橋臺樁基負摩擦力的形成分析與消減措施
發(fā)布時間：2010-01-14 共2頁
在公路橋梁工程建設中，橋臺鉆孔灌注樁處于深層軟土地基與臺背路堤高填土荷載的作用，結(jié)果樁側(cè)軟弱土層受到橋臺臺背填土荷載的作用，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，如果不存在樁基負摩擦阻力，樁基承載力就滿足要求，樁基就不會發(fā)生持續(xù)不均勻沉降。
因此，研究橋臺樁基負摩擦阻力是否存在，采取什么措施達到消減橋臺樁基負摩力就成為很有必要。
1 樁基負摩擦力發(fā)生的條件樁基負摩擦力能否產(chǎn)生，關鍵取決于樁和樁側(cè)土的相對位移發(fā)展情況。因此樁基負摩擦力發(fā)生的條件有下述幾個方面：
1） 樁基穿過欠固結(jié)的軟土或新填土， 而支承于較堅實的上層土時， 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，引起地面沉降，使樁側(cè)土壓密固結(jié)，對樁產(chǎn)生負摩擦力。
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，此時土層孔隙水壓力減小，有效應力增加，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，則會引起負摩擦力。
6） 地基中液化土層發(fā)生變化時，引起地基土層大面積下沉，產(chǎn)生樁基負摩擦力。
由此可見，對于橋臺樁基工程，當樁穿過可壓縮性土層而支承在堅硬的持力層上時，一般都有可能發(fā)生負摩擦力。
2 橋臺軟土地基樁基負摩擦力的大小和深度
2. 1 樁基負摩擦力的發(fā)生深度一般說來，負摩擦力并不發(fā)生于整個軟弱土層中。當水泥混凝土樁基成樁后，隨著橋臺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)生負摩擦力，變成樁基上部為負摩擦力，樁基下部為正摩擦力。摩擦力為零的位置為中性點，此點為樁基在該處的位移量與其周圍土的下沉量相等之點，它是土與樁之間不產(chǎn)生相對位移之點，如圖1 的O1 點所示。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。中性點以上土的下沉量大于樁的下沉量，樁承受負摩擦力；中性點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，在中性點處，樁身軸向力達到最大值（ P + qfn ） ，而在樁端總阻力為qp = P + （ qfn - qfs ） .根據(jù)有關文獻介紹，經(jīng)驗估計樁基產(chǎn)生負摩擦力的深度h1 為：h1 = （0. 77～0. 8） h2 （1）
單樁在產(chǎn)生負摩擦力時的荷載傳遞式中h1 為負摩擦力發(fā)生深度； h2 為軟弱土層厚度。
通過實測結(jié)果表明，當樁周為一般粘性土時，中性點至樁頂?shù)木嚯x約為樁長的70 %～75 %；樁尖打入砂土或砂礫層中， 中性點至樁頂?shù)木嚯x約為90 %；支承在巖層上的樁，中性點則接近巖層面。
2. 2 樁基負摩擦力的大小確定樁基負摩擦力的方法較多，可歸納為三類：根據(jù)室內(nèi)外土工試驗資料的計算方法，按理論公式的計算方法，經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)值等確定的方法。
2. 2. 1 經(jīng)驗估算樁基負摩擦力1） 有關文獻介紹，經(jīng)驗估計軟弱土層樁基最大負摩擦力為：qs = 0. 5 qu （2）
式中qs 為樁基負摩擦力強度， kPa ； qu 為軟弱土層無側(cè)限抗壓強度。
2） 美國嘉蘭格（Garlanger） 等人的公式；qs =βσ′v （3）
式中β為負摩擦力系數(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力。
3） 對于粘性土，用靜力觸探求得探頭比貫入阻力Ps 時，可按下式估算：qs = 0. 1 Ps （4）
4） 對于沙土，用標準貫入試驗求出擊數(shù)N 時，按下式估算：qs = 2N + 30 （5）
按式（3） 至式（5） 計算得到的qs 值都是指基樁與樁側(cè)土產(chǎn)生足夠相對位移，樁基負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)范負摩擦力數(shù)值波蘭PN 83PB 2382 的樁基規(guī)范提供的樁基負摩擦力值，如表1 所示。
表1 樁基負摩擦力值土的種類負摩擦力（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 為土的相對密度Ic 為土的液性性指數(shù)2. 2. 3 下拉荷載的計算對于單樁基礎，中性點以上負摩擦力的累計值為下拉荷載，實際上就是作用在樁上的外力。下拉荷載的計算是以負摩擦力和中性點位置均達到理論最大值基礎上的假定，其計算公式為：qs = qfn ×L ×h1 （6）
式中qfn為樁基負摩擦力最大值， kPa ； L 為基樁周長，m； h1 為地面至中性點距離，m.按式（5） 和（6） 計算的下拉荷載不應大于單樁所分配承受的樁周下沉土重。計算時，可按相鄰樁距之半計算，其深度中性點深度。
在同一土體中，打入樁或沉管灌注樁（即擠土樁） ，其樁基負摩擦力大于鉆（沖） 、挖孔灌注樁（即非擠土樁） .對于摩擦樁，可近似視中性點以上樁側(cè)阻力為零計算樁基承載力。對于端承樁，計算中性點以上負摩擦力形成的荷載，并以下拉荷載作為外荷載的一部分驗算樁基承載力。
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，則群樁效應越強。當樁距與樁徑比值小于215 時，樁基負摩擦力會顯著降低。對于砂土地基不考慮群樁效應問題。
因此，研究橋臺樁基負摩擦阻力是否存在，采取什么措施達到消減橋臺樁基負摩力就成為很有必要。
1 樁基負摩擦力發(fā)生的條件樁基負摩擦力能否產(chǎn)生，關鍵取決于樁和樁側(cè)土的相對位移發(fā)展情況。因此樁基負摩擦力發(fā)生的條件有下述幾個方面：
1） 樁基穿過欠固結(jié)的軟土或新填土， 而支承于較堅實的上層土時， 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，引起地面沉降，使樁側(cè)土壓密固結(jié)，對樁產(chǎn)生負摩擦力。
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，此時土層孔隙水壓力減小，有效應力增加，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，則會引起負摩擦力。
6） 地基中液化土層發(fā)生變化時，引起地基土層大面積下沉，產(chǎn)生樁基負摩擦力。
由此可見，對于橋臺樁基工程，當樁穿過可壓縮性土層而支承在堅硬的持力層上時，一般都有可能發(fā)生負摩擦力。
2 橋臺軟土地基樁基負摩擦力的大小和深度
2. 1 樁基負摩擦力的發(fā)生深度一般說來，負摩擦力并不發(fā)生于整個軟弱土層中。當水泥混凝土樁基成樁后，隨著橋臺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)生負摩擦力，變成樁基上部為負摩擦力，樁基下部為正摩擦力。摩擦力為零的位置為中性點，此點為樁基在該處的位移量與其周圍土的下沉量相等之點，它是土與樁之間不產(chǎn)生相對位移之點，如圖1 的O1 點所示。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。中性點以上土的下沉量大于樁的下沉量，樁承受負摩擦力；中性點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，在中性點處，樁身軸向力達到最大值（ P + qfn ） ，而在樁端總阻力為qp = P + （ qfn - qfs ） .根據(jù)有關文獻介紹，經(jīng)驗估計樁基產(chǎn)生負摩擦力的深度h1 為：h1 = （0. 77～0. 8） h2 （1）
單樁在產(chǎn)生負摩擦力時的荷載傳遞式中h1 為負摩擦力發(fā)生深度； h2 為軟弱土層厚度。
通過實測結(jié)果表明，當樁周為一般粘性土時，中性點至樁頂?shù)木嚯x約為樁長的70 %～75 %；樁尖打入砂土或砂礫層中， 中性點至樁頂?shù)木嚯x約為90 %；支承在巖層上的樁，中性點則接近巖層面。
2. 2 樁基負摩擦力的大小確定樁基負摩擦力的方法較多，可歸納為三類：根據(jù)室內(nèi)外土工試驗資料的計算方法，按理論公式的計算方法，經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)值等確定的方法。
2. 2. 1 經(jīng)驗估算樁基負摩擦力1） 有關文獻介紹，經(jīng)驗估計軟弱土層樁基最大負摩擦力為：qs = 0. 5 qu （2）
式中qs 為樁基負摩擦力強度， kPa ； qu 為軟弱土層無側(cè)限抗壓強度。
2） 美國嘉蘭格（Garlanger） 等人的公式；qs =βσ′v （3）
式中β為負摩擦力系數(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力。
3） 對于粘性土，用靜力觸探求得探頭比貫入阻力Ps 時，可按下式估算：qs = 0. 1 Ps （4）
4） 對于沙土，用標準貫入試驗求出擊數(shù)N 時，按下式估算：qs = 2N + 30 （5）
按式（3） 至式（5） 計算得到的qs 值都是指基樁與樁側(cè)土產(chǎn)生足夠相對位移，樁基負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)范負摩擦力數(shù)值波蘭PN 83PB 2382 的樁基規(guī)范提供的樁基負摩擦力值，如表1 所示。
表1 樁基負摩擦力值土的種類負摩擦力（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 為土的相對密度Ic 為土的液性性指數(shù)2. 2. 3 下拉荷載的計算對于單樁基礎，中性點以上負摩擦力的累計值為下拉荷載，實際上就是作用在樁上的外力。下拉荷載的計算是以負摩擦力和中性點位置均達到理論最大值基礎上的假定，其計算公式為：qs = qfn ×L ×h1 （6）
式中qfn為樁基負摩擦力最大值， kPa ； L 為基樁周長，m； h1 為地面至中性點距離，m.按式（5） 和（6） 計算的下拉荷載不應大于單樁所分配承受的樁周下沉土重。計算時，可按相鄰樁距之半計算，其深度中性點深度。
在同一土體中，打入樁或沉管灌注樁（即擠土樁） ，其樁基負摩擦力大于鉆（沖） 、挖孔灌注樁（即非擠土樁） .對于摩擦樁，可近似視中性點以上樁側(cè)阻力為零計算樁基承載力。對于端承樁，計算中性點以上負摩擦力形成的荷載，并以下拉荷載作為外荷載的一部分驗算樁基承載力。
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，則群樁效應越強。當樁距與樁徑比值小于215 時，樁基負摩擦力會顯著降低。對于砂土地基不考慮群樁效應問題。
