李 強(qiáng)，戴少雄，趙傳亮

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

1 概述

樁基礎(chǔ)作為一種深基礎(chǔ)，其作用是將上部結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)樁身傳遞到地基深部強(qiáng)度較高、壓縮性較小的巖(土)層上，從而提供更高的承載能力并減小基礎(chǔ)整體沉降和不均勻沉降。由于樁基礎(chǔ)具有承載力高、穩(wěn)定性好、沉降變形小及抗震性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，很早就被人類(lèi)所認(rèn)識(shí)和利用，是人類(lèi)歷史上最早使用的深基礎(chǔ)之一。但在上世紀(jì)三十年代，荷蘭沿海一些采用樁基礎(chǔ)的建筑物出現(xiàn)了因沉降原因?qū)е麻_(kāi)裂而無(wú)法使用的情況。盡管有些樁的設(shè)計(jì)承載力高出實(shí)際使用荷載的若干倍，但這種情況還是發(fā)生了。這引起了太沙基(K.Terzaghi)和佩克(R.B.Peck)等人的重視。在經(jīng)過(guò)細(xì)致分析的基礎(chǔ)上，他們第一次提出了樁基的負(fù)摩阻力和中性點(diǎn)等概念，并做了相關(guān)方面的研究。

樁側(cè)負(fù)摩阻力產(chǎn)生的下拉力作用在樁上，將可能造成樁端地基的屈服或破壞、樁身破壞、上部結(jié)構(gòu)物不均勻沉降等一系列工程問(wèn)題。它給工程結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患，很多工程事故就是因?yàn)閷?duì)負(fù)摩阻力考慮不夠周全而導(dǎo)致的。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于樁基負(fù)摩阻力的研究主要集中在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、室內(nèi)模型試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式等方面，但由于樁基負(fù)摩阻力問(wèn)題的復(fù)雜性，不同的研究人員得出的成果往往也相差很大，特別是利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算下拉荷載時(shí)的結(jié)果彼此相差就更加懸殊，有的甚至將樁基與土體隔離開(kāi)，根本未考慮樁－土間的相互作用，且大多數(shù)關(guān)于負(fù)摩阻力的研究都是針對(duì)端承樁，而軟土地區(qū)常采用的摩擦樁的樁側(cè)負(fù)摩阻力研究往往被忽略。國(guó)內(nèi)外對(duì)樁基負(fù)摩阻力的研究尚不成熟且遠(yuǎn)未達(dá)到滿(mǎn)足工程實(shí)際需要的程度。因此，研究樁基負(fù)摩阻力性狀、探討負(fù)摩阻力的理論機(jī)理和尋找降低負(fù)摩阻力對(duì)樁基影響的新樁型，具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2 負(fù)摩阻力發(fā)生的機(jī)理與特性

樁－土間的相對(duì)位移是引起樁基負(fù)摩阻力的直接原因。在軟弱可壓縮土層上修建樁基礎(chǔ)，當(dāng)樁穿過(guò)該軟弱可壓縮土層時(shí)，由于地面上有較大的豎向荷載作用，或因地下水位的下降，土層屬欠固結(jié)狀態(tài)而引起樁側(cè)軟弱土層壓縮下沉，當(dāng)樁側(cè)土的下沉量大于樁所受荷載后的沉降量(包括樁身壓縮及樁底下沉)時(shí)，則樁側(cè)土相對(duì)于樁身向下位移，這時(shí)下沉樁側(cè)土對(duì)樁身產(chǎn)生向下作用的摩阻力就稱(chēng)負(fù)摩阻力，見(jiàn)圖1。

負(fù)摩阻力的發(fā)生發(fā)展過(guò)程是樁與土體的沉降相互協(xié)調(diào)的過(guò)程。圖1（b）是一根支承于較硬土層的樁與其周?chē)馏w各個(gè)深度在某一時(shí)刻的下沉曲線(xiàn)，兩條曲線(xiàn)在土體某一深度相交，該交點(diǎn)以上土的沉降大于樁的沉降，交點(diǎn)以下土的沉降小于樁的沉降。在交點(diǎn)上，土的沉降與樁的沉降相等，這個(gè)交點(diǎn)M即為中性點(diǎn)。圖1（c）為樁的側(cè)摩阻力沿樁長(zhǎng)方向的分布曲線(xiàn)，中性點(diǎn)以上摩阻力方向向下，為負(fù)摩阻力，中性點(diǎn)以下摩阻力方向向上，為正摩阻力，中性點(diǎn)處的摩阻力為零。圖1（d）為樁身軸力曲線(xiàn)圖，樁頂處，軸力等于外荷載Q，然后由于負(fù)摩阻力的疊加，軸力隨著深度增加逐漸增大，到中性點(diǎn)M處，軸力達(dá)到最大值，中性點(diǎn)以下，由于受到正摩阻力作用，樁身荷載逐漸減小。

由上述描述可知，中性點(diǎn)有三個(gè)明顯特征：所在斷面樁－土位移相等、摩阻力為零、軸力最大。

考慮負(fù)摩阻的樁基設(shè)計(jì)和普通樁基設(shè)計(jì)的不同之處，在于需要確定樁側(cè)負(fù)摩阻引起的下拉力，為此必須確定中性點(diǎn)深度和樁側(cè)摩阻力。

圖1 負(fù)摩阻力分析原理圖

中性點(diǎn)的深度與樁周土的壓縮性和持力層的剛度等因素有關(guān)。當(dāng)樁側(cè)土層壓縮變形大，樁端以下土層堅(jiān)硬，樁的下沉量小時(shí)，中性點(diǎn)位置就會(huì)下移。此外，由于樁側(cè)土層及樁端以下土層的性質(zhì)和作用的荷載不同，其變形速度會(huì)不一樣，中性點(diǎn)位置隨著時(shí)間也會(huì)有變化。要精確地計(jì)算出中性點(diǎn)位置是非常麻煩和困難的。

3 確定樁側(cè)負(fù)摩阻力的方法

目前計(jì)算樁基負(fù)摩阻力的方法通常有以下四種：

（1）根據(jù)土的種類(lèi)（或土的強(qiáng)度）確定樁基單位負(fù)摩阻力法；

（2）根據(jù)樁的類(lèi)型確定樁基單位負(fù)摩阻力法；

（3）彈性理論分析法,即根據(jù)樁身截面位移與相鄰?fù)翆游灰葡嗟冉⒕€(xiàn)性方程組求解樁身負(fù)摩阻力分布；

（4）極限分析法，此方法是根據(jù)總應(yīng)力法或有效應(yīng)力法派生出的一系列簡(jiǎn)化算法。

其中方法（1）和（2）是純經(jīng)驗(yàn)性的，精度較差，方法（3）適用于固結(jié)性土和脹縮性土，方法（4）是目前計(jì)算樁基負(fù)摩阻力最常見(jiàn)的方法之一。

有效應(yīng)力法主要考慮孔隙水壓力消散、有效垂直應(yīng)力、有效內(nèi)摩擦角、土體的側(cè)壓力系數(shù)、塑性指數(shù)等因素對(duì)樁基負(fù)摩阻力的影響。有效應(yīng)力法著重考慮了孔隙水壓力消散引起土體沉降從而產(chǎn)生表面負(fù)摩阻力，根據(jù)Biot固結(jié)理論可以得出表面負(fù)摩阻力隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律。

我國(guó)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007）、美國(guó)相關(guān)規(guī)范和日本建筑基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)準(zhǔn)等多項(xiàng)規(guī)范中都建議采用有效應(yīng)力法來(lái)計(jì)算樁基負(fù)摩阻力值并推薦了確定中性點(diǎn)位置的經(jīng)驗(yàn)方法。日本建筑基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)準(zhǔn)采用的中性點(diǎn)估算方法比我國(guó)規(guī)范建議的估算方法相對(duì)更完善，可以考慮更多因素對(duì)中性點(diǎn)位置的影響，不過(guò)這種方法參數(shù)繁多導(dǎo)致在參數(shù)選取上存在一定誤差。

總應(yīng)力法主要考慮土的不排水抗剪強(qiáng)度、貫入擊數(shù)、側(cè)向土壓力、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、靜力觸探頭阻力等因素對(duì)樁基負(fù)摩阻力的影響，這些參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段較易得到，同時(shí)總應(yīng)力方法具有簡(jiǎn)單明了、易于估算的特點(diǎn)。特別是在沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的地區(qū)的工程建設(shè)中能得到廣泛的應(yīng)用。

陸明生[1]在研究Kerisel總應(yīng)力方法的基礎(chǔ)上，提出了修正的Kerisel法，建議估算作用于單樁的下拉荷載采用如下經(jīng)驗(yàn)公式：

端承樁

摩擦樁

總負(fù)摩阻F由fn在樁長(zhǎng)方向上積分得到：

對(duì)于均質(zhì)土層，上面的公式可以簡(jiǎn)化為：

式中：Cu和φ分別為土的不排水抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角；L為埋入土內(nèi)的樁長(zhǎng)；fn（x）為樁身表面隨深度而變化的單位負(fù)摩阻力；F為作用于樁身的總負(fù)摩阻。

從式（1）和式（2）以及圖2、圖3里不難看出，在樁端部分以及靠近地面的樁頂部分單位負(fù)摩阻力較小。這是因?yàn)闃抖烁浇馏w與樁之間的相對(duì)位移較小，而靠近地面部分，樁頂雖然與土層之間的相對(duì)位移較大，但由于樁－土相對(duì)位移過(guò)大，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，剪切力反而會(huì)降低到某一固定值，并非樁－土相對(duì)位移越大，負(fù)表面摩擦力也越大。

圖2 端承樁樁側(cè)單位負(fù)摩阻力分布示意圖

圖3 摩擦樁樁側(cè)單位負(fù)摩阻力分布示意圖

王云球[2]在實(shí)驗(yàn)室里根據(jù)幾何相似條件對(duì)摩擦樁和端承樁的負(fù)摩阻力分別進(jìn)行了模擬試驗(yàn)結(jié)果也表明：對(duì)于摩擦樁單位負(fù)摩阻力沿樁身的分布在（0.65～0.75）L處出現(xiàn)了中性點(diǎn)。摩擦樁的中性點(diǎn)位置多在0.67L處，且隨著時(shí)間的推移，中性點(diǎn)的位置基本穩(wěn)定，中性點(diǎn)位置也不隨超載的變化而變化。摩擦樁和端承樁的單位負(fù)摩阻力在地面以下約L/5左右處達(dá)到最大。端承樁沿樁長(zhǎng)范圍均承受負(fù)摩阻力，在地面下20～50 cm處單位負(fù)摩阻力達(dá)到最大，在地面以下約0.7L左右處單位負(fù)摩阻力開(kāi)始顯著減小。端承樁不存在中性點(diǎn)，或中性點(diǎn)位置將降到樁底端。該試驗(yàn)結(jié)論與上文提出的修正的Kerisel法是一致的。

4 修正的Kerisel法驗(yàn)證

分別利用修正的Kerisel法和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第5.3.2條公式（以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范公式），對(duì)孔綱強(qiáng)[4]學(xué)位論文中的試驗(yàn)樁計(jì)算樁側(cè)負(fù)摩阻力，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。該試驗(yàn)樁基本情況如下：樁徑41 mm，樁長(zhǎng)1 000 mm，其中樁身外露300 mm，黏土層中（軟弱層，經(jīng)土工試驗(yàn)得Cu=7 kPa，φ=19.1°）樁長(zhǎng) 700 mm，樁基持力層位于粉土層上（經(jīng)土工試驗(yàn)得Cu=16.1 kPa，φ=33.9°），樁基類(lèi)型為端承型。經(jīng)計(jì)算，得到表1中的結(jié)果。

表1 理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)樁側(cè)負(fù)摩阻力計(jì)算方法的分析，得出如下結(jié)論：

（1）修正的Kerisel法是基于總應(yīng)力法得到的經(jīng)驗(yàn)公式，該公式具有形式簡(jiǎn)單明了，在實(shí)際工程中參數(shù)易于得到的優(yōu)點(diǎn)。

（2）從上面的算例可以看出，利用修正的Kerisel法計(jì)算樁基負(fù)摩阻力是切實(shí)可行的，與量測(cè)到的負(fù)摩阻力相比是可以接受的。

（3）修正的Kerisel法是屬于極限分析法的一種，而極限分析法又僅適用于樁－土相對(duì)位移較小的情況，計(jì)算所得結(jié)果往往偏大，計(jì)算涉及的中性點(diǎn)位置等重要參數(shù)往往需采用經(jīng)驗(yàn)方法確定等局限性。同時(shí)利用極限分析法計(jì)算所得的樁側(cè)負(fù)摩阻力是負(fù)摩阻力的極限值，因此往往結(jié)果偏于保守。

（4）由于砂性土無(wú)法得到不排水抗剪強(qiáng)度值和內(nèi)摩擦角，所以修正的Kerisel法不適用于砂性土層。

[1]陸明生.樁基表面負(fù)摩擦力的試驗(yàn)研究及經(jīng)驗(yàn)公式[J].水運(yùn)工程,1997(5).

[2]王云球.湛江港一區(qū)南二期工程樁基負(fù)摩擦力模型試驗(yàn)報(bào)告[R].河海大學(xué),1996.

[3]JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2007

[4]孔綱強(qiáng).群樁負(fù)摩阻力特性研究[D].大連:大連理工大學(xué),2009.