔者认为黄土规范应结合正确的理论推导和现场试验，并考虑不同地区的不同黄土类型等因素，为湿陷性黄土地区的桩基设计者们提供一个简单而合理的桩基湿陷负摩阻力的计算公式。

4 结语

1)阐述了湿陷负摩阻力的产生及危害，介绍了目前所使用的桩基湿陷负摩阻力的计算方法，指出目前没有一种普遍适用的方法可以解决这一问题，建议采用“力水等效原理”并结合有效应力原理来解决此问题。

2)现场桩基浸水试验方法还存在不当之处，需要改进，群桩的现场浸水载荷试验是下一步现场试验努力的重点。中性点位置的确定不仅要凭经验，还要结合理论公式推导。

3)提出了进一步解决桩基湿陷负摩阻力的建议，并指出了今后解决湿陷负摩阻力需要改进的方面和努力的方向。

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