单桩桩基负摩阻力的形成机制及其分界点的确定

文/张徽斌 湖南省第二工程有限公司 湖南长沙 410015

1、导致负摩阻力的形成机理及其因素

桩端的支撑力与周围土体的侧摩擦阻力两者对桩基共同作用所产生的合力我们称之为承载力。桩基与土体之间的位移相对量是导致桩基发生侧摩擦阻力的主要因素。在一般正常的建筑工程施工中，桩基的顶部承受着上面部分的荷载压力，相对于桩基周围的土体环境来说，桩身整体在受到外部压力的情况下会发生不同程度的向下位移，而相临近的土体会给桩身一个向上的摩擦里，这种摩擦阻力就是人们常说的正摩擦阻力。然而，在建筑工程施工过程中，总会有很多突发情况与之前预想的完全相反，例如，当桩身相对周围土体向上位移，这个时候桩身就会受到土体给予的向下摩擦阻力，这种摩擦阻力我们称之为负摩擦阻力。图1显示了负摩擦阻力示意图。

图1 桩基负摩擦阻力

这种负摩擦阻力会对桩基额外附加一个向下的拉力，这样就会加大整个桩基的承载力，如果在设计地基时未考虑桩基的负摩擦阻力，就会对整个桩基产生影响，极端的情况就是桩基塌陷，整个地基被破坏。产生这种负摩擦阻力的因素很多，综合考虑可以将其归纳为以下几点[1]：

(1)大量的新填土存在于桩基周围，这种新填土与之前存在的粘土没有形成很好的粘结性，导致土体整个下沉，桩基固定不牢。

(2)在发生大量降雨时，原来已经粘结的土体被雨水冲刷、泡软，导致整个土体沉降，向上位移，从而产生向下的负摩擦阻力。

(3)桩基周围的土体混合不均匀所导致的沙土粒径不统一，或者是所用土体批次不同，所以它们的膨胀和收缩系数也会不同，这种微小差别会使桩基周围的土体产生再一次粘结，从而导致整体土体下沉，桩基向上位移。

(4)桩基周围的土体土质比较特殊，例如黄土高原地区，由于黄土的自身重力较大，而且吸湿性较强，所以其本身就存在下陷的缺点；或者在北方地区，由于土体遭受严寒天气，当气候变暖后，冻土就会融化，从而产生下沉。

(5)由于粘本身较为敏感，在施工过程中，它会或多或少地受到影响，重置、抬升、孔隙水压力增大明显，这些都会导致整个土体的向下位移，从而使桩基受到向下的摩擦阻力。

(6)在许多干旱地区，地下水位明显下降时，土体的外部应力场会发生变化，它的有效应力会增大，从而导致土体下降，桩基产生负摩擦阻力。

2、分界点及位置的确定

桩基在产生负摩擦阻力时，并不是整个桩基都被赋予这种摩擦力，它所产生的范围与整个桩基的下沉量、桩基本身受到的外部载荷压缩量以及桩基周围土体的粘结压缩有关。正常状态的情况下，整个桩基的位移量决定了它的大小，在桩基位移为零的点，改点所受到的摩擦阻力也为零，这个零点就是我们要找的中性点，我们称之为桩基正负摩擦阻力的分界点。

图2 桩基周围土体及其中性点位置示意图

图2为桩基周围土体以及正负摩擦阻力的临界点示意图，从图中可以看出，曲线cd代表了桩基周围土体下陷量的变化，它的量与深度有着直接关系；桩基每个截面的水平位移程度用图中ab表示；这个水平的位移量由两部分组成，如图中所示，Ss代表了桩基自身收缩变形所产生的位移量，而Sp代表了桩端处的下沉位移量；土体地表的总下陷距离用Se表示。从图中还可以看出，曲线ab与曲线cd相交于被标为0的点，这个零点处表示了桩基本身与周围土体都没有产生位移量，所以在零点处的摩擦阻力为零，这个点就是我们要找的分界点。以分界点为参照物，在分界点的上方，桩基本身和桩基周围土体都会产生方向向下的位移，此时桩基本身的位移量要小于桩基周围土体的位移量，桩基本身的摩擦阻力相对于桩基周围土体来说是向上的，所以该区域为负摩擦阻力区域。在这个范围中，桩基顶部受到的负载压力与侧面摩擦阻力方向都向下，这样就会导致桩基本身的轴向压应力急剧增大，直到在零点处到达最大值。在分界点的下方，桩基本身和桩基周围土体也都会产生方向向下的位移，但此时桩基本身位移量要大于桩基周围土体的位移量，此时桩基所受到的就是正摩擦阻力，轴向压应力会逐渐变小，因为桩基侧面受到正摩擦阻力的原因。

在平时的建筑施工中，如果可以到达现场进行桩基分界点的测试，那么流程相当简单，而且测量的结果的可信度也较高。我们可以利用桩基本身与桩基周边土体下沉位移量相等的原则来确定出分界点的位置所在，此外我们也可以通过轴向应力来确定分界点，因为桩基本身的轴向应力是存在最大点的。

但是很多时候，技术人员因为种种原因并不能到达现场进行桩基和土体的测量，这个时候我们就会用到如下方法来近似测量分界点的位置。

根据桩基的类型以及桩基端部承载力的特点可以确定：

端部桩基(持力层为砂土质地)：

式中，ln为分界点的深度， l表示桩基周围土体的厚度。

随着建筑学与数学领域的不断发展，日本学者总结出标准的计算方法：

式中，Kv为桩基周围土体的弹簧系数，单指垂直方向； S0代表了地基的下沉位移量； τ代表了桩基单位面积上的侧摩擦阻力；U代表了桩基的周边长度；ln代表了桩基侧面的压应力的下限；P为桩基顶端受到的负载压力。该公式的最大优点在于将桩基受到的负载、桩基周长、侧摩擦阻力、沉降位移距离等因素综合考虑在内，虽然在取值范围上仍然有不足，但是在无法到达现场测量的情况下，该公式的准确度已经非常客观。

结语：

在建筑施工中，桩基的负摩擦阻力是影响工程安全的重要因素，本文对其产生的机制以及影响因素进行了简要分析，并提出一种可信度极高的公式来计算分界点的位置，以应对无法到达现场测量的突发状况。