考虑负摩阻力的某泵站桩基础设计

陆建君，陈伟平

(广东粤水电勘测设计有限公司，广东 佛山 528000)

桩受竖向荷载作用后，正常情况下桩侧土体产生向下的位移，桩侧土体相对桩体产生向上的摩阻力，是为正摩阻力。若桩侧土体由于某种原因而发生下沉且其沉降速率大于桩本身下沉速率，桩侧土就相对于桩身做向下的位移，从而使桩侧土体对基桩产生向下的摩阻力，称之为负摩阻力[1]。

在桩基计算的工程实践中，负摩阻力计算是桩基竖向承载力计算的重点和难点，非常容易出错。全面认识和正确计算桩侧负摩阻力，是安全设计桩基础的重要一环[4]。

1 工程概况

某泵站为新建排涝泵站工程，选址定于高明河内堤左岸，现东水闸上游，秀丽河入高明河的出口处，设计排水流量按27 m3/s。泵站采用堤后式布置，泵站轴线位于原东水闸上游约52 m，泵站轴线与堤轴线正交，采用正向进水正向出水的布置方式，机组采用1 600ZLB-3.9型半调节立式轴流泵3台，配TL-20型10 kV、1 000 kW立式同步电动机，总装机容量3 000 kW。副厂房布置在出水侧，为3层框架结构。管理楼单独布置主厂房右侧空地上。顺水流方向依次布置有进水渠、自动清污闸、进水前池、检修闸及泵房、副厂房、出水箱涵、防洪闸、出水池等水工建筑物等。工程等别为Ⅲ等，规模属中型，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级[5]。工程总平面布置如图1所示。

泵房采用块基型堤后式泵房，下部为整体现浇结构，上部为框架结构，纵向总长32.5 m，宽26.5 m，其中主厂房宽12.5 m。主要由进水室、进水流道层、水泵层、联轴层、电机层及副厂房组成。副厂房布置在主厂房的出水侧，宽7 m，为3层框架结构，总建造面积为：366 m2。泵房平面布置如图1所示。

2 地质情况概述

2.1 地层分布

经钻探揭露，场地地基由人工筑填土(Qs)、第四系三角洲海陆交互相沉积层(Qmc)、残积土层(Qel)和下石炭统(C1)灰岩等组成。人工筑填土以沧江河堤填身土为主，第四纪三角洲海陆交互相沉积层主要由不同粒级砂土、淤泥质土(淤泥)、粉质粘土、粘土等组成，土层总厚25.50～43.20 m，与下伏风化基岩呈不整合接触[6]。

2.2 地质参数

各岩土层力学指标推荐值见表1所示。

表1 桩的极限侧阻力和桩的极限端阻力标准值一览(按JGJ 94—2008规范)

3 桩基设计方案

根据岩土工程勘察报告，本项目建基面为淤泥质土。本项目离居民区较远，要求在1个枯水期内完成工程施工，在汛期来临之前发挥效益。由于工期紧，为加快施工速度，泵房及启闭架采用预制桩基础，其余采用搅拌桩处理方案。

根据泵房稳定计算，基底最大应力时为完建工况，计算成果泵房底板轴心竖向力Fk=46 976 kN，作用于底板中心的力矩Mk=41 000 kN·m，偏心矩e=Mk/Fk=0.87 m。预制管桩布桩顺水流方向桩距为2～2.7 m不等距布置，垂直水流方向桩距2.1 m，这样使的桩群形心点刚好与泵房竖向荷载作用点重合，即不产生偏心矩，泵房底总桩数：n=10×9=90条，具体布置如图2所示，故基桩所需承担的平均竖向力Nk=46 976/90=521.96 kN。

图2 基础处理平面示意

地质钻孔CZK9位于泵房下，其地质勘察资料具有代表性，典型地质情况如图3所示。

图3 泵房段典型地质剖面示意(单位：高程m，长度mm)

根据地质勘察资料，泵房基础设计选用PHC400A95型预应力管桩，采用D50型柴油锤打桩，要求最后30锤平均每10锤贯入度不大于30 mm，设计桩长为17.55 m，最终桩长由试桩确定。

4 负摩阻力的计算

由于底板面积较大，桩数较多，根据由土重所引起的桩周土平均自重竖向有效应力的计算起始高程不同，可分为桩群外围桩和内部桩，外围桩自地面高程算起；内部桩不受桩顶以上外围填土的影响，桩周土平均自重从底板底面高程算起。根据总平面布置图，泵房外围地面高程为6.60 m，桩顶高程按泵房底板高程-4.71 m计。

产生负摩阻力的原因较多，因泵房建基面以下桩基穿越较厚的软弱土层进入基岩，符合产生负摩阻力的条件，故应考虑计算桩侧负摩阻力。计算负摩阻力的难点之一是确定桩侧软弱土层的下限深度l0。l0是指从桩顶起算起的桩周软弱土层的下限深度，以桩周软弱土层的底面为分界点，并不是整个桩身的长度。如果桩周存在岩石或者老黏土等不透水层，则以不透水层为分界点。一般来说，可将e≥1.0、Es≤5.0 MPa的土层视作软弱土层。根据地质勘察资料(5)淤泥质土和(7)淤泥为软弱土层，(6)细砂虽然压缩模量较大，但夹于二层软弱土层之间，亦并入软弱土层计算，故计算桩周负摩阻力时软弱土层下限深度应确定到(7)淤泥层底，以下为正常土层，如图3所示。

4.1 外围桩

1)确定桩周软弱土层的下限深度l0

l0=3.95+3.3+3.8=11.05 m。

2)确定中性点深度ln

按照现行《建筑桩基技术规范》[7]5.4.4-2条及小注来确定中性点深度ln。根据地质勘察揭露的场地地层资料判断，桩基的持力层为基岩，中性点深度比ln/l0可为1.0。

ln=1.0l0=1.0×11.05=11.05 m。

即计算下拉荷载的土层分别为(5)淤泥质土、(6)细砂和(7)淤泥。

3)确定负摩阻力系数ξn

预制桩为挤土桩，按照《建筑桩基技术规范》表5.4.4-1小注取较大值，即取淤泥质土ξn=0.25，细砂ξn=0.50，淤泥ξn=0.25。

(1)

根据工程经验，泵房外地面均布活荷载p取20 kPa。取水的重度γw=10 kN/m3。

① -4.71～-8.66 m(淤泥质土段)

② -8.66～-11.96 m(细砂段)

③ -12.0～-16.49 m(淤泥段)

5)计算负摩阻力群桩效应系数ηn

预制管桩布桩顺水流方向桩距为2～2.7 m不等距布置，取Sax=2.35 m；垂直水流方向桩距Say=2.1 m。

中性点以上桩周土层厚度加权平均重度γm：

负摩阻力群桩效应系数ηn：

7)计算单桩竖向承载力特征值Ra：

8)验算基桩竖向承载力：

基桩竖向承载力满足要求。

4.2 内部桩

同外围桩，桩周软弱土层的下限深度l0=11.05m，中性点深度ln=11.05m；负摩阻力系数淤泥质土ξn=0.25，细砂ξn=0.50，淤泥ξn=0.25；群桩效应系数ηn=1.0；单桩竖向承载力特征值Ra=1011.84 kN。

(2)

与外围桩不同，内部桩不受桩顶上外围填土的影响，桩周土平均自重竖向有效应力从底板底面高程算起。同理可得：

3)验算基桩竖向承载力：

基桩竖向承载力满足要求。

4.3 不考虑负摩阻力时单桩竖向承载力特征值Ra

4.4 计算成果及实施效果

4.4.1计算成果

桩基竖向承载力计算成果见表2所示。

表2 桩基竖向承载力计算成果 kN

考虑负摩阻力影响后，其桩基竖向承载力约为不考虑负摩阻力桩基竖向承载力的86%，下降14%；能担的最大上部荷载仅为不考虑负摩阻力时的57.8%，大幅下降。设计时若不考虑负摩阻力，往往因设计桩长不足，导致桩基竖向承载力不足，极有可能引发工程质量事故。

4.4.2实施效果

4.5 几点思考

1)现行《建筑桩基技术规范》JGJ 94—2008(以下简称《规范》)明确规定，计算桩周平均竖向有效应力时，桩群外围桩自地面算起，内部桩自承台底面算起。由于内部桩不受桩顶上外围填土的影响，故内部桩下拉荷载比外围桩小些。实际上设计人员很少按内部桩和外围桩分开设计而选择不同桩长或桩径，一是因为桩基规范没有规定如何划分外围桩和内部桩；二是因为通常情况下内部柱与外围桩相差不是很大，分开设计则不利于施工。为了区分内部桩和外围桩，建议将底板底面以上外围填土作为附加荷载，参考《建筑地基处理技术规范》[8]将外围填土附加荷载以压力扩散角扩散(压力扩散角θ=45°-φm/2，内摩擦角φm取桩周填土按厚度加权平均值)，若桩身在压力扩散角范围内，则按外围桩处理；若桩身在压力扩散角范围以外，则按内部桩处理。

2)《规范》计算负摩阻力时未考虑桩型选择和施工工艺的影响。按成桩方法，基桩可分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩。相同的地质结构，选择非挤土桩时对原地层力学参数影响很小；选择挤土桩对，经过桩挤密、振动等作用，对原地层尤其是砂层的力学参数将产生有利影响，而《规范》未考虑这一点。

3)《规范》未考虑软弱土层的流变影响。软土在长期荷载作用下，除了产生排水固结引起的变形外，也会发生缓慢而长期的剪切变形，这对建筑物地基沉降有较大影响，对建筑物地基稳定性不利[9]。由于《规范》中未考虑软弱土层的流变性因素，导致软土对基桩产生的下拉荷载预估不充分，最终导致负摩阻力的计算结果偏小。

4)可通过提升桩身强度来提高桩基础承载能力，以抵消因负摩阻力对桩基承载力带来的不利影响[10-11]。

5 负摩阻力计算要点

在桩基的承载力计算过程中，桩侧负摩阻力的计算特别容易出错[12]。现将计算负摩阻力时的注意要点总结如下：

① 计算下拉荷载时，首先要确定中性点深度ln，不能直接取全桩长进行计算。

② 中性点计算深度是从桩顶算起，而不是从地坪面算起。

⑥ 群桩效应系数ηn≤1；当计算值ηn>1时要取ηn=1进行计算。考虑群桩效应，在计算群桩的负摩阻力时，外围桩的桩侧土层平均竖向有效应力自地面算起，内部桩的桩侧土层平均竖向有效应力自承台底面算起。

⑦ 计算桩侧负摩阻力时可不用考虑桩的大直径尺寸效应修正。

一般情况下，在工程实践中只要遵行以上计算要点，正确掌握计算方法和技巧，基本上可以避免桩侧负摩阻力计算上的错误。

6 结语

在工程实践中，当桩周土层产生的沉降大于桩基的沉降时，桩侧负摩阻力计算是桩基竖向承载力计算的重点和难点，非常容易出错。为方便设计和施工，建议根据桩身是否在外围填土附加荷载扩散角范围内作为外围桩和内部桩划分的依据。

桩基础竖向承载设计对工程来说至关重要，设计人员要正确认识负摩阻力，掌握计算方法和技巧，以期达到理论计算与实际结果大致相符，安全性、经济性和施工便利性兼顾的设计目标[13-14]。