負(fù)摩阻力對橋梁樁基受力影響分析

徐數(shù)

（山東省公路設(shè)計咨詢有限公司，山東濟(jì)南250000）

0 引言

在軟高壓縮的土質(zhì)上建造橋梁樁基礎(chǔ)時，當(dāng)原樁在通過該較軟高壓縮土質(zhì)時，因土表面上有很大的豎向負(fù)荷影響，并由于地下水位的降低或因土質(zhì)為欠固結(jié)狀態(tài)，而導(dǎo)致原樁側(cè)較軟土質(zhì)受壓并下降，當(dāng)樁側(cè)土的下降量超過原樁所承受負(fù)荷以后的總下降量（包含樁身下壓及樁底下降）時，則樁側(cè)土將相應(yīng)于原樁身發(fā)生向下位移，這時的下降樁側(cè)土對樁自身所產(chǎn)生的向下效應(yīng)的摩阻礙，也稱為負(fù)摩阻礙。本文分析了橋梁當(dāng)中樁基所產(chǎn)生負(fù)摩阻力的相關(guān)原因，并且通過具體的論述說明了應(yīng)當(dāng)如何有效確定樁基的中性點，探究了具體的方法，并分析了在不同地點狀況各異的情況下，應(yīng)當(dāng)如何基于地區(qū)實際情況開展橋梁的樁基設(shè)計，并且考慮負(fù)摩阻力對于整個橋梁樁長的相關(guān)影響，最終，提出了針對橋梁建設(shè)當(dāng)中如何減小負(fù)摩阻力的相關(guān)應(yīng)對策略，并提出了應(yīng)當(dāng)如何根據(jù)樁基特點來分析負(fù)摩阻力的確定，最終通過具體的公式進(jìn)行負(fù)摩阻力的計算，以期多種方式來有效減少負(fù)摩阻力。

1 負(fù)摩阻力概述

1.1 樁的受力性質(zhì)與工作原理

一般情形下，樁的受力與工作原理為：當(dāng)樁在豎直放置的軸向荷載與自身重力相互作用下，此樁面、土間就有了相對位移，土對樁側(cè)面就形成了摩電阻，而在樁下面由于下部土(巖)層的反作用力，就形成了對樁端的摩擦力。樁同樣借助上述外力的反作用力把負(fù)荷傳到混凝土體[1]。

通常，當(dāng)樁兩側(cè)出現(xiàn)負(fù)摩阻力時，負(fù)摩阻力并不必然出現(xiàn)在整體柔弱地層深度范圍內(nèi)，它還和樁土中的擠壓膠結(jié)力、樁自身的壓力、較軟地層的厚薄、樁底支持力層的剛性以及樁的設(shè)量方式、樁長度和樁的縱向斷面形式等要素相關(guān)。當(dāng)樁身達(dá)到規(guī)定水深后，樁側(cè)土壤和樁身之間就不再出現(xiàn)相對位移，這時的負(fù)摩阻力仍為零。而在這個情況之上，樁身所受到的仍為負(fù)摩阻力；在這個情況之下，樁的下降量仍等于樁側(cè)較軟土的下降量，樁身仍為上升效應(yīng)的正摩阻力，正負(fù)摩阻力轉(zhuǎn)換處的相對位移仍為中性點。中性點電壓位移的確定，與作用荷載大小和樁周土的特性直接相關(guān)。當(dāng)樁側(cè)土壓變化較大時，樁底土強度變化較大，樁位位移時，中性點電壓的位置也就較低；而如果樁底土強度變化較差，樁的位移變化也較大，那么中性點電壓的位置也就上移。由此可知，中性點電壓的位移即產(chǎn)生負(fù)摩阻力的深度，隨條件的差異而變化。

1.2 負(fù)摩阻礙的形成

當(dāng)樁周土壤由于某種原因而產(chǎn)生了沉降，并且下沉速度超過樁的自然沉降時，則周圍土壤產(chǎn)生作用力，而對樁表面向下方向的摩擦阻力叫負(fù)摩阻礙。負(fù)摩阻力的形成主要是由周圍土壤向樁基方向移動位置而形成的。這時，其樁側(cè)的正摩阻力與樁端摩擦力之和，相當(dāng)于樁頂軸向負(fù)荷+自身重量+樁側(cè)的負(fù)摩阻力。

1.3 在橋梁樁基周圍形成負(fù)摩阻力時，應(yīng)注意的幾個情形

其一，位于樁周的欠膠結(jié)軟黏土或新回填土在墻體的自重影響下形成膠結(jié)。其二，大面積的堆載或預(yù)壓，使樁周土壤壓密。其三，在正常膠結(jié)或輕度超膠結(jié)的軟黏土地區(qū)，由于地下水位全部減少（如抽取地下水），導(dǎo)致土壤有效內(nèi)部應(yīng)力增強，從而產(chǎn)生大規(guī)模下沉。其四，石砂土、亞黏土等區(qū)域震害后完全液化。其五，在自重的濕陷性區(qū)域黃土巖石在淹水后產(chǎn)生大量濕陷。其六，在凍土分布的融化區(qū)域。

在這幾種情形下，由于地基的自重以及在地基上的內(nèi)部負(fù)荷將通過負(fù)摩阻力同時傳導(dǎo)給樁，因此負(fù)摩阻力非但沒有變成樁內(nèi)部承重的主要組成部分，相反成為施加于樁上的主要外部荷載，對于與入地深度相同的樁而言，如果有負(fù)摩阻力同時出現(xiàn)，則樁的外部負(fù)荷將增加，樁的內(nèi)部承重也相應(yīng)減小，樁的沉降量增大，這在確定樁的內(nèi)部承載力以及樁基工程設(shè)計中都應(yīng)當(dāng)重視[2]。

2 樁基設(shè)計中應(yīng)注意的問題

從20世紀(jì)20年代開始，國內(nèi)研究者就對建筑樁基的負(fù)摩阻力進(jìn)行了大規(guī)模的工作，但國內(nèi)對負(fù)摩阻力的深入研究由于開始稍晚，所以目前對負(fù)摩阻力的工作尚未展開完全，還面臨著許多需要克服的技術(shù)問題。在理論工作方面，較為典型的方法是用有效材料應(yīng)力推算負(fù)摩阻力方式，其測算結(jié)果通常偏大；后來，部分研究者又指出了采用鏡像法測算樁的負(fù)摩阻力大小，不過由于該辦法只能適用于端承樁，有一些局限。在原位測試技術(shù)方面，主要采用了現(xiàn)場測試方法，對其中橋梁的具體樁基開展了樁身應(yīng)力、位移變化以及樁周分層下降的試驗，經(jīng)過實際數(shù)值和設(shè)計預(yù)期值的對比，能夠測出比較精確的中性點具體位置以及樁側(cè)負(fù)摩阻參數(shù)，但限于其中的高架橋墩柱，實際推廣比較難。影響負(fù)摩阻力的各種因素有許多，精細(xì)地確定負(fù)摩阻力有很大的困難，所以不少研究者都從有效應(yīng)力法入手提供了經(jīng)驗公式，從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，盡管經(jīng)驗公式略顯保守，但是卻簡化了工程運算，也更加符合目前的工程運算要求。

2.1 土位場地

橋梁下在較厚軟土質(zhì)方面應(yīng)尤其關(guān)注江河沖積平原軟泥地區(qū)、圩區(qū)、老的溝塘和舊水道；較軟土質(zhì)上的堆載應(yīng)尤其關(guān)注互通道內(nèi)橋梁下的填筑物路基處、棄地場和市政路面的吹砂處填筑物場地；尤其重視采礦地區(qū)、特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)域中的地下水沉降區(qū)域；對地震液化區(qū)域，尤其重視飽和砂土區(qū)、飽和亞砂土區(qū)域；對黃土濕陷、凍土分布融化等區(qū)域，亦應(yīng)格外重視[3]。

2.2 樁徑選擇

在不增加樁徑的情況下，可以獲得良好的效果。根據(jù)實際情況，分析橋臺結(jié)構(gòu)特點及實際地質(zhì)環(huán)境和巖性條件。如果覆蓋層下有承載力較大的巖石，在不增加樁長的情況下，可選擇樁徑較小的嵌巖樁或端承樁。

2.3 對數(shù)據(jù)結(jié)論的證明

計算結(jié)果得到的負(fù)摩阻力計算結(jié)果一定值，不應(yīng)當(dāng)超過原正摩阻力計算結(jié)果值；由于負(fù)摩阻下牽引力都是由混凝土體自身重量產(chǎn)生的，所以可以計算結(jié)果得到單樁負(fù)摩阻下牽引力。不應(yīng)超過群樁周所承受的沉降土的品質(zhì)：如果群樁負(fù)摩阻按單樁逐樁計量，則同時計算結(jié)果得到的承臺與下單樁負(fù)摩阻下牽引力之和，不應(yīng)超過群樁周所承受的沉降土的品質(zhì)。

3 計算實例

3.1 基本概況

寬8.5m 的匝道橋采用25m 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。橋墩設(shè)2 個1.3m 樁基，樁頂豎向荷載4000kN。軟土高度約15m，抗震時砂土不液化。

3.2 中性點電壓的確定

首先假定中性點電壓位置，并估算了其所產(chǎn)生的負(fù)摩阻力，而后再把其加入樁上負(fù)荷中，計算樁的彈性壓力變化，并以分層總和法依次計算樁周土壤和樁底下土壤的壓力變化，繪制樁邊土壤的沉降曲線和樁身的位移曲線，兩個曲線的交集處即是估算中性點電壓位置，并與所假設(shè)的情況加以對比，通過大規(guī)模的實驗運算，對各種樁底持力地層進(jìn)行了測定中性點位移系數(shù)。

依據(jù)資料，本計算比例取0.8∶1=0.8×15=12.0m。

3.3 負(fù)摩阻力計算結(jié)果值

負(fù)摩擦力根據(jù)各層平均值的垂直有效應(yīng)力公式和經(jīng)驗負(fù)摩擦系數(shù)計算，β 為負(fù)摩擦系數(shù)，如表1所示；σ 為垂直內(nèi)應(yīng)力；X 為土壤的浮動容重；P 為均勻分布的預(yù)荷載地面上的分?jǐn)傊?；Z 為軟土層的中點深度。在本例中，沒有增加的地面荷載，因此P=0；根據(jù)基礎(chǔ)資料，負(fù)摩擦系數(shù)為0.15，土壤浮力比重為10kN/m3，Z=15×0.5=7.5m 負(fù)摩阻取值范圍為：c=0.15×10×.5=11.25kPa。

表1 負(fù)摩阻力系數(shù)表

3.4 按單樁負(fù)摩阻下拉力計算的結(jié)果

當(dāng)N=551.07kN 時，樁頂力為N=4000+551.07=4551.07kN 時，從上述計算結(jié)果中可得知，當(dāng)考察負(fù)摩阻下的拉伸時樁長約有為45m，而不考察時樁約有為35m，所以負(fù)摩阻下的拉伸對樁長計算結(jié)果負(fù)面影響很大，在設(shè)計時應(yīng)引起充分注意。

4 結(jié)語

負(fù)摩阻力的確定是一項比較復(fù)雜的實際問題，因此文中所給出的負(fù)摩阻力的計算方法僅供參考。另據(jù)相關(guān)文章介紹，除了可以在樁基工程設(shè)計中考慮樁側(cè)較軟土壤對樁體影響的負(fù)摩阻力之外，還可以通過某些預(yù)防措施來降低負(fù)摩阻力。如對樁身一側(cè)涂抹加工過的瀝青、涂料等，就能改善與樁土接觸表面摩阻特性，從而降低負(fù)摩阻值；或者在樁的外側(cè)采用金屬套管，在樁和套管之間涂以潤滑劑，這樣一來，套筒就具有了不讓側(cè)面土壤的負(fù)摩阻傳到樁上的功能。