易塌陷土地基桩基础负摩擦力的研究

江 宇

(北京华刚矿业股份有限公司，北京 100039)

1 引言

赞比亚谦比希铜矿矿区拟建尾矿充填搅拌站，充填搅拌站荷载很大[1]，我提出了采用桩基础的方案。根据充填搅拌站现场的工程地质勘探报告，湿陷系数大于 0.015[2]，地基土壤为易塌陷土，由于易塌陷土壤在发生活动沉陷时，会对桩基础表面产生逆向摩擦，即引起桩基础向下沉降的负摩擦力，我在计算桩基础地基荷载时，需要考虑桩周围土壤塌陷产生在桩表面的负摩擦作用。我咨询了南非有关土建专家，参阅了国外有关资料[3]，结合现场工程地质情况的基础上，对易塌陷土壤地基桩基础负摩擦力进行了研究和计算。

2 工程地质概况及评价

从充填搅拌站的现场勘探揭示的情况[4]看，(地质柱状图见表1)，拟用场地的表层较薄，第二层至第五层均易于塌陷，而不适合做地基层。地下水位在地表下6.1m左右。充填搅拌站的现场地基土壤活动沉陷的特点是:土壤不排水，却吸水，从而渐渐失去强度而发生活动沉陷。如果不饱和土壤从外部吸收了大量水分，在不改变外部压力条件下，沉陷或塌陷还会再次发生。当土壤呈饱和状态时，活动与沉陷将不会发生。人工挖孔桩深度处于或接近于地下水位，便于人工开挖，且地下水位处的易塌陷土壤处于极为饱和状态，不会发生塌陷，地基承载力也较高。适合做地基层。

经过定性分析和论证，我建议采用深6000mm、直径800mm、带直径1600mm扩大端的现浇钢筋混凝土人工挖孔桩方案。但我需要计算出桩周围土壤塌陷引起的桩表面负摩擦力和桩基础的垂直工作荷载，以验证这一方案的可行性。

表1 地质柱状图

3 桩的负摩擦力分析

在土层相对于桩侧向下位移时，产生于桩侧的向下的摩擦力称为负摩擦力。产生负摩擦力的情况有多种，如:位于桩周的欠固结软粘土或新填土在自重作用下产生固结;大面积地面堆载使桩周土层压密;在正常固结或稍为超固结的软粘土地区，由于地下水位全面降低(例如抽取地下水)，致使有效应力增加，因而引起大面积沉降;以及自重湿陷性黄土浸水后产生湿陷等。在这些情况下，土的自重和地面上的荷载将通过负摩擦力传递给桩。

一根承受竖向荷载的桩，桩身穿过正在固结中的土层而达到坚实土层，该桩在产生负摩擦力时的荷载传递见图1[5]。曲线1表示土层不同深度的位移;曲线2表示该桩的截面位移曲线，曲线1与曲线2之差(画横线部分)为桩、土之间的位移。曲线2和曲线1的交点(O1点)为桩、土之间不发生相对位移的截面位置，称为中性点。在O1点之上，土层产生相对桩身的向下位移，在这部分桩长范围内出现负摩擦力fn。在O1点之下，桩截面产生相对于土层的向下位移，在这部分桩长范围内，在桩侧产生正摩擦力f。从图1可以看出，在中性点处桩身轴力达到最大值(P+Pnf)，而桩端总阻力则等于[P+(Pnf－Pf)]。

图1 单桩在产生负摩擦力时的荷载传递

由于桩周土层的固结是随时间而发展的，所以土层竖向位移和桩身截面位移都是时间的函数。在一定的桩顶荷载P作用下，这两种位移都随时间而变，因此中性点的位置、摩擦力以及轴力都相应发生变化。据国内有关资料介绍:当桩侧主要为产生固结的土层时，中性点的位置至桩顶的距离大多为桩长的70%～75%;支承在岩层上的桩，中性点接近岩层顶面。也有文献[6]介绍:当桩侧主要为产生固结的土层时，采用有限单元法确定中性点的位置，结果，中性点的位置与桩顶的距离约为桩长的50%。

在南部非洲国家，普遍存在与我国西北地区自重湿陷性黄土特征相似的易塌陷土，这些国家尤其是南非的土建专家，对易塌陷土地基桩的负摩擦力长期研究后指出，当桩侧主要为松散型物料 (无粘性物料)时，只考虑负摩擦力而忽略正摩擦力。当桩支承在处于极度饱和的易塌陷土层 (地下水位处的土层)时，中性点的位置接近地下水位顶面。

4 考虑负摩擦力的桩承受力计算

充填搅拌站现场的地下水位为6.1m深，如果我采用深6000mm、直径800mm的桩基础，桩支承在处于极度饱和的易塌陷土层，且桩侧主要为松散型物料 (无粘性物料)。根据南非土建专家的理论，计算桩端总阻力时，只考虑负摩擦力而忽略正摩擦力，中性点的位置接近地下水位顶面 (即桩底)。图2表示该桩在产生负摩擦力时的荷载传递。

图2 单桩在产生负摩擦力时的荷载传递

从图2可以看出，桩端总阻力PS=(P+Pnf)。

在确定桩的承受力时可忽略表面摩擦力，在无粘性土壤中桩的极限承受力按下式计算:

式中，QS极限端头承受力强度，AB为桩横断面积或桩端放大的基础面积，PV为有效垂直应力，NQ为承受力系数。

澳大利亚标准协会发布的“AS－2159，Piling标准”建议，在无粘性土壤中桩基础采用表2中的承受力系数。

表2 无粘性土壤中桩基础承受力系数

已知现场桩周围土壤松散，体积密度w=14Kn/m3，桩深6米时，有效垂直应力按下式计算:

因现场6米深处土壤的粘稠度为松散型，极限端头承受力强度QS按下式求出:

按下式，求出在6米深松散物料中800毫米直径桩的极限承受力:

根据南非土建专家计算桩极限承受力及地基承载力的经验，采用3为1安全系数，在6米深松散物料中800毫米直径桩的桩基承载力PA为:

但以上公式忽略了桩基上方土壤中可能存在的活动沉陷效应，包括桩表面负摩擦力或“下拖力”。当确定桩基承载力时，应考虑这种效应。假定桩基以上所有物料都具活动颗粒构造，如上所述，桩基有效垂直应力可按下式求出:

则平均有效垂直应力为42kPa。实验测得这种土壤的有效内摩擦角为30°，根据南非土建专家的经验，水平面压力与平均有效垂直应力之比约为0.5，那么，800毫米直径桩的下拖力Pnf按下式计算:

采用3为1安全系数，则极限承受力及桩基承载力PA按下式计算:

如果我采用深6000毫米、直径800毫米、带直径1600毫米扩大端的桩时，按下式计算，桩的极限承受力及桩基承载力为:

考虑负摩擦力后，采用3为1安全系数，按下式求出，极限承受力及桩基承载力PA为:

在考虑了桩基础表面的负摩擦力因素后，经以上计算验证，我采用深6000毫米、直径800毫米、带直径1600毫米扩大端的现浇钢筋混凝土人工挖孔桩方案完全可行。

5 国内对湿陷性黄土地基桩承受力的计算方法

国内对湿陷性黄土地基桩承载力的计算方法，认为桩的端头扩大部分产生的承载力加上桩基础表面的正摩擦力，足以抵消桩基础表面的负摩擦力，并已包含了安全系数，只以桩身直径作为端头大小，计算桩基础极限承受力。即在6米深松散物料中，800毫米直径、带直径1600毫米扩大端的桩极限承受力为:

6 计算结果的对比及使用效果

按南非等国专家的经验，考虑易塌陷土地基桩基础负摩擦力后，计算所得的桩极限承受力为1346kN，比按国内对湿陷性黄土地基桩承载力计算所得的桩极限承受力1055kN，大了约20%，也就是减少了桩基础数量的20%。为了节省工程费用，同时也考虑到拟建的尾矿充填搅拌站位于非洲，这种计算负摩擦力的方法已有较普遍的工程实践，我们采用了按南非等国家计算易塌陷土地基桩基础极限承受力的结果。赞比亚谦比希铜矿矿区尾矿充填搅拌站建成使用以来，基础沉降完全符合设计要求。

7 结论

虽然易塌陷土的地基桩基础负摩擦力的计算，带有很多经验性质，但在工程实践中不可忽视。我对易塌陷土壤地基桩基础负摩擦力的分析和计算研究，对国内土建工程师在湿陷性黄土地基桩基础负摩擦力方面的研究，相信会有一定的参考作用。

[1]谦比希铜矿项目部.赞比亚谦比希铜矿恢复建设基本设计书.北京:中国有色工程设计研究总院.2001，157－160.

[2]秦晓栋，薛维俊.湿陷性黄土地基湿陷机理湿陷性评价及地基处理方法.内蒙古石油化工，2009，(2):38－39.

[3]Braatvedt，Everett.筑桩及基础系统指南.约翰内斯堡:Frankipile南非有限公司，1986，(2):31－33.

[4]谦比希铜矿工程部.谦比希铜矿充填搅拌站工程地质勘探报告.基特韦:中色建设非洲矿业有限公司.2001，13－23.

[5]华南工学院，南京工学院等.地基及基础.北京:中国建筑工业出版社出版，1985，301－302.

[6]徐初来，苏达.负摩擦桩中性点的确定方法研究.路基工程，2010，(01):69－71.