橋臺(tái)樁基負(fù)摩擦力的形成分析與消減措施
發(fā)布時(shí)間：2010-01-14 共2頁(yè)
在公路橋梁工程建設(shè)中，橋臺(tái)鉆孔灌注樁處于深層軟土地基與臺(tái)背路堤高填土荷載的作用，結(jié)果樁側(cè)軟弱土層受到橋臺(tái)臺(tái)背填土荷載的作用，使軟弱土層壓縮和樁底下沉及位移，樁產(chǎn)生向下的摩擦力。也就是說(shuō)，如果不存在樁基負(fù)摩擦阻力，樁基承載力就滿(mǎn)足要求，樁基就不會(huì)發(fā)生持續(xù)不均勻沉降。
因此，研究橋臺(tái)樁基負(fù)摩擦阻力是否存在，采取什么措施達(dá)到消減橋臺(tái)樁基負(fù)摩力就成為很有必要。
1 樁基負(fù)摩擦力發(fā)生的條件樁基負(fù)摩擦力能否產(chǎn)生，關(guān)鍵取決于樁和樁側(cè)土的相對(duì)位移發(fā)展情況。因此樁基負(fù)摩擦力發(fā)生的條件有下述幾個(gè)方面：
1） 樁基穿過(guò)欠固結(jié)的軟土或新填土， 而支承于較堅(jiān)實(shí)的上層土?xí)r， 由于土的自重作用， 使土產(chǎn)生固結(jié)。
2） 在樁周的地表面有大面積堆載時(shí)，引起地面沉降，使樁側(cè)土壓密固結(jié)，對(duì)樁產(chǎn)生負(fù)摩擦力。
3） 由于地下水位降低，例如在土層中抽取地下水，或采用排水固結(jié)法處治軟土，此時(shí)土層孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，引發(fā)地基土新的固結(jié)下沉。
4） 自重濕陷性黃土下沉和凍土融化下沉。
5） 在飽和粘土地基中，群樁施工完成后，孔隙水壓力消散，隆起的土體逐漸固結(jié)下沉，若樁端持力層較硬，則會(huì)引起負(fù)摩擦力。
6） 地基中液化土層發(fā)生變化時(shí)，引起地基土層大面積下沉，產(chǎn)生樁基負(fù)摩擦力。
由此可見(jiàn)，對(duì)于橋臺(tái)樁基工程，當(dāng)樁穿過(guò)可壓縮性土層而支承在堅(jiān)硬的持力層上時(shí)，一般都有可能發(fā)生負(fù)摩擦力。
2 橋臺(tái)軟土地基樁基負(fù)摩擦力的大小和深度
2. 1 樁基負(fù)摩擦力的發(fā)生深度一般說(shuō)來(lái)，負(fù)摩擦力并不發(fā)生于整個(gè)軟弱土層中。當(dāng)水泥混凝土樁基成樁后，隨著橋臺(tái)地面以上路堤填筑荷載的不斷增大，樁側(cè)軟弱土層逐漸壓縮，樁身表面從上而下的正摩擦力慢慢減少，隨即產(chǎn)生負(fù)摩擦力，變成樁基上部為負(fù)摩擦力，樁基下部為正摩擦力。摩擦力為零的位置為中性點(diǎn)，此點(diǎn)為樁基在該處的位移量與其周?chē)恋南鲁亮肯嗟戎c(diǎn)，它是土與樁之間不產(chǎn)生相對(duì)位移之點(diǎn)，如圖1 的O1 點(diǎn)所示。圖1 （b） A 是土層軸向位移曲線，B 為樁的截面位移曲線，圖1 （c） 為樁周摩擦力分布曲線，圖1（d） 為樁身軸向分布曲線。中性點(diǎn)以上土的下沉量大于樁的下沉量，樁承受負(fù)摩擦力；中性點(diǎn)以下樁的下沉量大于土的下沉量，樁承受正摩擦力作用。從圖1 所知，在中性點(diǎn)處，樁身軸向力達(dá)到最大值（ P + qfn ） ，而在樁端總阻力為qp = P + （ qfn - qfs ） .根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)樁基產(chǎn)生負(fù)摩擦力的深度h1 為：h1 = （0. 77～0. 8） h2 （1）
單樁在產(chǎn)生負(fù)摩擦力時(shí)的荷載傳遞式中h1 為負(fù)摩擦力發(fā)生深度； h2 為軟弱土層厚度。
通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)樁周為一般粘性土?xí)r，中性點(diǎn)至樁頂?shù)木嚯x約為樁長(zhǎng)的70 %～75 %；樁尖打入砂土或砂礫層中， 中性點(diǎn)至樁頂?shù)木嚯x約為90 %；支承在巖層上的樁，中性點(diǎn)則接近巖層面。
2. 2 樁基負(fù)摩擦力的大小確定樁基負(fù)摩擦力的方法較多，可歸納為三類(lèi)：根據(jù)室內(nèi)外土工試驗(yàn)資料的計(jì)算方法，按理論公式的計(jì)算方法，經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值等確定的方法。
2. 2. 1 經(jīng)驗(yàn)估算樁基負(fù)摩擦力1） 有關(guān)文獻(xiàn)介紹，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)軟弱土層樁基最大負(fù)摩擦力為：qs = 0. 5 qu （2）
式中qs 為樁基負(fù)摩擦力強(qiáng)度， kPa ； qu 為軟弱土層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
2） 美國(guó)嘉蘭格（Garlanger） 等人的公式；qs =βσ′v （3）
式中β為負(fù)摩擦力系數(shù)，粘土為0120～0125 ，粉土為0125～0135 ，砂土為0135～015 ；σ′v 為地基中的有效垂直應(yīng)力。
3） 對(duì)于粘性土，用靜力觸探求得探頭比貫入阻力Ps 時(shí)，可按下式估算：qs = 0. 1 Ps （4）
4） 對(duì)于沙土，用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)求出擊數(shù)N 時(shí)，按下式估算：qs = 2N + 30 （5）
按式（3） 至式（5） 計(jì)算得到的qs 值都是指基樁與樁側(cè)土產(chǎn)生足夠相對(duì)位移，樁基負(fù)摩擦力可以得到充分發(fā)揮的最大值，均以kPa 為單位。
2. 2. 2 波蘭樁基規(guī)范負(fù)摩擦力數(shù)值波蘭PN 83PB 2382 的樁基規(guī)范提供的樁基負(fù)摩擦力值，如表1 所示。
表1 樁基負(fù)摩擦力值土的種類(lèi)負(fù)摩擦力（kPa） 備 注新填土和砂（Dr ≤0. 2）
粉質(zhì)砂（Dr ≤0. 2）
砂質(zhì)粉土（ Ic ≥0. 75）
粘土質(zhì)砂，砂質(zhì)粘土（ Ic ≥0. 75）
泥炭，淤泥5～10 10 5～10 Dr 為土的相對(duì)密度Ic 為土的液性性指數(shù)2. 2. 3 下拉荷載的計(jì)算對(duì)于單樁基礎(chǔ)，中性點(diǎn)以上負(fù)摩擦力的累計(jì)值為下拉荷載，實(shí)際上就是作用在樁上的外力。下拉荷載的計(jì)算是以負(fù)摩擦力和中性點(diǎn)位置均達(dá)到理論最大值基礎(chǔ)上的假定，其計(jì)算公式為：qs = qfn ×L ×h1 （6）
式中qfn為樁基負(fù)摩擦力最大值， kPa ； L 為基樁周長(zhǎng)，m； h1 為地面至中性點(diǎn)距離，m.按式（5） 和（6） 計(jì)算的下拉荷載不應(yīng)大于單樁所分配承受的樁周下沉土重。計(jì)算時(shí)，可按相鄰樁距之半計(jì)算，其深度中性點(diǎn)深度。
在同一土體中，打入樁或沉管灌注樁（即擠土樁） ，其樁基負(fù)摩擦力大于鉆（沖） 、挖孔灌注樁（即非擠土樁） .對(duì)于摩擦樁，可近似視中性點(diǎn)以上樁側(cè)阻力為零計(jì)算樁基承載力。對(duì)于端承樁，計(jì)算中性點(diǎn)以上負(fù)摩擦力形成的荷載，并以下拉荷載作為外荷載的一部分驗(yàn)算樁基承載力。
在粘土地基中要考慮群樁作用的影響，樁數(shù)越多，樁距越小，則群樁效應(yīng)越強(qiáng)。當(dāng)樁距與樁徑比值小于215 時(shí)，樁基負(fù)摩擦力會(huì)顯著降低。對(duì)于砂土地基不考慮群樁效應(yīng)問(wèn)題。
因此，研究橋臺(tái)樁基負(fù)摩擦阻力是否存在，采取什么措施達(dá)到消減橋臺(tái)樁基負(fù)摩力就成為很有必要。
1 樁基負(fù)摩擦力發(fā)生的條件樁基負(fù)摩擦力能否產(chǎn)生，關(guān)鍵取決于樁和樁側(cè)土的相對(duì)位移發(fā)展情況。因此樁基負(fù)摩擦力發(fā)生的條件有下述幾個(gè)方面：
1） 樁基穿過(guò)欠固結(jié)的軟土或新填土， 而支承于較堅(jiān)實(shí)的上層土?xí)r， 由于土的自重作用， 使土產(chǎn)生固結(jié)。
2） 在樁周的地表面有大面積堆載時(shí)，引起地面沉降，使樁側(cè)土壓密固結(jié)，對(duì)樁產(chǎn)生負(fù)摩擦力。
3） 由于地下水位降低，例如在土層中抽取地下水，或采用排水固結(jié)法處治軟土，此時(shí)土層孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，引發(fā)地基土新的固結(jié)下沉。
4） 自重濕陷性黃土下沉和凍土融化下沉。
5） 在飽和粘土地基中，群樁施工完成后，孔隙水壓力消散，隆起的土體逐漸固結(jié)下沉，若樁端持力層較硬，則會(huì)引起負(fù)摩擦力。
6） 地基中液化土層發(fā)生變化時(shí)，引起地基土層大面積下沉，產(chǎn)生樁基負(fù)摩擦力。
由此可見(jiàn)，對(duì)于橋臺(tái)樁基工程，當(dāng)樁穿過(guò)可壓縮性土層而支承在堅(jiān)硬的持力層上時(shí)，一般都有可能發(fā)生負(fù)摩擦力。
2 橋臺(tái)軟土地基樁基負(fù)摩擦力的大小和深度
2. 1 樁基負(fù)摩擦力的發(fā)生深度一般說(shuō)來(lái)，負(fù)摩擦力并不發(fā)生于整個(gè)軟弱土層中。當(dāng)水泥混凝土樁基成樁后，隨著橋臺(tái)地面以上路堤填筑荷載的不斷增大，樁側(cè)軟弱土層逐漸壓縮，樁身表面從上而下的正摩擦力慢慢減少，隨即產(chǎn)生負(fù)摩擦力，變成樁基上部為負(fù)摩擦力，樁基下部為正摩擦力。摩擦力為零的位置為中性點(diǎn)，此點(diǎn)為樁基在該處的位移量與其周?chē)恋南鲁亮肯嗟戎c(diǎn)，它是土與樁之間不產(chǎn)生相對(duì)位移之點(diǎn)，如圖1 的O1 點(diǎn)所示。圖1 （b） A 是土層軸向位移曲線，B 為樁的截面位移曲線，圖1 （c） 為樁周摩擦力分布曲線，圖1（d） 為樁身軸向分布曲線。中性點(diǎn)以上土的下沉量大于樁的下沉量，樁承受負(fù)摩擦力；中性點(diǎn)以下樁的下沉量大于土的下沉量，樁承受正摩擦力作用。從圖1 所知，在中性點(diǎn)處，樁身軸向力達(dá)到最大值（ P + qfn ） ，而在樁端總阻力為qp = P + （ qfn - qfs ） .根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)樁基產(chǎn)生負(fù)摩擦力的深度h1 為：h1 = （0. 77～0. 8） h2 （1）
單樁在產(chǎn)生負(fù)摩擦力時(shí)的荷載傳遞式中h1 為負(fù)摩擦力發(fā)生深度； h2 為軟弱土層厚度。
通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)樁周為一般粘性土?xí)r，中性點(diǎn)至樁頂?shù)木嚯x約為樁長(zhǎng)的70 %～75 %；樁尖打入砂土或砂礫層中， 中性點(diǎn)至樁頂?shù)木嚯x約為90 %；支承在巖層上的樁，中性點(diǎn)則接近巖層面。
2. 2 樁基負(fù)摩擦力的大小確定樁基負(fù)摩擦力的方法較多，可歸納為三類(lèi)：根據(jù)室內(nèi)外土工試驗(yàn)資料的計(jì)算方法，按理論公式的計(jì)算方法，經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值等確定的方法。
2. 2. 1 經(jīng)驗(yàn)估算樁基負(fù)摩擦力1） 有關(guān)文獻(xiàn)介紹，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)軟弱土層樁基最大負(fù)摩擦力為：qs = 0. 5 qu （2）
式中qs 為樁基負(fù)摩擦力強(qiáng)度， kPa ； qu 為軟弱土層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
2） 美國(guó)嘉蘭格（Garlanger） 等人的公式；qs =βσ′v （3）
式中β為負(fù)摩擦力系數(shù)，粘土為0120～0125 ，粉土為0125～0135 ，砂土為0135～015 ；σ′v 為地基中的有效垂直應(yīng)力。
3） 對(duì)于粘性土，用靜力觸探求得探頭比貫入阻力Ps 時(shí)，可按下式估算：qs = 0. 1 Ps （4）
4） 對(duì)于沙土，用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)求出擊數(shù)N 時(shí)，按下式估算：qs = 2N + 30 （5）
按式（3） 至式（5） 計(jì)算得到的qs 值都是指基樁與樁側(cè)土產(chǎn)生足夠相對(duì)位移，樁基負(fù)摩擦力可以得到充分發(fā)揮的最大值，均以kPa 為單位。
2. 2. 2 波蘭樁基規(guī)范負(fù)摩擦力數(shù)值波蘭PN 83PB 2382 的樁基規(guī)范提供的樁基負(fù)摩擦力值，如表1 所示。
表1 樁基負(fù)摩擦力值土的種類(lèi)負(fù)摩擦力（kPa） 備 注新填土和砂（Dr ≤0. 2）
粉質(zhì)砂（Dr ≤0. 2）
砂質(zhì)粉土（ Ic ≥0. 75）
粘土質(zhì)砂，砂質(zhì)粘土（ Ic ≥0. 75）
泥炭，淤泥5～10 10 5～10 Dr 為土的相對(duì)密度Ic 為土的液性性指數(shù)2. 2. 3 下拉荷載的計(jì)算對(duì)于單樁基礎(chǔ)，中性點(diǎn)以上負(fù)摩擦力的累計(jì)值為下拉荷載，實(shí)際上就是作用在樁上的外力。下拉荷載的計(jì)算是以負(fù)摩擦力和中性點(diǎn)位置均達(dá)到理論最大值基礎(chǔ)上的假定，其計(jì)算公式為：qs = qfn ×L ×h1 （6）
式中qfn為樁基負(fù)摩擦力最大值， kPa ； L 為基樁周長(zhǎng)，m； h1 為地面至中性點(diǎn)距離，m.按式（5） 和（6） 計(jì)算的下拉荷載不應(yīng)大于單樁所分配承受的樁周下沉土重。計(jì)算時(shí)，可按相鄰樁距之半計(jì)算，其深度中性點(diǎn)深度。
在同一土體中，打入樁或沉管灌注樁（即擠土樁） ，其樁基負(fù)摩擦力大于鉆（沖） 、挖孔灌注樁（即非擠土樁） .對(duì)于摩擦樁，可近似視中性點(diǎn)以上樁側(cè)阻力為零計(jì)算樁基承載力。對(duì)于端承樁，計(jì)算中性點(diǎn)以上負(fù)摩擦力形成的荷載，并以下拉荷載作為外荷載的一部分驗(yàn)算樁基承載力。
在粘土地基中要考慮群樁作用的影響，樁數(shù)越多，樁距越小，則群樁效應(yīng)越強(qiáng)。當(dāng)樁距與樁徑比值小于215 時(shí)，樁基負(fù)摩擦力會(huì)顯著降低。對(duì)于砂土地基不考慮群樁效應(yīng)問(wèn)題。
