汪晓霞

众所周知,桥梁通常兴建在地形复杂、自然环境恶劣的地区,这就要求桥梁基础必须稳固可靠,桩基础具备承载力高、性能安全可靠等优点,在桥梁工程中得到了广泛的应用。一般桩侧表面与土体之间存在着摩擦阻力,摩擦阻力的方向则取决于桩与周围地基土之间的相对位移。在桥梁桩基设计中,负摩阻力的影响是一项极其重要的因素,尤其是在软土地区。本文围绕桥梁桩基负摩阻力的产生机理、计算方法及防治措施等开展研究,提出了若干建议,供设计参考。

1 负摩阻力的产生机理分析

当桩基穿越欠固结的软弱土层而支撑于比较硬的土层中,桩侧土因固结产生的沉降量大于桩的沉降量时,桩身就会产生负摩阻力。即使是在正常固结黏土或粉土地基中,若长期抽取地下水,致使大面积地下水位下降,则上覆土自重增大,土中的有效应力增加,将会出现大范围土体下沉,也会导致桩身出现负摩阻力。总的来说,判别桩基是否产生负摩阻力的重要条件是桩周土和桩之间是否发生相对变形。

2 计算方法

2.1 计算思路

桥梁桩基设计中,欲确定桩身负摩阻力的大小,首先要确定产生负摩阻力的深度及负摩阻力强度的大小。需要说明的是,桩身负摩阻力并不一定发生于整个软弱土层中。根据前文所述的负摩阻力的判定方法,负摩阻力的范围就是桩侧土层产生相对下沉的范围,受桩侧土层的压缩性、桩身弹性压缩变形和桩趾下沉量的影响。负摩阻力的强度则与基桩沉降及桩侧土压缩沉降、沉降速率、稳定历时等因素有关,且它随时间的变化和分布也比较复杂。为确定负摩阻力强度大小,应研究产生负摩阻力时桩—土相互作用的特点、沿桩身土体的抗剪强度特征及桩侧的应力状态。一般说来,桩侧土与桩的粘着力和桩表面负摩阻力的大小取决于土的抗剪强度。桩的负摩阻力虽有时效,但出于安全考虑,设计中可取其最大值。

2.2 中性点的位置

正负摩擦阻力分界的位置称为中性点,其确定方法如下:1)对于摩擦桩和不完全支撑桩,中性点深度按下式估算:

其中,L为桩长,m,对于支撑桩为至压密层顶部的深度。

2)对于桩尖打入砂土和砂砾层中的支撑桩,中性点深度按下式估算:

3)对于桩尖打入基岩或硬质卵石层中的支撑桩,中性点深度按下式估算:

中性点的深度与桩周土体的压缩性、变形条件、桩与持力层的刚度等因素有关。在桩、土沉降稳定之前,中性点的位置是不固定的。当地面有堆载时,中性点的深度取决于堆载的大小,堆载越大,中性点位置越深。

2.3 负摩阻力强度的计算

工程实践中,主要采用如下三种方法来计算负摩擦力:

1)对于黏性土,根据室内无侧限抗压强度估算:

其中,fn为桩侧单位面积的负摩擦力,kPa;qu为土体无侧限抗压强度,kPa。

2)对于砂土,根据标准贯入试验估算:

3)根据土体的竖向有效应力计算负摩阻力:

其中,σv′为竖向有效应力,kPa;K0为静止土压力系数;β为有效内摩擦角,(°)。K0tanφ′为与土质、桩型、成桩工艺有关的系数,由试验或实测确定;对于淤流、淤泥质土、黏土,可取 K0tanφ′=0.15～0.25,对于粉质黏土、粉土,可取 K0tanφ′=0.25～0.40,对于砂土,可取 K0tanφ′=0.35～0.50,对于自重湿陷性黄土,可取K0tanφ′=0.20～0.35。

作用于桩身上的总负摩阻力按下式计算:

其中,fni为第i层土体的负摩擦力,kPa;hi为第i层土体的厚度,m;Up为桩长,m。

计算出负摩阻力后,按下式验算单桩承载力:

其中,Q为作用于桩顶面的外荷载,kN;Qns为总负摩阻力产生的下拉荷载,kN;R为单桩轴向承载力设计值,kN;a为安全系数,一般取 a=1.4。

表1 负摩擦力值

此外,波兰的桩基规范提供的负摩擦力值如表1所示,计算时可供参考。

2.4 负摩阻力计算中存在的问题

在应用有效应力法计算桩基负摩阻力中,由于工程中不易测定孔隙水压力,通常取零值,所以这种方法所计算出的是极限摩阻力,并且,单位负摩阻力随桩深增大而增大,负摩阻力的最大值出现在中性点处,而依据中性点的定义此处负摩阻力应为零。而实际上,由负摩阻力的最大值减小到中性点处负摩阻力为零要经过相当长的一段桩长。因此,采用此法计算负摩阻力时结果不够准确。桩侧负摩阻力的发挥及大小与桩土的剪切位移是密切相关的,因此桩侧负摩阻力并不是都同时达到极限,而目前在负摩阻力计算中,基本上都是采用理想弹塑性变形模型,即认为桩侧负摩阻力发挥到极限值后保持恒定,而实际情况并非如此。尤其是近年来桥梁工程中出现了各种大直径超长桩以及新型桩,对桩侧负摩阻力的确定提出了新的挑战。

3 消减负摩阻力的措施

1)桥梁建设场地内若存在较厚的回填土,回填土的固结将对桩产生负摩擦力,应对回填土进行压密,达到规范规定的压实度。

2)桥梁桩基影响范围内若存在欠固结的软弱压缩土层时,采用换土或打砂桩等方法进行地基处理,避免地面堆载引起压缩土层下沉量大于桩身的下沉量而产生负摩擦力。

3)对大面积地面堆载的场地,应增设保护桩,减少桩周土重固结产生的负摩阻力。

4)对有大量地表水向下渗流和场地地下水大量抽降,应设置良好的排水设施以及采取有效措施处理抽水后形成的土层下沉。

5)计算出桩的中性点后,在中性点上段涂刷强度高、耐久性好的防护涂料,以减小桩的负摩阻力。

6)通过计算得到桩的负摩阻力值,利用正、负摩阻力的极限平衡条件,采取适当的措施,如加长桩尖进入持力层的厚度或增大正摩擦力等,以抵消桩的负摩擦力。

[1] 刘金励.桩基础设计与计算[M].北京:中国建筑工业出版社,1990.

[2] 华南理工大学,东南大学,浙江大学,等.地基基础[M].第3版.北京:中国建筑工业出版社,1998.

[3] 王 彪,王 佳.浅谈桩的负摩阻力[J].山西建筑,2007,33(33):114-116.

[4] 刘 鹏,肖 明.浅述桩的负摩阻力计算[A].江苏省交通规划设计院学术论文交流会论文集[C].2001:149-152.