1、负摩擦力在港口桩基础工程中的研究姓名 曹昌志 学号 10204080390近些年来, 我国港口工程建设取得了很大的发展, 桩基施工设备和施工环境也发生很大变化。然而，基于港口工程的桩基础仍面临着许多的难题，国内外一些实测资料表明：桩基础在使用阶段特别是软土层中的负摩擦力可能产生非常大的下拉荷载和沉降，尤其产生的不均匀沉降对基础危害最大。鉴于负摩擦力对工程实践的重要性，负摩擦力已经成为基础工程界的一个技术热点。由大面积填土造成穿过压缩土层的桩基础出现负摩擦附加荷载甚至引起建筑物破坏的经验教训早已引起国内外工程界的重视。国内、外的一些技术规范、标准对此都作出了有关规定。交通部JTJ222-83规范
2、第2.2.6条明确规定在桩台附近地面有大面积堆载时, 在桩基设计中宜考虑作用于桩侧表面负摩擦力的影响。 【1】。1:负摩擦力概念对于已施工的桩，由于水位降低、大面积的堆载和欠固结土压密等原因会引起地基的沉降和变形，从而使桩受到向下的作用而产生的力叫负摩擦力。设置于地基中的桩，在垂直荷载作用下，桩会下沉，当桩的下沉速度大于地基土的下沉速度，桩侧土体就会对桩侧表面产生向上作用的摩擦阻力，这个力称为正摩擦力，它对桩起支撑的作用。而负摩擦力的作用，实际上使桩受到一个向下的附加荷载，不过它不是作用在桩头部位，而是作用在桩的侧表面，从而使桩的实际承载力降低，并使桩体受到附加拉力作用，其结果使桩端地基产生过
3、大的沉降变形量，造成桩体因断面不足破坏，甚至产生不均匀沉降，严重影响上部结构的安全 【2】2：产生机理及给工程造成的危害性桩基础的作用是通过桩的侧表面和底端经各种打桩工艺到达要求后把上部传来的荷载传递给地基，因而对于桩基础的负摩擦力亦可分为土对桩侧面的摩擦力与地基土对桩端的反力两个部分。负摩擦力的产生和发展史有一点时间过程，起初发展比较缓慢，随后速度加快，最后趋于稳定 【3】 。负摩擦力可能会造成(1)桩端地基的屈服或破坏；(2)桩身破坏；(3)结构的不均匀沉降等而影响使用，甚至导致工程事故的发生。 【4】3：产生的环境条件及影响因素（1）当桩身穿过欠固结的土层而支承于较硬土层中，桩侧土体因固
4、结而产生的沉降大于桩的沉降。（2）在水下桩基设置建成后，由于河床的大量冲刷和随后的大量沉淀淤积，形成欠固结的淤泥层回淤在桩身的周围，该淤泥层将随时间而固结沉降，从而将会产生一定的负摩擦力。（3）桩设置在受自重而完全固结的软粘土地基中，当桩侧地面受到大面积的地面荷载作用而大量下沉时。（4）饱和粘土中打入密集的桩群，打桩会使高敏度的粘土受到扰动，引起超孔隙水压力，土体大量上涌，随后重塑土体因超过孔隙水压力消散和触变作用而又重新固结时。（5）在正常固结粘土或粉土地基中，当桩侧土层因抽水或其他原因导致大面积地下水位下降，上覆土自重增大及土中的有效应力增加以致大范围内出现地球性下沉时（6）膨胀土地基因土
5、的收缩而对桩产生负摩擦力的作用具有一定的不确定性，但由于大气影响层得深度限制，估计下拉荷载不会太大。（7）在采用压桩法沉桩的基础中，由于桩身上段在压力解除后将会产生向上的回弹。（8）当受水侵湿、融化或受振液化导致地基土大量下沉时。影响负摩擦力大小的主要因素有以下几点：(1)土的成分。一般情况下粘土对桩的摩擦力较小，随土中砂粒含量的增加，土对桩的摩擦力也随之增加，砂土对桩的摩擦力较大，碎石、块石对桩的摩擦力更大(2)土的含水量。对同一类土，当含水量降低时，负摩擦力就会增大。这一规律在粘性土中表现尤为明显。(3)土体应力状态。桩、土界面的摩擦强度明显地同桩周土体的应力水平有关(4)软土的下沉速度。
6、大量实验表明，软土的强度随剪切速率的提高而增大，当桩周软土的下沉速度快时，作用于桩上的负摩擦力也大。(5)桩土的相对位移。土体的强度发挥与变形的量值有关，只有变形达到一定量值时，土的强度才能发挥到最大值。(6)桩的倾斜度。斜桩受到的负摩擦力要比直桩大，当桩的斜度大于10：l时更为突出。 5-7另外在一些外文文献中也提到了影响港口桩基础的负摩擦的一些因素，如：不对称荷载、水的压力以及是否能及时的考虑到负摩擦力。 84：负摩擦力的预防措施对于实际工程中的负摩擦力的预防措施主要从两个方面入手：一是考虑设计。二是具体的工程措施。由于桩土体系是一种非常复杂的力学体系，而港口码头的桩基础施工所要考虑的影响
7、因素更多更复杂，目前都没有一套完全成熟的工程设计方法。所以大都依赖于经验，目前在设计上对负摩擦力的考虑主要有如下几个方面：把中性点以上或整个桩的正摩擦力忽略不计、适当降低桩的承载力或者提高安全系数、对于重点项目或有特殊要求的项目应该采用有效应力法计算出桩基础所承受的负摩擦力，即计算出下拉荷载力，并得到承载力和沉降，保证基础具有足够的竖向承载力和稳定性。在港口码头工程的施工阶段和使用阶段是负摩擦力产生的主要阶段，因此在这两个阶段也要特别注意最大限度的减少负摩擦力和采取必要的施工保护措施来防止负摩擦力的产生。常用的方法有：（1）对回填土进行压密，密实度可按所要承受的荷载而定。（2）提高桩基的承载能
8、力。这是最为单纯的方法，就是从桩的材料方面增大壁厚或断面，从桩基承载力的角度出发，增大桩的直径、桩长度或根数。这类工程措施，不需要什么新技术，只是等于在不考虑负摩擦的设计中，按一定比例预留出负摩擦的富裕量而已。这种方法，特别是在沉降量较大且负摩擦也较大的情况下，工程造价相对较高。(3)采用滑动层法降低桩测摩擦力。如利用沥青等的粘弹性，使其在表面与桩周地基之间形成一个滑动层的方法。这样，沥青等材料的粘弹性对打桩等短期荷载将呈弹性反映，以使桩周地基产生摩擦力不致传递给桩。(4)套管法，即将桩制成双层管状结构，使负摩擦仅作用于外管，不会传递到支承建筑物荷载的内管上去。但是采用这种方法，必须使外管能在
9、不向内管传力的状态下滑动，且不能让土进入内外管的空隙，加之施工较复杂，这是它的缺点。但如精心施工，则桩的反映状态容易分析，效果也是很明显的(5)用预压方法减少沉降：用减少地基沉降量来减少负摩擦作用。5：负摩擦力的计算桩的负摩擦力强度与基桩沉降及桩侧土压缩沉降、沉降速率、稳定历时等因素有关。且它随时间变化分布也比较复杂，要想在计算中考虑各种因素几乎是不可能的。一般只能简化的计算出负摩擦力的最大值。实际上，要根据具有情况进行分析和处理。计算桩的负摩擦力有四种方法：(1) 有效应力法(2) 按室内外测定的土的力学参数确定单桩负摩擦力(3) 根据标准贯入实验锤击数确定(4) 负摩擦力的经验值这里举个排
10、架桩的负摩擦力的计算方法:单桩实验测得摩擦桩产生的下拉荷载最小，端承桩次之，悬挂桩产生的下拉荷载最大。排架中桩的负表面摩擦力在泥面以下约L|5左右处达到最大，与单桩的情形相近。端承桩、悬挂桩不存在中性点，桩入土部分全部承受负摩擦力。其下拉荷载F的计算，因为桩的负摩擦力不会超过土的抗剪强度，由负摩擦力作用引起的下拉荷载F同单桩下拉荷载F的计算一样为F=U. 。10 （ ） 式中：U-桩横截面周长；l-地面至中性点的距离；fn-负摩擦力强度。根据一些试验的数据，并结合有限元的计算结果，将负摩擦力强度fn概化处理进行求解，得排架桩下拉荷载F的计算公式为；全摩擦桩 F=0.58LU.fmax悬挂桩 F
11、=0.63LU.fmax利用上式可对一些排架桩进行负摩擦力计算。桩的负摩擦力很难确定,同一地质条件用不同的方法得出的值相差较大，有时相差可达十几倍因此实际应用中。也可采用经验值。(钢筋混凝土建筑结构手册)和波兰Pn-83/B-0248规范都给出了经验值。 9-10参考文献1麦远俭. 第四航务工程局.上海港十四区拟建码头桩基础负摩擦问题的分析与建议.J2010,45-472唐树春.作用于桩上的负摩擦力及防治措施J.国外油田工程,1991,9,7(3) :68-703朱俊成. 南京航务工程专科学校 对港口桩基工程沉降-负摩擦力及软基加固的一些看法J.2010,4:25-274张超越, 高力 .桩基
12、负摩擦产生机理分析 J. 现代商贸工业,2009(19):3215 马恩,赵永,张景魁. 建筑物桩基础负摩擦力研究J.岩土工程,2004,6:51-596王大刚. 桩基工程负摩擦研究及应用: 硕士学位论文,2005.017王炳煌. 港口工程桩基规范 ( JTJ254- 98) 介绍:2003.028赵连横等.study on transfer behavior of negative friction of single pile in two-layer soil GeoShanghai 2010 International Conference:20109 黎昌勤. 某工程桩基选用不同桩类与施工方法的启示, 肇庆市建设工程质量监督站:2005,1210谢耀峰.港口工程桩基水平承载力和负摩擦力的研究:博士学位论文,2003,04
