文/張徽斌 湖南省第二工程有限公司 湖南長沙 410015

1、導(dǎo)致負(fù)摩阻力的形成機(jī)理及其因素

樁端的支撐力與周圍土體的側(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)于樁基周圍的土體環(huán)境來說，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的正摩擦阻力。然而，在建筑工程施工過程中，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)周圍土體向上位移，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圍，這種新填土與之前存在的粘土沒有形成很好的粘結(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)樁基周圍的土體混合不均勻所導(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)使樁基周圍的土體產(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)樁基周圍的土體土質(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)，由于土體遭受嚴(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圍土體的粘結(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 樁基周圍土體及其中性點(diǎn)位置示意圖

圖2為樁基周圍土體以及正負(fù)摩擦阻力的臨界點(diǎn)示意圖，從圖中可以看出，曲線cd代表了樁基周圍土體下陷量的變化，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圍土體都沒有產(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，樁基本身和樁基周圍土體都會(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圍土體的位移量，樁基本身的摩擦阻力相對(duì)于樁基周圍土體來說是向上的，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，樁基本身和樁基周圍土體也都會(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圍土體的位移量，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)場進(jìn)行樁基分界點(diǎn)的測試，那么流程相當(dāng)簡單，而且測量的結(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確定出分界點(diǎn)的位置所在，此外我們也可以通過軸向應(yīng)力來確定分界點(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)場進(jìn)行樁基和土體的測量，這個(gè)時(shí)候我們就會(huì)用到如下方法來近似測量分界點(diǎn)的位置。

根據(jù)樁基的類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表示樁基周圍土體的厚度。

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為樁基周圍土體的彈簧系數(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、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，但是在無法到達(dá)現(xiàn)場測量的情況下，該公式的準(zhǔn)確度已經(jīng)非?？陀^。

結(jié)語：

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)行了簡要分析，并提出一種可信度極高的公式來計(jì)算分界點(diǎn)的位置，以應(yīng)對(duì)無法到達(dá)現(xiàn)場測量的突發(fā)狀況。