單樁樁基負(fù)摩阻力的形成機(jī)制及其分界點(diǎn)的確定

文/張徽斌 湖南省第二工程有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410015

1、導(dǎo)致負(fù)摩阻力的形成機(jī)理及其因素

樁端的支撐力與周?chē)馏w的側(cè)摩擦阻力兩者對(duì)樁基共同作用所產(chǎn)生的合力我們稱之為承載力。樁基與土體之間的位移相對(duì)量是導(dǎo)致樁基發(fā)生側(cè)摩擦阻力的主要因素。在一般正常的建筑工程施工中，樁基的頂部承受著上面部分的荷載壓力，相對(duì)于樁基周?chē)耐馏w環(huán)境來(lái)說(shuō)，樁身整體在受到外部壓力的情況下會(huì)發(fā)生不同程度的向下位移，而相臨近的土體會(huì)給樁身一個(gè)向上的摩擦里，這種摩擦阻力就是人們常說(shuō)的正摩擦阻力。然而，在建筑工程施工過(guò)程中，總會(huì)有很多突發(fā)情況與之前預(yù)想的完全相反，例如，當(dāng)樁身相對(duì)周?chē)馏w向上位移，這個(gè)時(shí)候樁身就會(huì)受到土體給予的向下摩擦阻力，這種摩擦阻力我們稱之為負(fù)摩擦阻力。圖1顯示了負(fù)摩擦阻力示意圖。

圖1 樁基負(fù)摩擦阻力

這種負(fù)摩擦阻力會(huì)對(duì)樁基額外附加一個(gè)向下的拉力，這樣就會(huì)加大整個(gè)樁基的承載力，如果在設(shè)計(jì)地基時(shí)未考慮樁基的負(fù)摩擦阻力，就會(huì)對(duì)整個(gè)樁基產(chǎn)生影響，極端的情況就是樁基塌陷，整個(gè)地基被破壞。產(chǎn)生這種負(fù)摩擦阻力的因素很多，綜合考慮可以將其歸納為以下幾點(diǎn)[1]：

(1)大量的新填土存在于樁基周?chē)?，這種新填土與之前存在的粘土沒(méi)有形成很好的粘結(jié)性，導(dǎo)致土體整個(gè)下沉，樁基固定不牢。

(2)在發(fā)生大量降雨時(shí)，原來(lái)已經(jīng)粘結(jié)的土體被雨水沖刷、泡軟，導(dǎo)致整個(gè)土體沉降，向上位移，從而產(chǎn)生向下的負(fù)摩擦阻力。

(3)樁基周?chē)耐馏w混合不均勻所導(dǎo)致的沙土粒徑不統(tǒng)一，或者是所用土體批次不同，所以它們的膨脹和收縮系數(shù)也會(huì)不同，這種微小差別會(huì)使樁基周?chē)耐馏w產(chǎn)生再一次粘結(jié)，從而導(dǎo)致整體土體下沉，樁基向上位移。

(4)樁基周?chē)耐馏w土質(zhì)比較特殊，例如黃土高原地區(qū)，由于黃土的自身重力較大，而且吸濕性較強(qiáng)，所以其本身就存在下陷的缺點(diǎn)；或者在北方地區(qū)，由于土體遭受?chē)?yán)寒天氣，當(dāng)氣候變暖后，凍土就會(huì)融化，從而產(chǎn)生下沉。

(5)由于粘本身較為敏感，在施工過(guò)程中，它會(huì)或多或少地受到影響，重置、抬升、孔隙水壓力增大明顯，這些都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)土體的向下位移，從而使樁基受到向下的摩擦阻力。

(6)在許多干旱地區(qū)，地下水位明顯下降時(shí)，土體的外部應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，它的有效應(yīng)力會(huì)增大，從而導(dǎo)致土體下降，樁基產(chǎn)生負(fù)摩擦阻力。

2、分界點(diǎn)及位置的確定

樁基在產(chǎn)生負(fù)摩擦阻力時(shí)，并不是整個(gè)樁基都被賦予這種摩擦力，它所產(chǎn)生的范圍與整個(gè)樁基的下沉量、樁基本身受到的外部載荷壓縮量以及樁基周?chē)馏w的粘結(jié)壓縮有關(guān)。正常狀態(tài)的情況下，整個(gè)樁基的位移量決定了它的大小，在樁基位移為零的點(diǎn)，改點(diǎn)所受到的摩擦阻力也為零，這個(gè)零點(diǎn)就是我們要找的中性點(diǎn)，我們稱之為樁基正負(fù)摩擦阻力的分界點(diǎn)。

圖2 樁基周?chē)馏w及其中性點(diǎn)位置示意圖

圖2為樁基周?chē)馏w以及正負(fù)摩擦阻力的臨界點(diǎn)示意圖，從圖中可以看出，曲線cd代表了樁基周?chē)馏w下陷量的變化，它的量與深度有著直接關(guān)系；樁基每個(gè)截面的水平位移程度用圖中ab表示；這個(gè)水平的位移量由兩部分組成，如圖中所示，Ss代表了樁基自身收縮變形所產(chǎn)生的位移量，而Sp代表了樁端處的下沉位移量；土體地表的總下陷距離用Se表示。從圖中還可以看出，曲線ab與曲線cd相交于被標(biāo)為0的點(diǎn)，這個(gè)零點(diǎn)處表示了樁基本身與周?chē)馏w都沒(méi)有產(chǎn)生位移量，所以在零點(diǎn)處的摩擦阻力為零，這個(gè)點(diǎn)就是我們要找的分界點(diǎn)。以分界點(diǎn)為參照物，在分界點(diǎn)的上方，樁基本身和樁基周?chē)馏w都會(huì)產(chǎn)生方向向下的位移，此時(shí)樁基本身的位移量要小于樁基周?chē)馏w的位移量，樁基本身的摩擦阻力相對(duì)于樁基周?chē)馏w來(lái)說(shuō)是向上的，所以該區(qū)域?yàn)樨?fù)摩擦阻力區(qū)域。在這個(gè)范圍中，樁基頂部受到的負(fù)載壓力與側(cè)面摩擦阻力方向都向下，這樣就會(huì)導(dǎo)致樁基本身的軸向壓應(yīng)力急劇增大，直到在零點(diǎn)處到達(dá)最大值。在分界點(diǎn)的下方，樁基本身和樁基周?chē)馏w也都會(huì)產(chǎn)生方向向下的位移，但此時(shí)樁基本身位移量要大于樁基周?chē)馏w的位移量，此時(shí)樁基所受到的就是正摩擦阻力，軸向壓應(yīng)力會(huì)逐漸變小，因?yàn)闃痘鶄?cè)面受到正摩擦阻力的原因。

在平時(shí)的建筑施工中，如果可以到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行樁基分界點(diǎn)的測(cè)試，那么流程相當(dāng)簡(jiǎn)單，而且測(cè)量的結(jié)果的可信度也較高。我們可以利用樁基本身與樁基周邊土體下沉位移量相等的原則來(lái)確定出分界點(diǎn)的位置所在，此外我們也可以通過(guò)軸向應(yīng)力來(lái)確定分界點(diǎn)，因?yàn)闃痘旧淼妮S向應(yīng)力是存在最大點(diǎn)的。

但是很多時(shí)候，技術(shù)人員因?yàn)榉N種原因并不能到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行樁基和土體的測(cè)量，這個(gè)時(shí)候我們就會(huì)用到如下方法來(lái)近似測(cè)量分界點(diǎn)的位置。

根據(jù)樁基的類(lèi)型以及樁基端部承載力的特點(diǎn)可以確定：

端部樁基(持力層為砂土質(zhì)地)：

式中，ln為分界點(diǎn)的深度， l表示樁基周?chē)馏w的厚度。

隨著建筑學(xué)與數(shù)學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，日本學(xué)者總結(jié)出標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法：

式中，Kv為樁基周?chē)馏w的彈簧系數(shù)，單指垂直方向； S0代表了地基的下沉位移量； τ代表了樁基單位面積上的側(cè)摩擦阻力；U代表了樁基的周邊長(zhǎng)度；ln代表了樁基側(cè)面的壓應(yīng)力的下限；P為樁基頂端受到的負(fù)載壓力。該公式的最大優(yōu)點(diǎn)在于將樁基受到的負(fù)載、樁基周長(zhǎng)、側(cè)摩擦阻力、沉降位移距離等因素綜合考慮在內(nèi)，雖然在取值范圍上仍然有不足，但是在無(wú)法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的情況下，該公式的準(zhǔn)確度已經(jīng)非?？陀^。

結(jié)語(yǔ)：

在建筑施工中，樁基的負(fù)摩擦阻力是影響工程安全的重要因素，本文對(duì)其產(chǎn)生的機(jī)制以及影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并提出一種可信度極高的公式來(lái)計(jì)算分界點(diǎn)的位置，以應(yīng)對(duì)無(wú)法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的突發(fā)狀況。