浅议桥梁工程中的桩基负摩阻力问题

　　关键词：桩基，负摩阻力，桥梁工程

 

　　1.负摩阻力概述

　　一般情况下,施加于竖直桩上的垂直外荷载,将通过桩壁与土的相互作用传至桩周土和桩尖土上, 桩壁和桩周土的相对位移则会产生摩阻力。作用于桩侧的摩阻力的方向取决于桩和其周围地基土的相对位移情况。如果桩的沉降大于地基土的沉降时,地基土对桩侧表面就会产生向上作用的摩擦阻力,这个力对桩起支承作用,称为正表面摩阻力;反之,当地基土的沉降大于桩的沉降(包括桩身压缩及桩尖下沉)时,则桩侧土相对于桩向下移动,压缩的地基土对桩侧表面产生向下作用的摩擦阻力,这个力就称之为负摩阻力。桩基负摩阻力是桩周土产生相对于相应深度桩截面向下位移时作用于桩身的向下的力, 因而在桩身分布负摩阻力的所有情况中,一般存在中性点,即该深度桩土相对位移为零、桩身摩阻力为零,另有沿桩身全为负摩阻力的情况, 这种情况一般讲的是桩穿透湿陷性黄土层后随即落在几乎不压缩的持力层,如卵石和基岩等。

 

　　2.负摩阻力的产生

　　在桩周围的土层相对于桩侧作向下的位移时, 土产生于桩侧的摩阻力方向向下,称为负摩阻力,而正摩阻力正好相反,方向向上。负摩阻力产生的原因很多, 主要有大面积堆载使桩周土层压密固结下沉; 位于桩周的欠固结软粘土或新近填土在其自重作用下产生新的固结;自重湿陷性黄土浸水后产生湿陷;砂土液化后和冻土融化而发生下沉时也会对桩基产生负摩擦力;灵敏度较高的饱和粘性土,受打桩等施工扰动(振动、挤压、推移)影响,附加超静孔隙水压力增加,软土触变增强,后又产生新的固结下沉;在正常固结或轻微超固结的软粘土地区, 由于抽取地下水或深基坑开挖降水等原因引起地下水位全面降低,致使土的有效应力增加,同时产生大面积的地面沉降;大面积软土地区打入挤土桩,使原来地面雍高,桩土间土内总应力和孔隙水压力都普遍增高, 随后这部分桩间土的固结引起土相对于桩体的下沉等方面的原因。

 

　　3.负摩阻力的特性

　　土体在重力和附加应力的作用下发生沉降, 土体的沉降是随着时间的变化而增加并逐渐趋于稳定。桩体的沉降量与桩身的弹性压缩变形,以及桩尖处土体的沉降有关。一般来说,桩体下沉要比土体固结沉降快,桩体下沉趋于稳定的时间要比土体沉降稳定的时间短。因此,桩体在很短的时间内有一定的沉降量,这时土体的固结沉降发生很慢,随后桩体的下沉趋于稳定,但土体的沉降还在继续,当土体的沉降量大于桩体的下沉量时, 土体便对桩体有向下的作用力, 即负摩阻力产生。发表论文。最后,土体沉降稳定时,负摩阻力趋于稳定,中性点也趋于稳定。负摩阻力的发生发展的过程是桩与土的沉降相互协调的过程,当桩土相对沉降稳定时,也即负摩阻力稳定时,在桩顶处负摩阻力为零,随着桩深的增大,负摩阻力也逐渐增大,直到其最大值并开始减小,最后在中性点位置达到最小值零。对于摩擦型桩基, 当出现负摩阻力对基桩施加下拉荷载时随之引起沉降。桩基沉降土出现,土对桩的相对位移便减小,由于持力层压缩性较大,负摩阻力便降低,直至转化为零,因此一般情况下,对摩擦型桩基可近似视为中性点(理论中性点)以上侧阻力为零计算桩基承载力。对于端承型桩基,由于其桩端持力层较坚硬,受负摩阻力引起下拉荷载后不致产生沉降或沉降较小, 此时负摩阻力长期作用于桩身中性点以上侧表面。因此,应计算中性点以上负摩阻力形成的下拉荷载,并以下拉荷载作为外荷载的一部分验算其承载力。发表论文。

　　负摩阻力的大小受桩侧和桩底土层的强度、变形性质、应力历史,地面堆载的强度、面积,历时,地下水的降低幅度、面积、历时,桩的类型、尺寸、设置方法, 外界条件(堆载、降水、浸水等)变化与桩设置时间的先后关系等因素的影响,且具有时间效应。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, 地基土的沉降速率越大,负摩阻力值亦越大。这是由于负摩阻力实质上是土的抗剪强度,而它是随剪切速率提高而增大的。同时,负摩阻力的发生和发展经历着一个缓慢的时间过程,这是由软土的固结沉降特性决定的。这一过程的长短取决于桩侧土固结完成的时间和桩身沉降完成的时间,固结土层越厚,渗透性越低,负摩阻力达到峰值所需时间越长。一般初期发展较快,而达稳定值却很慢,固结土层越厚,时间过程越长。当桩底持力层的强度越大时,负摩阻力越大;当桩周土体较松散或大面积堆载,降低水位等时,负摩阻力要比没有这些影响因素作用时大;当桩侧的表面积较大时,负摩阻力也大;当群桩较密时,负摩阻力也大。

 

　　4.负摩阻力的防治措施

　　负摩阻力产生于施工阶段和使用阶段, 所以负摩阻力的防治应分别在这两个阶段进行。施工阶段负摩阻力的防治尤其关键,这个阶段能有效的防止负摩阻力的产生, 最大限度的减少负摩阻力对基础的危害。在现场施工中常采取以下措施以避免和减少施工过程中可能出现的负摩阻力。

　　(1)场地平整形成较厚的回填土,回填土的固结将对桩产生负摩阻力,应对回填土进行压密,密实度可按建筑物荷载而定;

　　(2)桥梁桩基影响范围内存在欠固结的软弱压缩土层时,可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阻力;

　　(3)大面积地面堆载的场地,增设保护桩以减少桩周土层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,且又采用桩基础的建筑物, 其地面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(如增加支承桩);

　　(5)确定桩存在负摩阻力后,应通过计算取得负摩阻力值,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,增大正阻擦力以抵消桩的负摩阻力;

　　(6)计算出桩的中性点,在中性点上段涂刷强而耐久的防护涂料,减少桩的负摩阻力。

 

　　5.结语

　　负摩阻力问题从被人们认识提出到今天, 仍然是工程界的一大热点难题。发表论文。虽然己经创造了防治和克服负摩阻力的方法,但是对其研究及计算都停留在经验上,一些理论因为过于繁琐、复杂在实际应用时往往产生不便, 所以对负摩阻力的研究仍然需要本专业人员的进一步努力。

　　 

　　【参考文献】

　　[1]肖宏彬.竖向荷载作用下大直径桩的荷载传递理论及应用研究.中南大学博士论文.长沙:中南大学,2005.

　　[2]夏力农,王星华.承受竖向荷载桩基的负摩阻力特性研究.矿冶工程,2005,(4).

　　[3]袁灯平等.软土地基桩侧负摩阻力研究进展初探.土木工程学报,2006,(2).

　　[4]夏力农,王星华.桩体材料弹性模量对桩基负摩阻力特性的影响.防灾减灾工程学报,2006,(4).